Simulación computacional del crecimiento de huesos largos: un modelo de osificación endocondral
DOI:
https://doi.org/10.17533/udea.redin.17929Palabras clave:
Osificación, hueso, simulación computacional, proceso de crecimientoResumen
Casi todos los huesos del cuerpo se forman a partir de soportes cartilaginosos en los que se produce un crecimiento del mismo combinado con un proceso de osificación que se extiende desde el centro del hueso hasta sus extremos, en un proceso denominado osificación endocondral. En este período de la morfogénesis del tejido óseo los principales factores que controlan el proceso son bioquímicos, siendo la influencia mecánica mucho menor. En este trabajo se presenta un modelo que permite simular este proceso de crecimiento y osificación del hueso prenatal controlado fundamentalmente por un bucle interactivo inhibidor-activador, en el que se han identificado la hormona paratiroidea (PTHrP) y el Indian Hedgehog (Ihh), mediante la utilización de ecuaciones de reacción-difusión. La utilización de estas ecuaciones en combinación con la simulación del proceso proliferativo y de crecimiento de las células de cartílago (condrocitos) permiten simular con bastante exactitud el proceso de crecimiento de un hueso largo, prediciendo incluso la aparición de los centros secundarios de osificación en la epífisis.
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E. Minina, C. Kreschel, M. Naski, D. Ornitz, and A. Vortkamp. “A Interaction of fgf, ihh/pthlh, and bmp signaling integrates chondrocyte proliferation and hypertrophic differentiation”. Developmental Cell. Vol. 3. 2002. pp. 439-449. DOI: https://doi.org/10.1016/S1534-5807(02)00261-7
B. Gao, J. Guo, C. She, A. Shu, M. Yang, Z. Tan, X. Yang, S. Guo, G. Feng, L. He. “Mutations in IHH, encoding Indian hedgehog, cause brachydactyly type A-1”. Nat Genet. Vol. 28. 2001. pp. 386-388, DOI: https://doi.org/10.1038/ng577
S. Karp, E. Schipani, B. St-Jacques, J. Hunzelman, H. Kronenberg, A McMahon. “Indian Hedgehog coordinates endochondral bone growth and morphogenesis via parathyroid hormone related-Protein-dependent and -independent pathways”. Development. Vol. 127. 2000. 543-548. DOI: https://doi.org/10.1242/dev.127.3.543
J. M. Kindblom, O. Nilsson, T. Hurme, C. Ohlsson, J. Savendahl. “Expression and localization of Indian Hedgehog (Ihh) and parathyroid hormone related protein (PTHrP) in the human growth plate during pubertal development”. Journal of Endocrinology. Vol. 174. 2002. pp. R1-R6. DOI: https://doi.org/10.1677/joe.0.174r001
S. Provot, E. Schipani. “Molecular mechanisms of endochondral bone development”. Biochemical and Biophysical Research Communications. Vol. 328. 2005.pp. 658-665. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2004.11.068
F. Forriol, F. Shapiro. “Bone development”. Clinical Orthopaedics and related research. Vol. 43. 2005. pp. 214-33.
H. Kronenberg. “Development regulation of the growth plate”. Nature. Vol. 423. 2003. pp. 332-336. DOI: https://doi.org/10.1038/nature01657
J. Brouwers, C. VanDonkelaar, B. Sengers, R. Huiskes. “Can the growth factors PTHrP, Ihh and VEGF, together regulate the development of a long bone?”. Journal of Biomechanics. Vol. 39. 2006. pp. 2774-2782. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2005.10.004
B. DeCrombrugghe, V. Lefebvre, K. Nakashima. “Regulatory mechanisms in the pathways of cartilage and bone formation”. Current Opinion in Cell Biology. Vol. 13. 2001. pp. 721-728. DOI: https://doi.org/10.1016/S0955-0674(00)00276-3
T. Kobayashi, D. W. Soegiarto, Y. Yang, B. Lanske, E. Schipani, A. P. McMahon, H. M. Kronenberg. “Indian Hedgehog stimulates periarticular chondrocyte differentiation to regulate growth plate length independently of PTHrP”. J. Clin. Invest. Vol.115. 2005. pp. 1734-1742. DOI: https://doi.org/10.1172/JCI24397
C. E. Farnum, R. Lee, K. Ohara, J. P. G Urban. “Volume increase in growth plate chondrocytes during hypertrophy: the contribution of organic osmolytes”. Bone. Vol. 30. 2002. pp. 574-581. DOI: https://doi.org/10.1016/S8756-3282(01)00710-4
J. E. Marsden, T. J. Hughes. Mathematical Foundations of Elasticity. Courier Dover Publications. New York. 1983. pp. 120-180.
T. J. R. Hughes. The Finite Element Method–Linear Static and Dynamic Finite Element Analysis. Dover Publishers. NewYork. 2000. pp. 459-488
A. Madzvamuse. A Numerical approach to the study of spatial pattern formation, D. Phil Thesis. Oxford University. UK. 2000. pp. 5-125.
A. Madzvamuse, “Time-stepping schemes for moving grid finite elements applied to reaction-diffusion systems on fixed and growing domains”. Journal of Computational Physics. Vol. 214. 2006. pp. 239-263. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcp.2005.09.012
P. K. Maini. “Using Mathematical Models to help understand biological pattern formation. C”. R. Biologies. Vol. 327.2004. pp. 225-234. DOI: https://doi.org/10.1016/j.crvi.2003.05.006
J. D. Murray. Mathematical Biology I. 3 ed. Ed. Springer. New York. 2001. pp. 44-75
U. Chung, E. Schipani, U. McMahon, H. M. Kronenberg. “Indian Hedgehog couples chondrogenesis to osteogenesis in endochondral bone development”. J. Clin. Invest. Vol. 107.2001. pp. 295-304. DOI: https://doi.org/10.1172/JCI11706
M. C. Fisher, C. Meyer, G. Garber, C. Dealy. “Role of IGFBP2, IGF-I and IGF-II in regulating long bone growth”. Bone. Vol. 37.2005. pp. 741–750. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bone.2005.07.024
S. L. Johnsen, T. Wilsgaard, S. Rasmussen, R. Sollien, T. Kiserud. “Longitudinal reference charts for growth of the fetal head, abdomen and femur”. European Journal of Obstetrics and Gynecology and reproductive Biology. Vol. 127. 2006. pp. 172-185. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejogrb.2005.10.004
T. Zylan, K. W. Murshid. “An assesment of femur growth parameters in human fetuses and their relationship to gestational age”. Turk J Med Sci. Vol. 33. 2003. pp. 27-32.
L. S. Chitty, D. G. Altman. “Charts of fetal size: limb bones”. BJOG: An international Journal of Obstetrics and Gynecology. Vol. 109. 2002. pp. 919-929. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1471-0528.2002.01022.x
W. Floyd, D. Zaleske, A. Schiller, C. Trahan, H. Mankin. “Vascular events associated with the appearance of the secondary center of ossification in the murine distal femoral epiphysis”. Journal of Bone and Joint Surgery. Vol. 69A. 1987. pp. 185-190. DOI: https://doi.org/10.2106/00004623-198769020-00004
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