Forças mecânicas nos sistemas

cardiovascular e circulatório

Vinícius Bassaneze

vinicius.bassaneze@incor.usp.br

Instituto do Coração (InCor) - HC/FMUSP

Universidade de São Paulo

Tópicos de hoje

1- Forças mecânicas em sistemas biológicos: exemplos

e aplicações;

2- Forças hemodinâmicas: Cisalhamento/Estiramento;

3- Aparelhos para aplicação de forças mecânicas em

modelos in vitro;

VETORES

FORÇA

Força: qualquer influência que faça um corpo livre alterar seu

estado de movimento

DETECTAR e/ou USAR forças mecânicas confere

vantagem adaptativa

Lactobacillus sp Vibrio cholerae

Amoeba proteus Mimosa pudica

Detecção de forças mecânicas em

sistemas biológicos TATO!

Pressão

Textura

Movimento e propriocepção

Estrutura Percepção

Corpúsculos de Pacini pressão

Discos de Merkel toques leves

Corpúsculos de Meissner mudanças na textura

Órgão Piloso terminal movimento de objetos

sobre a superfície do

corpo

Orgãos tendinoso de

Golgi

propriocepçãoPacini

Corpúsculos de

Pacini

Definição de STRESS mecânico

Stress é, por convenção,

definido como uma

força que age em uma

determinada área

Equivale à pressão

Apresenta diversos

nomes de unidades de

representação

Unidades Equivalente em MPa

Megapascal (MPa) 1

Pascal (Pa) 1.000.000

N/m2 1.000.000

kg/cm2 10,197

dina/cm2 100.000.000

Bar (b) 10,000

Kilobar (kb) 0,010

Pounds per square inch (psi) 145,030

Atmosferas (atm) 9,869

Dina é a força necessária para impor a aceleração de um 1cm/s2 a um corpo de 1g de massa (g cm/s2 )

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Resumidamente – em corpos sólidos

Componentes

“Shear Stress“(paralelo)

“Normal Stress” (perpendicular)

Compressional

esmagamento

Tensional

Estiramento (“stretch”)

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Mecanosensores em sistemas

biológicos complexos?

Because, according to Newton’s laws, physical

force drives all movements, feedback mechanisms in

which forces guide cell behavior would be an attractive

mechanism to enhance the robustness of these processes.

Estrutura - vasos sanguíneos

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Sentido d

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Forças hemodinâmicas

Região de

baixo shear

Região de

alto shear

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F, P

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C &

cols

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rch P

ath

ol Lab M

ed. 1992

Shear stress

Força de atrito devido à passagem

do sangue pela superfície interna do vaso

Células endoteliais respondem

ao shear strees

Alterações morfológicas e

funcionais em regiões específicas

do vaso

“Shear Stress”

Força de cisalhamento

O gradiente de velocidade próximo à

parede do vaso determina o seu “shear

stress” ( w)

Essa força tende a dispor o endotélio e

as camadas internas das artérias na

direção do fluxo sangüíneo

Davie

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F, P

ola

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C &

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ed.

1992.

3

4

r

Qw

Onde w é o shear stress (dynes/cm2)

µ é a viscosidade em uma determinada termperatura

Q é o volume do fluxo (dynes/cm3)

r é o raio (cm)

Sendo:

)1(0 BTATµ é a viscosidade em uma determinada temperatura

0 é a viscosidade a 0ºC

T é a temperatura determinada

A e B são constantes do específicas (depende do material)

Efeitos na células endoteliais – sinalização celular

Estiramento Shear Stress

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Efeitos na células endoteliais - morfologia

Ma

lek, A

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99

6)

Efeitos na célula endotelial - funcional

Shear stress aumentado, dentre outras coisas, estimula a síntese pelo endotélio de óxido nítrico (NO) que, por sua vez, é capaz de agir na camada média

Há indução de vasorelaxamento devido ao menor estado de contração das células musculares lisas.

“Tensile Stress / stretch”

Força de Estiramento

Pressão no interior do vaso exerce uma força distensiva na sua parede

Se espessura é pequena se comparada com o raio,

Aplicar a Lei de Laplace

Tem-se T = Pr, onde

T é a tensão

P é a pressão

r é o raio

Tensile Stress é a tensão por unidade de área de uma transecção da parede e considera a sua espessura

S = Pr/d

d é a espessura do vaso

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1992.

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Bio

fisic

a/F

luid

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Exemplo – balão de festas

•Princípio de Pascal estabelece que a alteração de pressão produzida

num fluido em equilíbrio transmite-se integralmente a todos os pontos do

fluido e às paredes do recipiente.

• Portanto há uma grande diferença de tensão nas paredes nas

diferentes partes do balão. A variação é descrita pela Lei de Laplace.

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E no coração?

O stress mecânico em cardiomócitos é o mais importante

estímulo para cardiomiopatias hipertróficas

O coração têm aumento na espessura da parede na

“tentativa” de diminuir o “tensile stress”

O stress mecânico ativa o receptor na AUSÊNCIA do agonista (AngII)

Esse processo é significantemente inibido por inibidores de receptores

de angiotensina II (receptor AT1)

Coração normal Coração hipertrófico

Receptor AT1

Sistema “cone plate” Shear stress variável (fisiológico: 0-30 dynas/cm2) em fluxo laminar

Variação dos tempos de exposição (minutos, horas, dias, semanas)

Alterações morfofuncionais de células endoteliais (e outras).

Diferenciação de células-tronco (EPCs e embrionárias).

Fórmula:

Células

Placa de cultura Cone

Modelo in vitro de shear stress

Modelo in vitro de estiramento

Sistema “flexcell”

Tensile stress variável (fisiológico: 10-15% deformacao radial, 1Hz)

Variação dos tempos de exposição (minutos, horas, dias, semanas

Cardiomiocitos

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