En nyckelfunktion hos biologiska vävnader är deras inhomogenitet och deras förmåga att växa via cellreproduktion. För att studera detta beteende är det viktigt att beskriva det med hjälp av ekvationer, som tar hänsyn till faktorer inklusive tillväxthastigheter, kemisk signalering och vävnadsstruktur.
Forskare från Paris siktar på att utveckla konsekventa kontinuerliga beskrivningar av dessa djupt komplexa system:exakt förutsäga egenskaper som cellreproduktionshastigheter, störningar och hur deras tillväxt varierar i olika rymdriktningar, beroende på deras interaktioner.
Genom deras nya analys publicerad i The European Physical Journal Plus , Joseph Ackermann och Martine Ben Amar vid Sorbonne University Paris, visar att vävnadsutveckling på ett tillförlitligt sätt kan fångas inom "Onsagers variationsprincip", en matematisk ram som används flitigt inom termodynamiken.
Deras tillvägagångssätt kan leda till en djupare förståelse av vävnadsegenskaper över ett brett spektrum av scenarier, från viktiga processer som embryonutveckling till skadliga sådana som tumörtillväxt.
Inom termodynamiken beskriver Onsagers variationsprincip hur system tenderar mot ett tillstånd av minimal förlust då de ständigt förändras av sina egna transformationer och sin miljö. Matematiskt uttrycker principen dessa system som grupper av sammankopplade ekvationer, som var och en beskriver förändringshastigheterna för vissa storheter som beskriver dem.
Med utgångspunkt från Onsagers variationsprincip härleds nya "momentum" och tillväxtekvationer, som bättre skulle kunna beskriva massaflödet och proliferationen, samt orienteringen av celler i biologiska vävnader. Deras ekvationer beaktade cellernas tillväxt och dödshastighet, såväl som de kemiska reaktionerna som driver deras aktivitet. Detta tillvägagångssätt skulle också kunna illustrera uppkomsten av mönster i växande organ.
Sammantaget visar duons arbete definitivt hur Onsagers variationsprincip kan vara ett värdefullt verktyg för att utforska olika teoretiska scenarier i växande vävnader, och hur deras tillväxt beror på interaktioner mellan olika egenskaper i cellskala.
Mer information: Joseph Ackermann et al, Onsagers variationsprincip i prolifererande biologiska vävnader, i närvaro av aktivitet och anisotropi, The European Physical Journal Plus (2023). DOI:10.1140/epjp/s13360-023-04669-9
Tillhandahålls av SciencePOD
