Demônio de Maxwell e as forças hemodinâmicas: da função vascular e endotelial à diferenciação celular

1. Universidade de São Paulo - BTC5734
Demônio de Maxwell e as forças
hemodinâmicas: da função
vascular e endotelial à
diferenciação celular
Vinícius Bassaneze
Organização e Fluxo da Informação
Genética em Sistemas Complexos

2. Equilíbrio / gra
v idade
o
re ssã
P
VETORES
FORÇA
m etro
ô
am
Din
“O UNIVERSO É INCOLOR,
INSÍPIDO, INODORO E
SILENCIOSO”
Mario Bunge, Semioticista

3. Mecanosensores em sistemas
biológicos complexos?
• TATO!
– Pressão
– Textura
– Movimento e propriocepção
Estrutura Percepção
Corpúsculos de Pacini pressão
Discos de Merkel toques leves
Corpúsculos de Meissner mudanças na textura
Órgão Piloso terminal movimento de objetos
sobre a superfície do
corpo
Corpúsculos de
Pacini
Pacini Orgãos tendinosos de propriocepção
Golgi

4. Mecanosensores em sistemas
biológicos complexos?
• AUDIÇÃO!

5. Mecanosensores em sistemas
biológicos complexos?
Because, according to Newton’s laws, physical
force drives all movements, feedback mechanisms in
which forces guide cell behavior would be an attractive
mechanism to enhance the robustness of these processes.

6. Definição de STRESS mecânico
• Stress é, por convenção,
definido como uma
força que age em uma
determinada área
http://www.geology.sdsu.edu/visualstructure/vss/htm_hlp/stres_d.htm
• Equivale à pressão
• Apresenta diversos Unidades Equivalente em MPa
Megapascal (MPa) 1.000
nomes de unidades de Pascal (Pa) 1,000,000.000
representação N/m2
kg/cm2
1,000,000.000
10.197
dina/cm2 100,000,000.000
Bar (b) 10.000
Kilobar (kb) 0.010
Pounds per square inch (psi) 145.030
Atmosferas (atm) 9.869
Dina é a força necessária para impor a aceleração de um 1cm/s2 a um corpo de 1g de massa (g×cm/s2 )

7. Resumidamente – corpos sólidos
• Componentes
– “Shear Stress“
(paralelo)
http://earthquake.usgs.gov/image_glossary/stress.html
– “Normal Stress”
(perpendicular)
• Compressional
– esmagamento
• Tensional
– Estiramento
(“stretch”)

8. “Shear Stress”
• Força de cisalhamento
• O gradiente de velocidade próximo à
parede do vaso determina o seu “shear
stress” (τw)
• Essa força tende a dispor o endotélio e as
camadas internas das artérias na direção
do fluxo sangüíneo
4µQ
Davies PF, Polacek DC & cols. Arch Pathol Lab Med. 1992.
τw = 3
πr
µ = µ 0 (1 + AT + BT )
Onde τ w é o shear stress (dynes/cm2)
µ é a viscosidade em uma determinada termperatura
Q é o volume do fluxo (dynes/cm3)
r é o raio (cm)
µ 0 é a viscosidade a 0ºC
T é a temperatura determinada
A e B são constantes do específicas do material

9. Efeitos na células endoteliais - morfologia
Malek, A.M. & Izumo, S. (1996)

10. Efeitos na célula endotelial - vasodilatadores
 O stress mecânico estimula a síntese de óxido nítrico (NO)
no endotélio, que age na muscular lisa
 Há hiperpolarização da célula muscular lisa pelo
acoplamento entre as células

11. “Tensile Stress”
• Força de Estiramento
• Pressão no interior do vaso
exerce uma força distensiva na
sua parede
• Se espessura é pequena se
comparada com o raio,
– Aplicar a Lei de Laplace
Davies PF, Polacek DC & cols. Arch Pathol Lab Med. 1992.
– Tem-se T = Pr, onde
• T é a tensão
• P é a pressão
• r é o raio
• Tensile Stress é a tensão por
unidade de área de uma
transecção da parede e
considera a sua espessura
– S = Pr/d
• d é a espessura do vaso

12. E no coração?
Coração normal Coração hipertrófico
• O stress mecânico em cardiomócitos é o mais
importante estímulo para cardiomiopatias
hipertróficas
• É significantemente inibido por inibidores de
receptores de angiotensina II (receptor AT1)
• O stress mecânico ativa o receptor na AUSÊNCIA do
agonista (AngII)

13. Receptor AT1

14. Um novo demônio de Maxwell (Szilard)
AT1
Alpha
Proteína G
... !
Proteína G
Beta Alpha
ga
m
a
Alpha GTP
GDP

15. Um novo demônio de Maxwell (Szilard)
Fosforilação!
AT1
•Fosforilação da JAK2
P •Ativação Beta Arrestina
P •Transativação de outros receptores

17. Nat Cell Biol. 2004
Jun;6(6):499-506.
Com candersartan

18. Receptor
AT1
TM7
Substituted cysteine accessibility mapping, SCAM

20. O organismo como Metáfora ?
+ =

21. As paisagens
de adaptação
Princípio da
no
economia
espaço de
informacional
oportunidades

22. COMBINATORIAL TOPOLOGY & COMBINATORIAL
OPTIMIZATION
Loewenstein/Wright/Kauffman/ Lloyd.....
Um hiper-espaço de operações computacionais
The labirinth sport, a mass game of chance and endurance,
played by the following rules: participants trot at fixed
speed and rely on chance in their choice of forks. The track
of the lucky winner, the shortest route between start and
finish, is shown as a thick line

23. Ambystoma mexicanum
Regeneração Salamandra
Iten and Bryant (1973)W.Roux'Arch. 173, 263-282

24. Regeneração Salamandra
Iten and Bryant (1973)W.Roux'Arch. 173, 263-282
Tudo (!) em aprox. 40 dias

25. Regeneração Salamandra
• Formação de tecido cicatricial
(epiderme)
• Migração/desdiferenciação de células
→ formação do “blastema”
• Formação de capilares e vasos
sanguíneos
Anoop Kumar, et al, Science 318, 772 (2007)
• Estimulação/diferenciação do sistema
nervoso
• Diferenciação e geração dos novos
tecidos (músculos/ossos)

27. Desafios atuais
• Células-tronco pluripotente induzidas (iPS)
Geração de Geração de
Mesma morfologia teratomas quimeras
2007 Jul 19;448(7151):313-7