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Type: Tese
Title: Modelagem computacional da formação de abscessos
Author: Pigozzo, Alexandre Bittencourt
First Advisor: Lobosco, Marcelo
Co-Advisor: Santos, Rodrigo Weber dos
Co-Advisor: Missiakas, Dominique
Referee Member: Karam Filho, José
Referee Member: Barra, Luis Paulo da Silva
Referee Member: Bastos, Flávia de Souza
Resumo: Em algumas infecções bacterianas, o sistema imunológico não é capaz de eliminar completamente o patógeno invasor. Nesses casos, o patógeno invasor é bem-sucedido em estabelecer um ambiente favorável para a sobrevivência e persistência no organismo hospedeiro. Os patógenos empregam diversas estratégias para sobreviver no hospedeiro. Dentre elas, destacam-se: o vírus da imunodeficiência humana infecta células T CD4+ que são muito importantes na resposta imune adaptativa, provocando dessa forma uma supressão dessa resposta; a bactéria Mycobacterium tuberculosis persiste no hospedeiro infectando intracelularmente macrófagos; a bactéria Staphylococcus aureus persiste no hospedeiro através da produção de uma rede de fibrina que atua como uma barreira protetora contra o sistema imune inato. No caso do Staphylococcus aureus e de outras espécies de bactéria, a formação da rede de fibrina junto com outros mecanismos, como a secreção de toxinas, dão origem a uma lesão conhecida como abscesso. Um abscesso é caracterizado como uma área composta de bactérias, células do sistema imune (principalmente neutrófilos) e muitos tipos de células mortas. A formação do abscesso pode ser vista como resultado de uma série de estratégias utilizadas pelas bactérias para escapar da resposta imune e estabelecer um ambiente favorável para persistir no hospedeiro. Este trabalho tem como objetivo reproduzir algumas características do processo de formação de abscessos através de simulações computacionais. As simulações computacionais têm como base modelos matemáticos de equações diferenciais parciais. Os modelos matemáticos apresentados neste trabalho foram desenvolvidos adotando-se uma abordagem incremental. Nessa abordagem inicia-se o processo de modelagem desenvolvendo-se um modelo simplificado que é capaz de reproduzir algum comportamento do fenômeno de interesse e, depois, esse modelo é estendido acrescentando-se outras variáveis e processos de interesse. As hipóteses, as variáveis, as relações entre as variáveis e os processos presentes nos modelos matemáticos deste trabalho foram construídos com base em um estudo aprofundado que foi realizado sobre a fisiopatologia do abscesso, envolvendo um contato com especialistas da área experimental (microbiologistas, imunologistas e médicos), uma leitura extensiva da literatura, além de análises de dados experimentais. Os modelos desenvolvidos foram capazes de reproduzir algumas características observadas experimentalmente como, por exemplo, a formação de uma colônia de bactérias na região central do abscesso, cercada por uma rede de fibrina. Ao redor da rede de fibrina, foi observado um acúmulo de neutrófilos mortos e neutrófilos vivos assim como nos dados experimentais. Os modelos também foram capazes de reproduzir algumas características observadas no experimento in vivo de depleção da resposta imune como, por exemplo, um aumento no número de abscessos, com alguns abscessos contendo elevadas concentrações de bactéria e fibrina.
Abstract: In some bacterial infections, the immune system is not capable of completely eliminating the invading pathogen. In these cases, the invading pathogen is successful in establishing a favorable enviroment to survive and persist in the host organism. The pathogens employ different strategies to survive in the host. Among these strategies, we can highlight: human immunodeficiency virus infects T CD4+ cells that are very important in the adaptive immune response, causing a suppression of this response; bacteria Mycobacterium tuberculosis persist in the host organism through the intracellular infection of macrophages; bacteria Staphylococcus aureus persist in the host through the production of a fibrin network that acts as a protecting barrier against the innate immune response. In the case of Staphylococcus aureus and other bacteria species, the formation of a fibrin network together with other mechanisms as, for instance, the secretion of toxins give rise to a lesion known as abscess. An abscess is characterized as an area comprising bacteria, cells of the immune system (mainly neutrophils) and many types of dead cells. The abscess formation can be seen as the result of a series of strategies employed by bacteria to escape the immune response and to establish a favorable enviroment to persist in the host. This work has the objective of reproducing some characteristics of the process of abscess formation through computational simulations. The computational simulations are based in mathematical models of partial differential equations. The mathematical models presented in this work were developed through an incremental approach. In this approach the modeling process is initiated with the development of a simplified model that is capable of reproducing some behavior of the phenomena of interest and then this model can be extended through the addition of other variables and processes. The hypotheses, the variables, the relation between variables and the processes considered in the mathematical models of this work were constructed based on a study that was conducted about fisiopathology of the abscess, envolving contact with experts of the experimental area (microbiologists, imunologists and medical doctors), reading of the literature and analysis of experimental data. The models developed in this work were capable of reproducing some characteristics observed experimentaly as, for example, the formation of a bacteria colony in the central region of the abscess, surrounded by a fibrin network. Surrounding the fibrin network, it was observed an accumulation of dead neutrophils and healthy neutrophils as in the experimental data. These models were also capable of reproducing some characteristics observed in the in vivo experiment of immune response depletion as, for example, an increase in the number of abscesses, with some abscesses containing high concentrations of bacteria and fibrin.
Keywords: Sistema imune inato
Infecção bacteriana
Modelagem computacional
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/3556
Issue Date: 29-May-2015
Appears in Collections:Doutorado em Modelagem Computacional (Teses)



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