II. MODELE BIOMEDICALE

MODELAREA IN MEDICINA

Modele tiinifice medicale: clasificare, descriere generala

Model, modelare - definiii, scopurile modelrii n medicinEtapele modelarii, ilustrate prin modelul Hodgkin - Huxley de transmitere a influxului nervos prin axonClasificarea modelelorDescrierea unor clase de modele cu aplicatii n medicina: Modele teoretice Modele biologice Modele analoge structurale sau bionice. Bionica. Modele bionice medicale Modele analoge functionale sau cibernetice. Modele cibernetice medicale Modelarea protetica. Modele protetice complexe

ScopuriFacilitarea accesului la cunoasterea complexelor functii ale organismului umanRealizarea unor modele pentru testarea de medicamenteSubstituirea definitiva sau temporara a unor organe sau functii din organismRealizarea unor proteze

MODEL - un analog simplificat al unui obiect alcatuit dupa anumite reguli riguroase

MODEL - sistem teoretic sau material cu ajutorul caruia pot fi studiate indirect proprietatile si transformarile altui sistem, mai complex, cu care primul sistem (sistemul model) prezinta analogii (Dictionar medical, V. Rusu, 2004, pg. 675 ).Procesul de realizare a unui model = MODELARE

ETAPELE MODELRII

SIMPLIFICAREA i esenializarea sistemului de modelat

II. REPRODUCEREA originalului utiliznd alte materiale

III. UTILIZAREA modelului pentru studiul unor relaii cauzale sau funcionale

Premiul NOBEL n medicin 1963A. L. HODGKIN A. F. HUXLEY"descoperiri privind mecanismele ionice implicate n excitarea i inhibiia prilor periferice i centrale ale membranei celulei nervoase"

D = 0,1 - 20 mR axoplasma = 1010 / cm

I. Simplificarea sistemului de modelat- structuralaxoplasm = rezistena R = 1010 / cmmembran axonal (Rm, Cm, Em)diametrul 0,1 m - 20 m- funcional transmiterea influxului nervos (v)

II. Analogii (reproducerea) - model natural = axonul de calmar - cu un cablu electric

a diametrul cabluluiR rezistena electric a conductoruluix distana si v - vitezaC capacitatea specific a nveliului cabluluiI(v) caracterizeaz amplificatorul generator de curent

III. UtililizareaTransmiterea influxului nervos prin axon depinde de modificarile de permeabilitate de la nivelul membranei

Axon realCircuit echivalent al unui segment de membranDispozitiv exper. pentru msurarea propriet. de transmisieCircuitul electric echivalent i reprezentarea membranei cu pori

a = diametrul cabluluiR = rezistena electric a conductoruluix = distana, v = vitezaC = capacitatea specific a nveliului cabluluiI(v) = caracterizeaz amplificatorul generator de curent

Descrierea cantitativ a curentului membranar si aplicarea acestuia in conducerea si excitarea nervoasa. The Physiological Society, volume 117, 1952; Wiley-Blackwell Publishing.Potentialul intr-un neuron realPotentialul in modelul H-H

CLASIFICAREA MODELELORn funcie de scop - demonstrative, - de cercetare, - practice, - mixten funcie de forma de materie modele teoretice i modele materialen funcie de relaia dintre model i sistemul de modelatsimilareomologeanaloge structural (bionice) sau funcional (cibernetice)biologice

N FUNCIE DE SCOP:

A. de cercetare (euristice)B. practiceC. demonstrative (didactice)D. mixte

1.

A. de cercetare (euristice)J. Watson i F. Crick - premiul Nobel n Medicin i Fiziologie 1962 mpreun cu M. Wilkins: stabilirea structurii ADN-ului prin difracie cu raze X

We have discovered the secret of life 2003 / 1953

C. demonstrative (didactice)Triunghiul EinthovenD ID IID III

N FUNCIE DE FORMA DE MATERIE

A. Modele teoretice abstracte sau idealefizicematematice, graficeinformaticechimice, biochimice biofizice,celulare i ale unor structuri celularemodelarea virtuala a unor biosisteme molec.

B. Modele materiale sau substaniale- fizice- chimice- fizico-chimice- biologice: a) animale, b) in vitro2.

A. Modele teoretice abstracte sau ideale - fiziceIsaac Newton flux de corpusculi care se propaga conform legilor mecaniciiCristian Huygens modelul ondulatoriuJames Clark Maxwell ipoteza naturii electromagnetice

A. Modele teoretice abstracte sau ideale - matematice, graficeN = No e-t

I = Io e-xl

S = So e-kt

cldura specificconductibilitatea termiccldura latent de vaporizaredensitateaconstanta dielectric a apeipunctele de topire (0 C) i de fierbere (100 C)

FORME DIFERITE ALE FULGILOR DE ZAPADA

Masaru EMOTOMedic si biofizician japonez

MEMORIA APEIJacques BENVENISTE

In revista Nature apare la 30 iunie 1988 articolul Human basophil degranulation trigged by very dilute antiserum against IgE (Nature, vol. 333, No. 6176, pp. 816-818).

Luc Montagnier Les combats de la vie (d. Lattes, Paris, 2008) NOBEL MEDICINA 2008:

Biologia molecular (...) a atins limitele sale i ea nu explic tot. Unele fenomene, ca homeopatia, rmn misterioase. Eu fac aluzie la unele idei ale lui Jacques Benveniste (cercettorul care a inventat memoria apei) cci recent am ntlnit fenomene pe care doar teoriile par s le poat explica. Eu pornesc de la observaii, nu de la credine. Unele lucruri nc ne scap, dar sunt convins c vom ti s le explicm n maniera cea mai riguroas. Trebuie s putem angaja cercetri asupra acestui subiect! Dac se ncepe prin negarea existenei acestor fenomene, nu se va ajunge nicieri.

A. Modele teoretice abstracte sau ideale: chimice, biochimiceLinus PaulingDescrierea conformaiei spaiale de tip alfa-helix

B. Modele materiale sau substaniale - modele biologice

Escherichia coli (bacterie) - 1 cromosomBiotehnologii medicale - de ex., producerea de hormoni

Saccharomyces cerevisae (drojdia de bere) - 16 cromosomiBiotehnologiaalimentatiei

Nobel 2002Sydney Brenner, H. Robert Horvitz i John E. Sulston reglarea genetic a organogenezei i a morii celulare programate.

By using the nematode Caenorhabditis elegans as a model system, the Laureates have identified key genes regulating these processes. They have also shown that corresponding genes exist in higher species, including man.Robert Horvitz used C. elegans to investigate whether there was a genetic programme controlling cell death. In 1986, he identified the first two "death genes", ced-3 and ced-4. He showed that functional ced-3 and ced-4 genes were a prerequisite for cell death to be executed. Later, Horvitz discovered that another gene, ced-9, protects against cell death by interacting with ced-4 and ced-3. He also identified genes directing the elimination of the dead cell, and he showed that the human genome contains a ced-3-like gene.We now know that most genes involved in controlling cell death in C. elegans have counterparts in humans and are evolutionarily well conserved. In the human signalling pathway ced-3-, ced-4- and ced-9-like molecules participate.

Studiul apoptozei - Columbia 2003

STS-129 noiembrie 2009

Arabidopsis thaliana10 cromosomiDrosophila melanogaster (musca de oet)4 cromosomiGENETICMus musculus19 + X / YNobel 2007Mario R. Capecchi, Martin J. Evans si Oliver Smithiesdescoperiri privind principiile inducerii mutatiilor genetice specifice la soareci cu ajutorul celulelor stemNobel 1946Hermann Joseph Mullerpentru descoperirea producerii de mutatii prin iradiere cu raze X

The Genome Sequence of Drosophila melanogaster J. Craig Venter200 autori!CELERA - GENOMICS

descoperiri privind principiile inducerii mutaiilor genetice specifice la oareci cu ajutorul celulelor stem

Aceste experimente mbuntesc posibilitile de studiu a mecanismelor de producere a bolilor, facilitnd dezvoltarea i testarea de noi medicamente.Genomul uman: 22 - 23 000 gene. Peste 10 000 au fost modificate genetic la oarece. Peste 500 de boli determinate de mutaii genetice au fost astfel descrise (HTA, ATS, cancerul, diabetul, fibroza chistic etc.).

Fugu rubripes (petele Fugu)Canale ionice Na+ tetrodoxin(TTX) neurotoxin, fr antidot, de 100 ori mai toxic dect cianura de potasiu

Aequorea victoria GFP - Green Fluorescent Protein, 238 aa, 26.9 kDa Nobel Chimie 2008Osamu Shimomura, Martin Chalfie, Roger Y. Tsien

Tumor mamar nconjurat de vasele de snge care o irig Tumora mamar a fost colorat n rou cu ajutorul colorantului DsRED, iar vasele de snge au fost marcate cu GFP. In acest experiment cercettorii au descoperit 2 proteine care ajut la diseminarea celulelor canceroase. Dac acestea pot fi neutralizate nseamn c i procesul de metastazare poate fi controlat.

S'il fallait tenir compte des services rendu la science, la grenouille occuperait la premire place.

Claude Bernard

N FUNCIE DE RELAIA DINTRE MODEL I SISTEMUL MODELAT

similare (fidele)

omologe

analoge structural = bionice

functionale = cibernetice3.

MADURODAMscala 1: 25, 1952, George Maduro

MODELE BIONICE MEDICALE1. RINICHIUL ARTIFICIAL MEMBR. GLOMER. CELOFAN

diametrul porului 30 - 45 A 30 A

aria totala a porilor 1500 - 7500 cm2 22 000 cm2

lungimea porului 1 m 80 m

2. SISTEMUL CORD-PLAMAN ARTIFICIAL - substituirea pe timp scurt a functiei de pompa a inimii si a celei de fixare a O2 si eliminare a CO2 pompa asociata cu un oxigenator oxigenatorul = membrane de silicon de 12,5 m

Robert K. JARVIK

JARVIK 7 - const n 2 compartimente cu aer (doi ventriculi) i 6 valve de titan, ataate la atriile naturale ale pacientuluiPeste 800 de pacieni au beneficiat de Jarvik 7 in asteptarea transplantului.3. INIMA ARTIFICIAL

JARVIK 11SynCardia temporary CardioWest Total Artificial Heart = versiunea moderna a lui Jarvik 7

MODELE CIBERNETICE MEDICALESTIMULATORUL CARDIAC Pace-maker-ul

Nanomedicina

Nanotehnologie

Nanotehnologie" - "arta manipulrii unor dispozitive minuscule, de dimensiuni moleculare. Nanotehnologia - tehnologia infinitului microscopic.Nanomedicina reprezint totalitatea spectrului de aplicaii medicale ale nanotehnologiei; nseamn prevenie, diagnostic medical, monitorizare i tratament la nivelul unei singure celule sau ansamblu de celule.Nanoparticulele - diametrul intre 10 si 1000 nm.

Eric DREXLER - 1980 termenul Nanotehnologie1959 conceptul NANORichard Feynman

Dup Robert A. Freitas nanomedicina reprezint ansamblul monitorizrii, controlului, construciei, reparrii, aprrii i mbuntirii sistemelor biologice umane, opernd la nivel molecular prin folosirea de nanodispozitive i nanostructuri; tiina i tehnologia diagnosticrii, tratrii, prevenirii bolilor, prezervrii i mbuntirii sntii corpului uman; utilizarea sistemelor de maini i dispozitive la scar moleculare n abordarea problemelor medicale, folosind cunotinele din domeniul molecular pentru meninerea i optimizarea sntii.

Fulereni (este singura molecul format dintr-un singur element ce are o structur sferoidal goal) 1985 Nanotuburi de carbon (alotropi ai carbonului ce aparin familiei fulerenilor) 1991Livrarea intit de medicamente, diagnostic i tratament n oncologie, terapie fotodinamic, interfee neuroelectronice, motoare moleculare, markeri nanoluminesceni etc.Nanoparticule, nanoroboti

Copolimeri care prezinta o extremitate hidrofila (verde) si una hidrofoba (rosu). In functie de rigiditate, lungime si numarul segmentelor de polimeri acesti copolimeri sintetici se pot autoasambla in micele, vesicule sau cilindri.

Exist trei ramuri majore n domeniul nanomedicinei: n primul rnd, dispozitivele i materialele de dimensiuni nanometrice care pot fi astzi realizate ofer promisiuni majore n diagnostic i n realizarea de biosenzori, n administrarea intit a medicamentelor (medicamente inteligente) i bypass-ul sistemelor imune ale organismului. n al doilea rnd, biotehnologia ofer o serie de beneficii medicinei prin intermediul geneticii moleculare i al realizrii de microbi modificai genetic cu diverse scopuri, n tratament i n sinteze proteice (exemplul clasic fiind cel al insulinei produs pe scar larg prin acest procedeu). n cele din urm, cea mai important ramur o constituie cea a sistemelor moleculare inteligente, a nanoroboilor medicali, care vor permite diagnosticul i exterminarea rapid a agenilor patogeni, manipularea genetic i chirurgia celular in vivo. Aplicatii in medicina

Respirocitul - Freitas1 nm diametru, 9 bilioane de molecule de O2 i CO2, la o presiune de 1000 de atmosfere - poate transporta de 236 de ori mai mult volum de gaz dect o hematie - injectarea unui litru de respirocite n snge (volumul maxim admis) permite oprirea respiraiei timp de patru ore

Celula alba artificialaAcest nanorobot va avea dimensiuni cuprinse ntre 3-3,5 micrometri n axul mare i 2 micrometri n axul mic, fiind alctuit din 600 bilioane de atomi aranjai ntr-o structur perfect O perfuzie de civa mililitri dintr-o astfel de soluie de nanoroboi va putea vindeca o septicemie n cteva minute sau cel mult cteva ore; ei vor fi capabili s distrug i organismele rezistente la antibiotice sau ageni fizici i vor putea fi extrai din corp cnd i vor ncheia misiunea

Nanorobot capabil sa detecteze si sa distruga virusii in sange (model experimental). Copyright Hybrid Medical Animation, 2003, Jeff Johnson

Chimioterapia tintita - distrugerea doar a celulelor canceroase

Aceasta imagine din "Nanotechnology, premiata in 2002 de The Daily Telegraph - Londra si Novartis, a fost creata pentrua a arata una dintre posibilele aplicatii viitoare ale nanotehnologiei in medicina - nanorobot care actioneaza la nivelul unei singure molecule.

*