Gut Reação: Digestão Revelado em 3-D

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Gut Reação: Digestão Revelado em 3-D


Reconstruções tridimensionais de imagens por ressonância magnética do rato tracto gastrointestinal, a partir do estômago (em cima) através do intestino delgado (duodeno, jejuno e ceco).
Crédito: Thomas Neuberger & Andrew G. Webb, Instituto Huck Centro de Ressonância Magnética

Este Behind the Scenes artigo foi fornecido a LiveScience em parceria com a Fundação Nacional de Ciência.

Como bolhas exalados brincadeira flutuar à superfície do ™ € waterâ s, um mergulhador nada no oceano examinando coral. O coral mover seus tentáculos captura plâncton e outros organismos ricos em nutrientes, a comida que necessitam para sobreviver. Como o coral enredar nutrientes, as correntes fluem e uma grande onda se move através do mar ainda mais a mistura de água e nutrientes. O resultado é uma dinâmica, troca de fluidos em nutrientes.

Pode-se visualizar de mistura e de nutrientes intercâmbios similares por meio das interações do sistema digestivo humano. Na conduta digestivo, também conhecido como o intestino delgado, nutrientes zip através do corpo por movimentos musculares. Estes causam comida para ser espremido ao longo do trato digestivo em uma direção, agindo como uma corrente oceânica.

Misturado com o movimento peristáltico organizado, a frente e para trás "chapinha" movimento da parede parece ter principalmente uma função de mistura semelhante a ondas do mar que passam por coral. O intestino também é forrado com micro-tentáculos em suas paredes interiores. Estes tentáculos, invisíveis a olho nu, são chamados de "vilosidades." As vilosidades têm muscular, de modo que eles ainda misturar e mexer os nutrientes que viajam ao longo da parede intestinal. Os movimentos das vilosidades que o fluido a rodar em sentidos diferentes. Este movimento produz numerosos pequenos turbilhões e interações que conduzem a uma melhor digestão.

Como vilosidades ajuda a digestão

Essas interações de nutrientes com vilosidades no interior do intestino delgado são demasiado pequenas para ver a olho nu, e os pesquisadores ainda têm de imagem dessas interações vilosidades com avançada tecnologia de ressonância magnética (MRI). Não seria ótimo ver essa atividade fluídica em movimento que faz com que sua barriga é péssimo e secar!

Assim como um artista representa a profundidade e molda um material para a produção de uma forma visual, James Brasseur e sua equipe multidisciplinar estão a tornar a sua própria arte através de suas pesquisas na Penn State University. A equipa de investigação está imaginando os processos de transporte macroscópicos movimento fluido intestinal. Brasseur especializada em mecano-fisiologia, modelagem matemática, simulação computacional e análise de imagem do Gastrointestinal (GI). Ao descrever seu trabalho, Brasseur diz: "Meu trabalho é resolver os problemas médicos que requerem entrada engenharia Concentro-me em duas classes de problemas:.. Neurofisiologia da pista GI, e da avaliação clínica e terapia"

Com a ajuda da equipe de pesquisa, que incluiu Thomas Neuberger e Yanxing Wang, os alunos Gino Banco e Amit Ailiani, e co-investigador Andrew Webb e Nadine Smith, Brasseur e sua equipe estão estudando a modelagem de transporte de nutrientes e macro-micro mistura no intestino delgado. O grupo desenvolveu um modelo bidimensional, multi-escala, utilizando o método de Boltzmann Malha (LBM).

"LBM é uma ferramenta computacional para analisar nossos problemas de bioengenharia", afirma Brasseur. LBM prevê o comportamento dos movimentos fluidos para modelar matematicamente macro-a-micro mistura e transporte no intestino. Atualmente, o Dr. Brasseur e da equipe estão estendendo a LBM bidimensional com um estudo tridimensional de como as vilosidades auxiliar o processo de digestão.

Brasseur está comparando o transporte de nutrientes do processo de digestão em níveis macro e micro. "Nós estamos amarrando a entender como os movimentos vilosidades ajudam a digestão. Nós pensamos que ele iria ajudar a digestão, porque traz os nutrientes em contato com o epitélio mais rapidamente do que se t movimento werenâ € ™."

A contração do músculo não é suficiente

Nesta área de pesquisa, Brasseur está investigando os movimentos fluidos e alimentos no interior do intestino delgado. Sua equipe de pesquisa está estudando as interações e descamação da micro-mistura das vilosidades em conjunto com a mistura macro-nível do fluido no interior do intestino.

"O processo de digestão envolve a interação entre as contrações dos músculos da parede intestinal (cerca de 1-2 cm de diâmetro) com o movimento das vilosidades (em cerca de 0,03-0,04 cm de comprimento). Mesmo que estes são realmente pequenos objetos, eles têm um grande efeito sobre a digestão. A contração da parede muscular não é suficiente para explicar a digestão normal ", diz Brasseur.

Os planos futuros para grupo de pesquisa Brasseurâ € ™ s são para acoplar o modelo LBM de movimentos fluidos com "Dinâmica Molecular" (MD) simulações de diferentes moléculas nutrientes.

"Um dos nossos próximos passos serão a incluir moléculas nutrientes individuais em nosso modelo", diz ele. "Quando podemos fazer isso, podemos estudar como específico moléculas nutrientes mover. Por exemplo, podemos comparar moléculas de açúcar com moléculas de proteína, que se movem de forma diferente no intestino delgado. Com este projeto agora eu tenho feito pesquisas sobre a totalidade do intestino, exceto para cólon. Eu gostaria de estudar o cólon próximo, então eu posso dizer que eu tenho estudado todo o trato gastrointestinal. "

Quando perguntado sobre o conselho para um futuro pesquisador, Brasseur disse: "Eu recomendo para você olhar para o mundo ao seu redor e tentar descobrir isso. Isso pode durar o resto de sua vida." Ele pode até mesmo adicionar um desvio científica interessante em sua próxima viagem culinária / oceanográfica para o Caribe.

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Nota do Editor: Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (NSF), a agência federal encarregada de financiar a pesquisa básica e da educação em todos os campos da ciência e da engenharia Veja os bastidores Archive..