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Publicação
Multi Agent Functional Bone Simulation: A theoretical study
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 3.24 MB | Adobe PDF |
Orientador(es)
Resumo(s)
In 200 A.D., Galen described bones as the fundamental system of body
protection. Bones are highly dynamic, in constant renovation to preserve their
properties. Understanding bone metabolism has become a relevant area of
research. The most common bone disease is osteoporosis and is characterized by
low bone mass and microarchitecture disturbances. The major consequence of
osteoporosis are fragility fractures (fractures that occur with low impact trauma).
Osteoporosis causes more than 8.9 million fractures each year worldwide.
Several therapies are effective in preventing fractures and treating osteoporosis.
However, there is an enormous difficulty in predicting osteoporosis related
fractures and understanding who needs these therapies in order to prevent bone
loss. In practical clinic, it becomes essential to have a model describing the bone
remodeling process and the impact of the different cellular mediators in the bone
metabolism.
Although some mathematical models already describe the variation of the
bone cells, they do it in a continuous and deterministic way with few cellular
mediators. Many studies and experimental results have shown that cellular
metabolism and birth-and-death processes in population dynamics are
stochastic. Furthermore, mathematical models are reliable on describing a macro
level, whereas multiagent simulation models are used to link micro and macro
perspectives.
In this thesis we have developed a multiagent stochastic model that
simulates a timeline remodeling cycle. Our simulator reproduces the homeostatic
process of remodeling with the different phases of it, which is time consistent
with the real biological process. Our model includes the most relevant cellular
mediators in the bone metabolism. Our model demonstrated to have great
sensibility to predict bone loss caused by some chronic diseases such hyper and
hypoparathyroidism, and excess of glucocorticoids, and also to the most known
causes of osteoporosis: estrogen or vitamin D deficiency. Overall, this model
provides a deeper understanding about bone metabolism and the pathologies
associated with it.
Em 200 A.D, Galen descreveu os ossos como o sistema fundamental de proteção do corpo. Os ossos são estruturas altamente dinâmicas e estão em constante remodelação para preservarem as suas propriedades. Compreender o metabolismo do osso tornou-se uma marcante área de pesquisa. A doença óssea mais comum é a osteoporose que causa mais de 8.9 milhões de fraturas em todo o mundo. Existem várias terapias eficazes em prevenir e tratar esta doença. Contudo, existe uma enorme dificuldade em prevê-la, bem como em entender quem necessita de terapêuticas para a retardar ou evitar a perda óssea. Na prática clínica, revelou-se importante existir um modelo que descreva o processo de remodelação óssea assim como o impacto dos diferentes mediadores celulares no metabolismo ósseo. Apesar de já existirem alguns modelos matemáticos que descrevem a variação das células ósseas na remodelação óssea, fazem-no de uma forma contínua e determinística e com poucos mediadores celulares. Bastantes estudos e resultados experimentais revelam que o metabolismo celular, bem como os processos de nascimento e morte em populações dinâmicas, são estocásticos. Para além disso, os modelos matemáticos são fidedignos em descrever um nível macro enquanto modelos de simulação de multiagentes são utilizados para conectar ambas as perspetivas, micro e macro. O modelo estocástico de multiagentes desenvolvido neste trabalho, simula um ciclo de remodelação ao longo do tempo. O nosso simulador reproduz o processo homeostático de remodelação com as diferentes fases deste, o que é consistente com o processo biológico real. Para além disso, o nosso modelo inclui os mediadores celulares mais relevantes no metabolismo ósseo. Os resultados do modelo demonstram ter sensibilidade em prever a perda óssea devido a algumas doenças crónicas como hiper e hipoparatiroidismo e o excesso de glucocorticoides, bem como das mais conhecidas causas de osteoporose: a deficiência de estrogénio e vitamina D. No geral, este modelo permite-nos ter um maior entendimento do metabolismo ósseo, bem como das patologias associadas a este.
Em 200 A.D, Galen descreveu os ossos como o sistema fundamental de proteção do corpo. Os ossos são estruturas altamente dinâmicas e estão em constante remodelação para preservarem as suas propriedades. Compreender o metabolismo do osso tornou-se uma marcante área de pesquisa. A doença óssea mais comum é a osteoporose que causa mais de 8.9 milhões de fraturas em todo o mundo. Existem várias terapias eficazes em prevenir e tratar esta doença. Contudo, existe uma enorme dificuldade em prevê-la, bem como em entender quem necessita de terapêuticas para a retardar ou evitar a perda óssea. Na prática clínica, revelou-se importante existir um modelo que descreva o processo de remodelação óssea assim como o impacto dos diferentes mediadores celulares no metabolismo ósseo. Apesar de já existirem alguns modelos matemáticos que descrevem a variação das células ósseas na remodelação óssea, fazem-no de uma forma contínua e determinística e com poucos mediadores celulares. Bastantes estudos e resultados experimentais revelam que o metabolismo celular, bem como os processos de nascimento e morte em populações dinâmicas, são estocásticos. Para além disso, os modelos matemáticos são fidedignos em descrever um nível macro enquanto modelos de simulação de multiagentes são utilizados para conectar ambas as perspetivas, micro e macro. O modelo estocástico de multiagentes desenvolvido neste trabalho, simula um ciclo de remodelação ao longo do tempo. O nosso simulador reproduz o processo homeostático de remodelação com as diferentes fases deste, o que é consistente com o processo biológico real. Para além disso, o nosso modelo inclui os mediadores celulares mais relevantes no metabolismo ósseo. Os resultados do modelo demonstram ter sensibilidade em prever a perda óssea devido a algumas doenças crónicas como hiper e hipoparatiroidismo e o excesso de glucocorticoides, bem como das mais conhecidas causas de osteoporose: a deficiência de estrogénio e vitamina D. No geral, este modelo permite-nos ter um maior entendimento do metabolismo ósseo, bem como das patologias associadas a este.
Descrição
Palavras-chave
Bone Metabolism Multiagents Stochastic Osteoporosis