Registro:
| Documento: | Tesis Doctoral |
| Título: | Modelos estocásticos para las criptas intestinales |
| Título alternativo: | Stochastic models for intestinal crypts |
| Autor: | Rotondo, Ernesto Federico |
| Editor: | Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Filiación: | Universidad Nacional de La Plata - CONICET. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLYSIB)
|
| Fecha de defensa: | 2024-03-06 |
| Fecha en portada: | 2024 |
| Grado Obtenido: | Doctorado |
| Título Obtenido: | Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas |
| Director: | Fendrik, Alejandro José |
| Director Asistente: | Grigera, Tomás |
| Consejero: | Ferraro, Rafael |
| Jurado: | Carlevaro, Carlos M.; Gleiser, Pablo; Amador, Ana |
| Idioma: | Español |
| Formato: | PDF |
| Handle: |
http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7487_Rotondo |
| PDF: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7487_Rotondo.pdf |
| Registro: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7487_Rotondo |
| Ubicación: | Dep.FIS 007487 |
| Derechos de Acceso: | Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Rotondo, Ernesto Federico. (2024). Modelos estocásticos para las criptas intestinales. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7487_Rotondo |
Resumen:
En este trabajo de tesis se presenta un análisis de la dinámica de población celular de organismos en estado de homeostasis. El primer caso considerado, debido a la mayor disponibilidad de datos experimentales, es el de la renovación celular en las criptas de Lieberkühn del epitelio intestinal, para lo cual se desarrolla un modelo de compartimentos, descrito por un sistemas de ecuaciones diferenciales. Este estudio se amplía luego considerando ecuaciones maestras asociadas que permiten analizar la dinámica considerando su ruido intrínseco. En una segunda instancia se estudian modelos con características similares, pero generalizados de modo de poder ser aplicados a otros tejidos, más allá de las criptas intestinales. En algunos casos resulta posible considerar modelos simplificados, que pueden expresarse en términos de cadenas de Markov lo que posibilita resolverlos analíticamente. Los últimos capítulos se dedican al estudio de la dinámica de renovación celular en presencia de diversas mutaciones que ocurren aleatoriamente en alguna de las células involucradas. Se obtienen algunos resultados anti-intuitivos, pero que demuestran ser correctos bajo un análisis más concienzudo. El más destacable de estos resultados es el hecho de que en un proceso de renovación celular aquellos clones correspondientes a células que se renuevan más lentamente tienen mayores probabilidades de fijarse. Estudiamos en primer lugar la dinámica de renovación celular en las criptas de Lieberkühn, que ha sido objeto de numerosos estudios experimentales y teóricos. Éstos han sido motivados no sólo por el interés en las anomalías e interrupciones en su funcionamiento normal relacionadas con desarrollo del cáncer de colon, sino también, para comprender el proceso de las divisiones celulares que aseguran su renovación en el régimen de homeostasis. De hecho, en los organismos multicelulares las divisiones celulares de células madre de diferentes linajes, deben proporcionar el número necesario de células para su correcto fun- cionamiento, con el fin de obtener una adecuada renovación celular y/o la reconstrucción en caso de daño (o el desarrollo en el caso de la embriogénesis) para los diferentes tejidos. En el caso del epitelio intestinal las células madre se hallan en el fondo de la cripta, y además de autorrenovarse dan origen a la primera generación de células amplificadoras transitorias, que van migrando hacia arriba proliferando y diferenciándose. En la parte superior la proliferación genera células completamente diferenciadas, que cumplen sus funciones específicas y mueren luego dentro del lumen intestinal. Este ciclo tiene una duración aproximada de 5 días. La mayoría de las técnicas experimentales que proveen información han sido aplicadas en ratones, por lo que en el presente trabajo se consideran principalmente los datos obtenidos en estos animales. Un aspecto a destacar de los resultados experimentales es la gran dispersión de los datos reportados por diferentes autores. Esta dispersión de resultados se debe por un lado a la variedad de procedimientos experimentales de los distintos grupos de investigación pero, como muestran nuestros resultados, también a la dinámica estocástica propia de estos procesos de renovación. El modelo estocástico desarrollado en este trabajo para abordar la dinámica teniendo en cuenta la presencia de fluctuaciones aleatorias, permite explicar muy satisfactoriamente las observaciones experimentales, en particular la evolución hacia la monoclonalidad. En segundo lugar presentamos una generalización del modelo estocástico de renovación, que contempla la posibilidad que una de las células madre contenga alguna mutación que se vea representada en una alteración de alguno de sus parámetros (tasa de renovación, tasa de apoptosis, etc). Estudiamos cómo se ve afectado el sistema dinámico y como eventualmente cambia la probabilidad de fijación de dicha mutación. Esta generalización del modelo predice que aquellas mutaciones que ralentizan la tasa de renovación tienen mayores chances de fijarse que las células no alteradas. Finalmente consideramos la cuestión del envejecimiento de los organismos multicelulares en régimen homeostático. Ésta se caracteriza por la disminución de la capacidad regenerativa de todos los órganos y tejidos, disminución íntimamente relacionada con las funciones de las células madre encargadas de la renovación celular y que por lo tanto es más evidente en los tejidos en los que es necesaria una alta tasa de renovación, tales como los epitelios cutáneo e intestinal. Para abordar estos procesos de renovación se estudia en profundidad el marco de la dinámica de los procesos de nacimiento y muerte en una población de individuos distinguibles pero igualmente aptos, lo que lleva a que finalmente sobreviva la descendencia de sólo uno de los individuos originales. Estudiando un modelo de ecuaciones diferenciales. Junto con el proceso estocástico asociado, se determina la probabilidad de fijación de células alteradas (mutadas). Luego de estudiar la estabilidad del sistema frente a fluctuaciones propias (ruido intrínseco), se obtiene una expresión analítica de la probabilidad de fijación de las células mutantes. Esta expresión se compara con los resultados de una simulación del proceso estocástico con el método de Gillespie, verificando una notable coincidencia. Este resultado muestra que si se producen alteraciones celulares esporádicas en un conjunto homogéneo de células madre, tienden a fijarse con mayor probabilidad aquellas alteraciones (o mutaciones) que alargan el ciclo celular (por motivos estrictamente propios de la dinámica estocástica de renovación aún en ausencia de otras diferencias biológicas). Puesto que el efecto es acumulativo, el paulatino aumento de la longitud del ciclo celular y la disminución de las tasas de proliferación aparece como resultado de un efecto estocástico aún en ausencia de otras causas biológicas de envejecimiento.
Abstract:
In this work we present an analysis of the dynamics of cellular population in organisms in a homeostatic state. Due to the greater availability of experimental data, we first consider cell renewal in the Lieberkühn crypts located in the intestinal epithelium. We first develop a compartimental model described by ordinary differential equations, then expand this by ta- king into account the intrinsic fluctuations of the renewal process through master equations associated to the original differential equations. We later consider similar models, but generalized so that they can be applied to other tissues, beyond the intestinal crypts. In some cases, it turns out that it is possible to employ simplified models that can be expressed in terms of Markov chains that can be analytically solved. The last part is devoted to the study of the dynamics of cell renewal in the presence of various random mutations. Some results are rather un-intuitive, but a thorough analysis shows them to be correct. The most remarkable is the fact that in a cell renewall process, the clones that are most likely to fixate are those corresponding to cells for which the renewal rate is slower. Our first results concern the dynamics of cell renewal in the Lieberkühn crypts, which have been the subject of numerous experimental and theoretical studies. This is due not only because of the interest in aberrations and interruptions in normal functioning related to the development of colon cancer, but also to understand the process of cellular divisions in the homeostatic regime that ensure the appropriate renewal of the crypts. In fact, in multicellular organisms, the cell divisions of stem cells of different lineages must provide the necessary number of cells for their proper functioning, in order to obtain adequate cell renewal and/or reconstruction in case of damage (or development in the case of embryogenesis) for the different tissues. In the case of the intestinal epithelium, the stem cells are found at the bottom of the crypt, and in addition to self-renewal, they generate the first generation of Transit Amplifying Cells, which migrate upwards, proliferating and differentiating, at the top eventually generating the full Differentiated cells, that perform their specific functions, and then die in the gut lumen. This entire cycle lasts approximately 5 days. Most of the experimental techniques that provide information on this process have been developed in mice, so that in the present work we have focused mainly on the data obtained in them. A surprising aspect in the experimental results is the great dispersion of the data reported by different authors. This dispersion can be ascribed in part to the different experimental techniques employed, but our results show that it should also be expected from the stochastic nature of the dynamics of the renewall processes. The model developed here can treat the dynamics taking into account the presence of random fluctuations, and can satisfactorily explain the experimental observations, in particular the evolution towards monoclonality. We then generalize the stochastic renewal model, allowing for the possibility than one of the stem cells is mutated, so that one of its parameters (e.g. the rate of renewal or the rate of apoptosis) is altered with respect to the normal cells. We study how this mutation affects the dynamical system, and how the fixation probability changes for the mutated clone. This generalization of the model predicts that mutations that cause a slowdown of the renewal rate have higher chance of fixation than the normal cells. Finally, we consider the aging of multicellular organisms in a homeostatic regime. This is characterized by the decrease in the regenerative capacity of all organs and tissues, a decrease closely related to the functions of stem cells responsible for cell renewal, and for this reason more evident in tissues in which a high rate of cell renewal is necessary, such as the skin or the intestinal epithelia. This is extensively studied in the framework of the dynamics of birth and death processes in a population of distinguishable but equally fit individuals, leading to offspring of one of the original individuals ultimately surviving. By studying a differential equation model together with the associated stochastic process, the probability of fixation of altered (mutated) cells is computed. After studying the stability of the system against its intrinsic fluctuations (noise), an analytical expression for the probability of attachment of mutant cells is obtained. This is compared with numerical simulations of the stochastic process (using Gillespie's method), with remarkable coincidence between both results. This result shows that if sporadic cellular alterations occur in a homogeneous set of stem cells, those alterations (or mutations) that lengthen the cell cycle tend to be fixed with a greater probability, even in absence of other biological advantages, due to purely stochastic reasons. Since this is a cumulative effect, the gradual increase of the cell length cycle and the decrease of proliferation rates is found as a result of a stochastic effect, independently of other possible biological causes of aging.
Citación:
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Rotondo, Ernesto Federico. (2024). Modelos estocásticos para las criptas intestinales. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7487_Rotondo
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Rotondo, Ernesto Federico. "Modelos estocásticos para las criptas intestinales". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2024.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7487_Rotondo
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