2.1

2. modelování v biomedicíně, typy modelů, významné modelové organismy

Modelování

            Napodobování vybraných vlastností skutečného objektu na modelu. Analogie určitých vlastností originálu s vlastnostmi modelu

            Model – zjednodušený, idealizovaný obraz vybraných vlastností skutečného objektu

            Obecná teorie systémů – vychází z předpokladu, že živé organismy jsou otevřené systémy, jež si se svým okolím vyměňují látky a energii a nedají se popsat běžnými fyzikálními modely pro systémy uzavřené. Zdůrazňuje holismus proti redukcionismu a organismus proti mechanismu. Hledá společné zákonitosti živých i společenských systémů (komplexnost, dynamická rovnováha, zpětné vazby, samoorganizace)

            Universalita – vlastnost systémů, které mohou být modelovány náhodnými matricemi (podklad, plán, návrh), všestrannost

            Wholismus – zdůrazňuje celostní pohled na živé bytosti. Organismy jsou celky, nikoliv neorganizované shluky svých částí. Vlastnosti celku nelze vysvětlit z vlastností jeho jednotlivých částí. Každá část má význam, vztahuje-li se k ostatním částem či celku.

            Redukcionismus – směr, který se zabývá pouze částí něčeho, vysvětlit složité převedením na části.

                       Mechanicismus – redukuje životní jevy pouze na úroveň fyziky

                       Neomechanicismus – fyzikálně – chemická představa

            Kritika – živé organismy nelze rozebrat a znovu složit. Kromě částí tvoří celek i vztahy mezi nimi. Ovlivnění částí celkem.

Definice systémů – množina elementů (prvků), které jsou mezi sebou vázány vztahem (vazbou) / okolí – množina prvků ležících mimo systém, které mají vazby s prvky systému. Jako celek má vztah ke svému okolí.

Determinismus – působí-li určitá příčina za vhodných podmínek, nastává nutně a nevyhnutelně příslušný účinek, říkáme, že účinek je determinován souborem příčin a podmínek (replikace DNA, translace, membránový transport)

Stochasticismus – vztah mezi příčinou a účinkem není jednoznačný – příčiny a podmínky neurčují změnu či vznik určitého jevu jednoznačně, ale s určitou pravděpodobností (rozdělování chromozomů v meióze, rekombinace genů, genový posun)

            Princip hierarchie – složen ze subsystémů. Na každé vyšší úrovni se objevují kvalitativně nové vlastnosti. Na každé úrovni používáme různé metodické přístupy

Prvek – subsystém nultého řádu, nemůžeme studovat jeho strukturu. Důležité pouze chování (nejnižší subsystém, který nás při analýze ještě zajímá nebo jehož struktura danými metodami studovat nelze)

            Stavebnicový princip -  ze stejných prvků můžeme tvořit kvalitativně odlišné systémy, tím, že je dáme do různých vztahů. Velmi ekonomický (metabolismus pouze 20 AK) – vzniká méně chyb. Princip postupné organizace X ne naráz. Možnost eliminace chyb. Vznik složitých systémů se dá dobře regulovat.

            Princip autoorganizace – tvorba složitých systémů z jednoduchých podjednotek, samovolně bez dodání energie a informace (cytoskelet, biologické membrány, kapsidy virů)

            Modelování – napodobování vybraných vlastností skutečného objektu (buňka, populace) na modelu. Analogie určitých vlastností originálu s vlastnostmi modelu.

Model – zjednodušený, idealizovaný obraz vybraných vlastností skutečného objektu. Konstruuje se z neúplných, v dané době známých poznatků o originálu. Chování modelu se pak srovnává s chováním originálu.

Izomorfní vztah – každému prvku jednoho systému odpovídá jeden prvek druhého systému a každému spojení v jednom systému spojení v druhém. Povaha prvků v obou systémech může být zcela odlišná. Model = originál.

Homomorfní vztah – každému prvku nebo vztahu v modelu odpovídá prvek nebo vztah v originálu, ale naopak to neplatí. Originál má ještě prvky modelem nezobrazené

Typy

In silico – modely tvořené v počítači nebo jako počítačová simulace

Virtuální – funkčně shodné s reálným systémem, při chybě nehrozí poškození, okamžitě je vidět účinek zásahu.

Matematické – požívají matematický zápis k popisu chování systémů, lineární/nelineární, determinist/stochastické, statické/dynamické, soustředěné parametry (homogenní) / rozložené parametr (heterogenní).

Fyzikální – modely fyzikálních a chemických vlastností, transport látek biomembránou, autoorganizační procesy.

In vitro – populace buněk izolované z živočichů nebo rostlin a pěstované na umělých médiích v kultivačních nádobách. Slouží ke studiu biologických zákonitostí na úrovni buňky. Interakce virus-buňka, buněčný cyklus, účinky cytostatik, fertilizace.

In vivo – studie prováděné na živých organismech (zvířata, lidi, rostliny)

Escherichia coli – studium konjugace (výměna genetického materiálu)

Kvasinky (sacharomyces cerevisiae) – studium eukaryontní buňky, buněčného a živočišného cyklu kvasinek, studium lidských nemocí

Drosophila – studium lidského chování, vývoje, nemocí (podobnost v genomech)

Caenorhabditis elegans (háďátko obecné) – modely Alzheimra, Parkinsona

Xenopus (laevis, tropicalis, drápatka) – biologie buňky, toxikologie, neurovědy a modelování lidských nemocí a poruch při narození (vajíčka)

Danio rerio (paprskoploutvá ryba) – modely rakoviny, nemoci kardiovaskulárního systému, imunitního systému, infekčních onemocnění

Mus musculus – užívána pro velikost těla, obezita muskularita

Potkan – model v toxikologii a neurologii, zdroj buněčných kultur

Prase – modely srdečních, plicních, imunitních onemocnění. Větší podoba než pes

Ochrana laboratorních zvířat – alternativy zahrnující všechny postupy, které mohou buď úplně nahradit pokusy na zvířatech, nebo snižovat počet používaných zvířat, nebo alespoň zmenšovat jejich utrpení v pokusech, které podstupují zvířata proto, aby byly uspokojeny základní potřeby člověka nebo jiných zvířat.

Replacement – alternativní metody, nižší třída zvířecích modelů

Reduction – správné modely, genetická homogenita, zdravá

Refinement – péče, šetrné zacházení, neinvazivní metody, minimalizace stresu, bolesti a utrpení