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Spongiosa Primary Development: A Biochemical Hypothesis by Turing Patterns Formations
Oscar Rodrigo López-Vaca,Diego Alexander Garzón-Alvarado
Computational and Mathematical Methods in Medicine , 2012, DOI: 10.1155/2012/748302
Abstract: We propose a biochemical model describing the formation of primary spongiosa architecture through a bioregulatory model by metalloproteinase 13 (MMP13) and vascular endothelial growth factor (VEGF). It is assumed that MMP13 regulates cartilage degradation and the VEGF allows vascularization and advances in the ossification front through the presence of osteoblasts. The coupling of this set of molecules is represented by reaction-diffusion equations with parameters in the Turing space, creating a stable spatiotemporal pattern that leads to the formation of the trabeculae present in the spongy tissue. Experimental evidence has shown that the MMP13 regulates VEGF formation, and it is assumed that VEGF negatively regulates MMP13 formation. Thus, the patterns obtained by ossification may represent the primary spongiosa formation during endochondral ossification. Moreover, for the numerical solution, we used the finite element method with the Newton-Raphson method to approximate partial differential nonlinear equations. Ossification patterns obtained may represent the primary spongiosa formation during endochondral ossification. 1. Introduction Most of the long bones of the mammals skeletal system are developed from a process called endochondral growth [1–4]. This process ends with the gradual production of bone from cartilage tissue during fetal development and postnatal growth. The process of ossification occurs from a hyaline cartilage tissue mold, which has a similar shape to the bone in a mature stage. The cartilage tissue molds are formed through the condensation of mesenchymal cells [5] followed by their differentiation into chondrocytes (cells that produce and maintain cartilage matrix) and secretion of typical components of the extracellular matrix of cartilage [6]. Once the mold of cartilage is formed, it is invaded initially in its center and then at each end by a mixture of cells that give rise to the appearance of primary and secondary centers of ossification, respectively, [7–9]. The ossification centers invade the cartilage gradually until it is completely replaced by bone tissue, except the articular surfaces. In this way, and eventually the bones reach their skeletal maturity [10]. The processes of endochondral development, growth, and elongation of the bones are made by the continuous addition of cartilage and subsequent replacement by bone tissue. During the chondrocytes differentiation process, the matrix composition changes dramatically through the production of other components such as collagen type X, the expression of
Representación del desarrollo de la espongiosa primaria por medio de un sistema de reacción-difusión: Una hipótesis sobre el inicio de la formación de hueso inmaduro. Parte 1: Descripción del modelo Representation of the development of the primary spongiosa by means of a reaction-diffusion system: a hypothesis on the onset of immature bone formation. Part 1: Model description
Oscar Rodrigo López-Vaca,Diego Alexander Garzón-Alvarado
Revista Cubana de Investigaciones Biom??dicas , 2012,
Abstract: Se presenta un modelo bioquímico que predice la formación de la arquitectura de la espongiosa primaria, a partir de la interacción de 2 factores moleculares: VEGF (factor de crecimiento endotelial vascular) y MMP13 (metaloproteinasas 13). Se supone que el MMP13 regula la degradación del cartílago y el VEGF permite la vascularización y el avance del frente de osificación mediante la presencia de osteoblastos. El acople de este conjunto de moléculas se representa mediante ecuaciones de reacción-difusión con parámetros en el espacio de Turing, y se obtiene como resultado un patrón espacio-temporal estable que da paso a la formación de las trabéculas presentes en el tejido esponjoso. A biochemical model is presented which predicts the formation of the architecture of the primary spongiosa, based on the interaction of two molecular factors: VEGF (vascular endothelial growth factor) and MMP-13 (metalloproteinases-13). It is assumed that MMP-13 regulates cartilage degradation, and VEGF allows vascularization and the advance of the ossification front through the presence of osteoblasts. The coupling of this set of molecules is represented by means of reaction-diffusion equations with Turing space parameters, and a stable spatio-temporal pattern is obtained which leads to the formation of the trabeculae present in the spongy tissue.
Representación del desarrollo de la espongiosa primaria por medio de un sistema de reacción-difusión: Una hipótesis sobre el inicio de la formación de hueso inmaduro. Parte 2: Implementación numérica Representation of the development of the primary spongiosa by means of a reaction-diffusion system: a hypothesis on the onset of immature bone formation. Part 2: Numerical implementation
Oscar Rodrigo López-Vaca,Diego Alexander Garzón-Alvarado
Revista Cubana de Investigaciones Biom??dicas , 2012,
Abstract: Se presenta la implementación numérica del modelo bioquímico descrito mediante el sistema de reacción-difusión de la parte 1. De los resultados obtenidos se puede concluir que la retroalimentación química de los 2 factores moleculares a través de un sistema de reacción-difusión (RD) con parámetros en el espacio de Turing, puede explicar la aparición de los patrones espacio-temporales encontrados en la arquitectura de la espongiosa primaria. Para la solución numérica fue usado el método de los elementos finitos junto con el método de Newton-Raphson para aproximar las ecuaciones diferenciales parciales lineales. Los patrones de osificación obtenidos pueden representar la formación de la espongiosa primaria durante la osificación endocondral. A presentation is made of the numerical implementation of the biochemical model described by means of the reaction-diffusion system in Part 1. Based on the results obtained it may be concluded that the chemical feedback of the two molecular factors by means of a reaction-diffusion (RD) system with Turing space parameters may explain the appearance of the spatio-temporal patterns found in the architecture of the primary spongiosa. For the numerical solution, use was made of the finite element method in combination with the Newton-Raphson method to approximate the linear partial differential equations. The ossification patterns obtained may represent the formation of the primary spongiosa during endochondral ossification.
Modelo de endurecimiento isotrópico con esquema de integración explícita para biomateriales y su aplicación a la expansión de stents
Narváez-Tovar,Carlos Alberto; López-Vaca,Oscar Rodrigo; Garzón-Alvarado,Diego Alexander;
Revista Cubana de Investigaciones Biom??dicas , 2011,
Abstract: a isotropic hardening model is presented for metallic biomaterials, which uses a explicit integration scheme under increasing formula. to computer implementation a finite element from uel user was programmed in fortran language for its execution in the abaqus software. to model validation two examples type benchmark were solved and results are compared with ansys and the umat of dunne and petrinic for abaqus. finally, model is used to simulate the extension of a coronary stent manufactures in 316l stainless steel. we conclude that the model has an acceptable numerical error taking into account that finite element was programmed as a whole and has not any of the optimizations of commercial codes. in future papers the uel will be coupled with continuous damage mechanics model to predict the failure due to fatigue, whose analysis is a basic standard in stent manufacturing.
Modelos computacionales del comportamiento del cartílago articular Computational models of articular cartilage behavior
Oscar Rodrigo López-Vaca,Carlos Alberto Narváez-Tovar,Diego Alexander Garzón-Alvarado
Revista Cubana de Investigaciones Biom??dicas , 2012,
Abstract: El cartílago articular suministra a las articulaciones diartrodiales baja fricción, resistencia al desgaste en las superficies de contacto y distribuye los esfuerzos en las zonas donde se presenta contacto con el hueso; adicionalmente, es un tejido alinfático y avascular, razón por la cual su regeneración toma demasiado tiempo y en pacientes con avanzada edad no es posible realizarla. Con el propósito de estudiar y entender completamente el comportamiento del cartílago bajo diferentes condiciones de carga y en presencia de enfermedades como la osteoartritis, se han creado diferentes modelos computacionales que incluyen características propias de la estructura del tejido cartilaginoso que permiten predecir su comportamiento en condiciones normales y anormales, disminuyendo tiempos y costos de experimentación. Este artículo de actualización expone las principales características estructurales y biológicas del cartílago articular y presenta diferentes modelos computacionales que permiten modelar el tejido cartilaginoso de acuerdo con sus principales características y de esta forma simular el deterioro del cartílago bajo diferentes condiciones y enfermedades. The articular cartilage provides diarthrodial articulations with low friction, resistance to wear on contact surfaces, and an effective distribution of efforts in areas of contact with the bone. On the other hand, because their tissue is alymphatic and avascular, regeneration takes a long time and is not possible in elderly patients. Various computational models have been developed to study and fully understand cartilage behavior under varying load conditions and in the presence of diseases such as osteoarthritis. The models include specific features of cartilaginous tissue allowing to predict its behavior in normal and abnormal conditions, reducing experimentation time and costs. This update paper presents the main structural and biological characteristics of the articular cartilage, as well as various computational models representing cartilaginous tissue according to its main features, with a view to simulating cartilage deterioration under varying conditions and diseases.
Modelo de endurecimiento isotrópico con esquema de integración explícita para biomateriales y su aplicación a la expansión de stents Isotropic hardening model with explicit integration scheme for biomaterial and its application to stents expansion
Carlos Alberto Narváez-Tovar,Oscar Rodrigo López-Vaca,Diego Alexander Garzón-Alvarado
Revista Cubana de Investigaciones Biom??dicas , 2011,
Abstract: Se presenta un modelo de endurecimiento isotrópico para biomateriales metálicos, el cual emplea un esquema de integración explícita bajo una formulación incremental. Para la implementación computacional se programó un elemento finito de usuario UEL en lenguaje FORTRAN para su ejecución en el software ABAQUS. Con el fin de validar el modelo se resuelven dos ejemplos tipo benchmark y sus resultados son comparados con ANSYS y el UMAT de Dunne y Petrinic para ABAQUS. Finalmente, el modelo es usado para simular la extensión de un stent coronario fabricado en acero inoxidable 316L. Se concluye que el modelo posee un error numérico aceptable teniendo en cuenta que el elemento finito fue programado por completo y no posee ninguna de las optimizaciones de los códigos comerciales. En trabajos futuros el UEL será acoplado con modelos de mecánica de da o continuo para la predicción de la falla por fatiga, cuyo análisis es un estándar básico en la manufactura de stents. A isotropic hardening model is presented for metallic biomaterials, which uses a explicit integration scheme under increasing formula. To computer implementation a finite element from UEL user was programmed in FORTRAN language for its execution in the ABAQUS software. To model validation two examples type benchmark were solved and results are compared with ANSYS and the UMAT of Dunne and Petrinic for ABAQUS. Finally, model is used to simulate the extension of a coronary stent manufactures in 316L stainless steel. We conclude that the model has an acceptable numerical error taking into account that finite element was programmed as a whole and has not any of the optimizations of commercial codes. In future papers the UEL will be coupled with continuous damage mechanics model to predict the failure due to fatigue, whose analysis is a basic standard in stent manufacturing.
LA GRAN PARADOJA DE LA MEDICINA: MECANICISMO VS. HUMANISMO THE GREAT PARADOX OF MEDICINE: MECHANICISM VERSUS HUMANISM
OSCAR L. VACA C.
Revista Med , 2009,
Abstract:
EL REGISTRO MéDICO Y LA INVESTIGACIóN EN IBEROAMéRICA
OSCAR L. VACA C
Revista Med , 2008,
Abstract:
Caracterización de Lactantes con infección del Tracto Urinario. 2009-2010. Hospital Regional de Antofagasta.
Oscar Ceballos D.,Ismael Erazo A.,Raúl López C.,Rodrigo Fuentes H.
Revista ANACEM , 2010,
Abstract: INTRODUCCION: Las infecciones del tracto urinario (ITU) son una de las enfermedades bacterianas más frecuentes en pediatría. La incidencia de ITU en el paciente pediátrico no se conoce con exactitud. En recién nacidos se estima en 1% con una mayor proporción de varones, mientras que en lactantes aumenta entre 3 a 5% con igual proporción en ambos sexos. OBJETIVO: Caracterizar el perfil clínico-epidemiológico de lactantes con diagnóstico de ITU en el servicio de Pediatría del Hospital Regional de Antofagasta. PACIENTES Y METODOS: Estudio descriptivo retrospectivo de corte transversal. Se analizaron fichas clínicas de pacientes de la unidad de lactantes del Servicio de Pediatría del Hospital Regional de Antofagasta con diagnóstico de ITU al egreso del periodo Mayo 2009 - Mayo 2010. La muestra final fue 88 pacientes. Los datos fueron analizados y tabulados en una planilla Excel2007. RESULTADOS: Un 71,5% fueron sexo femenino. La edad promedio fue de 8,9 meses con rango entre 1 mes y 23 meses. Los síntomas más frecuentes fueron fiebre (97,7%), vómitos (30,7%), diarrea (23,1%), inapetencia (21.6%) y llanto/irritabilidad (16%). Las alteraciones de laboratorio fueron PCR elevada (96%), piuria (94,3%), leucocitosis (87,5%) y nitritos positivos (48%). Sólo fueron consignados el 85,2% de los urocultivos, de los cuales el patógeno más frecuente fue Escherichia coli en el 84%. DISCUSION: La ITU en lactantes en nuestro estudio fue más frecuente en el sexo femenino, teniendo como signo preponderante la fiebre. El germen más común fue Escherichia coli, correlacionándose con la literatura. Valoramos la importancia de solicitar urocultivos para la confirmación microbiológica.
Fibrodisplasia Bilateral de las Arterias Renales. Reporte de un caso clínico.
Ismael Erazo A.,Oscar Ceballos D.,Raúl López C.,Rodrigo Fuentes H.
Revista ANACEM , 2010,
Abstract:
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