Una introducción a la mecanobiología computacional / An introduction to computation mechanobiology

La mecanobiología estudia el comportamiento de células, tejidos y órganos bajo los efectos de la bioquímica, la biología celular y los estímulos externos, como las cargas mecánicas. Esta involucra el desarrollo de modelos y la realización de experimentos con el objetivo de entender los procesos complejos que se presentan en la génesis y mantenimiento de órganos y tejidos. Mediante esta disciplina se ha logrado aislar y analizar diversos efectos como lo son la genética, los factores moleculares autocrinos y paracrinos, y las cargas mecánicas sobre tejidos y órganos. En esta vía, el presente trabajo muestra los principales desarrollos y aportes de la mecanobiología computacional en el conocimiento médico.

The mechanobiology study the behavior of cells, tissues and organs under the effects of the biochemistry, the cellular biology and the external stimuli, as mechanic loads. This involve the development of forms and the carrying out of experiments to know the complex processes presenting in the genesis and the maintenance or organs and tissues. Through this discipline it has been possible to isolate different effects as in the case of genetics, the autocrine and paracrine molecular factors and the mechanic loads on tissues and organs. The objective of present paper is to show the main developments and contributions of computation mechanobiology in the medical knowledge.

Desarrollo del currículo para la profundización en mecanobiología computacional / Curriculum development for the deepening in computation mechanobiology

En este trabajo se hace una propuesta sobre el desarrollo curricular para la formación profesional e investigativa en mecanobiología. Se identifican los requerimientos conceptuales, investigativos y metodológicos para la preparación de personas idóneas en el campo de investigación. Por último, se hace una propuesta sobre la metodología a utilizar en la solución e investigación sobre el campo de trabajo.

The objective of present paper is to make a proposal on the curricular development for professional and researching training in mechanobiology. The conceptual, researching and methodological requirements are identified for the training of suitable persons in the research field. Finally, a proposal on the methodology to be used in solution and research on the working field is made.

Modelamiento matemático de la enfermedad de Legg-Calvé-Perthes / Mathematical modeling of Legg-Calvé-Perthes disease

La enfermedad de Legg-Calvé-Perthes es un desorden caracterizado por la necrosis avascular de la cabeza femoral del esqueleto en desarrollo. Aunque la enfermedad fue descrita hace un siglo, aún existe gran controversia respecto a su etiología y al tratamiento que se le debe dar. Tanto la etiología como el tratamiento tienen una fuerte relación con eventos biológicos y mecánicos. Un entendimiento de dichos eventos y de su acción combinada, podría dar lugar a una mejor comprensión y manejo de la enfermedad. Este trabajo propone un acercamiento a esta comprensión mediante el uso del modelamiento computacional, el cual debe tener en cuenta, entre otros factores, la patogénesis de la enfermedad y los diferentes resultados en dependencia de la edad a la cual esta se manifieste en el niño

The Legg-CalvÚ-Perthes disease is a disorder characterized by the avascular necrosis of femoral head of developing skeleton. Although this disease was described a century ago still there is a significant controversy on its etiology and its treatment. Between etiology and treatment there is a close relation with biological and mechanical events. The knowledge of such events and of its combined action, could give rise to a better understanding and management of this disease. Present paper proposes a approach to this understanding by means of the use of a computer modeling, which must to has into account among other factors, the disease pathogenesis and the different results depending on age of appearance in the child

Modelos computacionales de diferenciación y adaptación ósea / Computational models of bone differentiation and adaptation

Se realizó una revisión de los modelos computaciones de diferenciación y adaptación ósea existentes, haciendo énfasis en el desarrollo alcanzado en esta área durante los últimos años. El estudio del tejido óseo ha venido en aumento en las últimas décadas gracias al renacimiento de la mecanobiología, cuyo paradigma principal es la influencia que tienen las cargas mecánicas sobre el desarrollo, adaptación y mantenimiento de los tejidos. El objetivo principal del trabajo es resaltar la importancia de la mecanobiología computacional en el modelado del tejido óseo y la necesidad de seguir desarrollando la mecanobiología experimental para poder medir con exactitud las propiedades de los tejidos y las características celulares de mayor sensibilidad en los modelos computacionales

Authors review the available computational models of bone differentiation and adaptation, emphasizing on the development achieved in this area during pas years. The bone tissue study has increased in past decades due to rebirth of mechanobiology, whose main paradigm is the influence of mechanical loads on the tissues development, adaptation and maintenance. The major objective of present paper is to emphasize la significance of computational mechanobiology in the bone tissue modeling and the need to keep on developing the experimental mechanobiology to measure accurately the tissues properties and the more sensible cellular features of computational models

Factores mecánicos en enfermedades osteocondrales / Mechanical factors of osteochondral diseases

Las osteocondrosis son enfermedades que afectan al esqueleto en crecimiento y que en sus estados avanzados producen deformaciones y cambios de los patrones de actividad física y movimiento del individuo. Para lograr una intervención terapéutica efectiva o detectar la enfermedad en sus estados iniciales, es necesario conocer su etiología, la cual sigue siendo incierta y generalmente se cataloga simplemente como multifactorial e idiopática. Como se trata de enfermedades del crecimiento óseo, los mismos factores responsables de este tienen efectos sobre la patogénesis de la enfermedad; dentro de estos se incluyen las cargas mecánicas a las que están sometidos los huesos. En las últimas décadas se han desarrollado modelos computacionales para modelar el efecto de los factores mecánicos sobre el crecimiento de los huesos, los cuales han permitido mejorar la comprensión de las implicaciones mecánicas asociadas al crecimiento y se han correspondido con las observaciones experimentales. En este artículo se muestra una revisión del conocimiento actual del proceso de crecimiento óseo, la etiología de las osteocondrosis y algunos modelos computacionales, que con ciertas modificaciones o mejoras pudieran emplearse en el futuro para modelar el transcurso de la enfermedad.

The osteochondroses are diseases affecting the developing skeleton and that in its advanced stages provoke deformations and changes of physical activity and movement patterns of the subjects. To achieve an effectiveness therapeutic intervention or to detect the diseases in its earliest stagers, it is necessary to know it etiology, which remains uncertain and generally it is classes as mulfifactor and idiopathic. Since they are bone growth diseases, these same responsible factors influenced on the disease pathogenesis including the mechanical loads underwent by bones. In past decades computer models have been developed to represent the mechanic factors on the bone growth allowing us to improve the understanding of mechanic implications associated to growth which corresponding with the experimental observations. In present paper is shown a review of current knowledge on boner growth process, osteochondrosis etiology and some computer models which, with some modifications or improvements, could be used in the future to modeling the disease course.

Acercamiento a la mecanobiología del cartílago articular a través de un modelo computacional / Approach to mechanobiology of articular cartilage through a computation model

El cartílago articular es un complejo tejido biológico que recubre los extremos de las articulaciones diartrodiales y proporciona resistencia a la compresión y excelentes propiedades de fricción durante el movimiento articular. La presencia de cargas mecánicas influye en el comportamiento y condición fisiológica del cartílago. Es así como, mediante el mecanismo de mecanotrasducción, los condrocitos perciben la magnitud de la carga y a partir de éste estímulo mecánico expresan genes como el Sox9 o el Runx2, los cuales generan cambios bioquímicos en las células y por tanto en el cartílago mismo. Diferentes trabajos experimentales se reportan acerca del efecto de las cargas impuestas al cartílago relacionadas con la expresión morfogénica del condrocito, sin embargo, no se cuenta con un modelo matemático y/o computacional que pueda explicar el comportamiento antagónico del Sox9 y el Runx2. El objetivo de este trabajo es introducir un modelo matemático que permita predecir el comportamiento mecano-biológico del cartílago articular a partir de las cargas mecánicas cíclicas, la presión hidrostática y la expresión génica y/o de proteínas que facilitan el proceso de síntesis o destrucción del tejido. El modelo se implementó numéricamente con el uso del método de los elementos finitos y los resultados obtenidos permitieron predecir diversos comportamientos mecano-biológicos del cartílago articular

Articular cartilage is a biological tissue complex coating the extremes of diarthric joints and provides resistance to compression and excellent friction properties during the articular movement. Presence of mechanical stress influenced on the behavior and physiologic condition of cartilage. That is how by means of the mechanotransduction, the chondrocytes may to perceive the stress magnitude and from this mechanical stimulus, they express gens like the Sox9 or the Runx2, which generate biochemical changes in cells and thus in the cartilage. Different experimental papers reporting on the effect of the stress imposed on the cartilage related to chondrocytes morphogenetic expression, however, there are not a mathematical model and/or computation to explain the antagonist behavior of Sox9 and the Runx2. The aim of present paper is to introduce a mathematical model allows predicting the mechano-biological behavior of articular cartilage from the cyclic mechanic stress, the hydrostatic pressure and the genic expression and or proteins providing the tissue synthesis or destruction. Model was numerically implemented using the finite elements method and the results obtained allowed to predict different mechano-biological behaviors of articular cartilage

Mecanobiología de reparación del ligamento / Mechanobiology of ligament repair

Tras un período prolongado de recuperación, aproximadamente un año, el ligamento cicatrizado no alcanza las propiedades mecánicas ni las cualidades del ligamento normal, convirtiéndolo en un tejido susceptible de esguinces crónicos. Este hecho se asocia a la baja producción de colágeno y a la nueva orientación aleatoria de las fibras, lo cual ocasiona una distribución anormal de las cargas. Actualmente, es aceptado que la carga mecánica tiene efectos benéficos en la reparación del tejido, estimula la proliferación celular y producción de colágeno. Por ello, para entender cómo el tejido en reparación responde a los estímulos mecánicos, se recurre a la mecanobiología, un enfoque que describe los procesos de mecanostransducción en el tejido. Por tanto, el objetivo de este artículo es proveer una revisión sobre la mecanobiología y los factores que influyen en el proceso de reparación del ligamento tras sufrir una lesión

After a lengthy period of recovery, approximately a year, the healed ligament neither achieve the mechanical properties nor qualities of a normal ligament becoming a tissue liable to chronic sprains. This fact is associated with a low production of collagen and to the new random direction of fibers, which leads to an abnormal distribution of stresses. Nowadays, it is accepted that mechanical load has beneficial effects on the tissue repair, to stimulate the cellular proliferation and the collagen production. Thus, to understand how the repairing tissue answers to mechanical stimuli, it is necessary to resort to mechanobiology, an approach describing the mechanotransduction in tissue. Thus, the aim of present paper is to provide a review on the mechanobiology and the factors influencing in repair process of ligament after a lesion

Mecanobiología de la interfase hueso-implante dental / Mechanobiology of bone-dental implant interphase

La osteointegración es la conexión estructural y funcional entre el hueso y un implante. Cuando un implante se inserta en el hueso, se crea la denominada interfase hueso-implante, una zona de unión entre la superficie del biomaterial del implante y el hueso circundante. La cicatrización de esta interfase depende de las condiciones biológicas del hueso, las características de diseño del implante y la distribución de cargas entre hueso e implante. En este artículo se hace una revisión del proceso de cicatrización de la interfase hueso-implante para el caso de un implante dental. El objetivo es describir la secuencia de eventos biológicos iniciados con la lesión causada por la inserción del implante y que concluyen con la formación de nuevo hueso en la interfase. Esta descripción incluye una novedosa clasificación de los fenómenos mecánicos que intervienen durante el proceso de cicatrización de los tejidos lesionados. Esta descripción mecanobiológica de la interfase hueso-implante dental se utiliza para determinar las características más relevantes a tener en cuenta en la formulación de un modelo matemático de la osteointegración de implantes dentales(AU)

The osteointegration is the structural and functional connection between bone and implant. When an implant is inserted in bone, it creates the so-called bone-implant interphase, a joint zone between implant biomaterial surface and the surrounding bone. The healing of this interphase depends on bone biological conditions, characteristic of implant design and the distribution of loads between bone and implant. The aim of present article is to review of healing process of bone-implant interphase for a dental implant and also to describe the sequence of biological events beginning with lesion caused by implant insertion and leading to the formation of a new bone in the interphase. This description includes a novel classification of mechanical phenomena present in the healing process of tissues affected. This mechanobiological description of dental bone-implant interphase is used to determine the more significant features to be into account in formulation of a mathematical model of the osteointegration of dental implants(AU)