От моделирования ангиогенеза in vitro к созданию искусственных биологических образований с заданными свойствами на основе технологии саморазвивающихся капиллярных сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОТ МОДЕЛИРОВАНИЯ АНГИОГЕНЕЗА in vitro К СОЗДАНИЮ ИСКУССТВЕННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ САМОРАЗВИВАЮЩИХСЯ КАПИЛЛЯРНЫХ СЕТЕЙ

Глотов В.А., Найдёнов Е.В., Якименко И.В.

В многочисленных экспериментах по моделированию ангиогенеза in vitro установлено, что эндотелиальные клетки (ЭК) при определенных условиях самопроизвольно могут организовываться в 3х-мерные капиллярные сети, напоминающие капиллярные сети in vivo. При этом в отдельных сегментах развивающихся сетей спонтанно формируется внутренний просвет. Затем сети распадаются на отдельные фрагменты в результате апоптоза ЭК или их трансформации в другие клетки. Этот феномен отражает формообразовательные потенции ЭК в чистом виде, без влияния гидродинамического фактора и идентичен образованию капиллярных сетей in vivo в начальной фазе ангиогенеза до микроциркуляции и деградации капиллярных сетей, после ее прекращении.

Начиная с 90-х годов XX века крупнейшие лаборатории мира, занимающиеся проблемой эндотелия, включились в гонку, целью которой является достижение первенства в воспроизведении in vitro феномена функционирующих саморазвивающихся капиллярных сетей. Устойчивое воспроизведение этого феномена in vitro и расшифровка алгоритмов управления этим процессом - ключ к решению фундаментальной биологической проблемы клеточной и тканевой инженерии: созданию искусственных органов in vitro.

В настоящее время уже многое известно о механизмах ангиогенеза. Очевидно, что классическими методами культивирования ЭК невозможно воспроизвести этот феномен, т.к. в процессе развития капиллярных сетей in vitro не участвует гидродинамический фактор. Гемодинамический фактор in vivo - играет решающую роль в развитии микрососудистых капиллярных сетей. Включение гидродинамического фактора в культуру ЭК сложнейшая научно-инженерная задача. Кто первым решит эту задачу и осуществит патентование технологических процессов, тот получит реальные преимущества в практических аспектах клеточной и тканевой инженерии. Технология саморазвивающихся капиллярных сетей, с управляемой микроциркуляцией жидкой фазы питательной среды, позволит приступить к работам по созданию примитивных, а потом более сложных, многоклеточных образований с заданными свойствами, например: 1) опухолеподобные образования in vitro, пронизанные функционирующими капиллярами; 2) структурно-функциональные макро-микроскопические единицы органов, такие как остеон, мышечное волокно, ацинус, печеночная долька, нефрон; 3) органоподобные образования, такие как искусственная поджелудочная железа и другие эндокринные железы; 4) искусственные биологические материалы, такие как мышечные ткани; 5) искусственная плацента.

Ставится задача, создать реактор, в котором сопряжены в одной системе культура ЭК и организованные микропотоки жидкой фазы питательной среды, в котором можно попытаться воспроизвести феномен развития функционирующих саморазвивающихся капиллярных сетей по принципу «капилляр от капилляра». И получить желеобразное органоподобное образование с развивающейся внутри капиллярной сетью, в которой циркулирует жидкая фаза питательной среды.

С использованием системы математического моделирования Matlab&Simulink и системы инженерного проектирования Orcad разработана имитационная математическая модель и принципиальные электрические схемы отдельных модулей экспериментального реактора для культивирования ЭК. При помощи моделей цифровых систем управления обеспечиваются все циклы работы и функционирования реального изделия. Адекватность математических моделей проверена многократными экспериментами, обеспечивающими работу реактора как в стационарных так и не в стационарных режимах. Реактор состоит матрицы ангиогенеза, системы автоматической цифровой визуализации процесса ангиогенеза, генераторов микропотоков жидкой фазы питательной среды, систем жизнеобеспечения культуры ЭК, цифровой системы управления с разделенной системой управления электропитанием. Все системы многократно резервированы.

Предполагается, что при физической реализации основой такого реактора будет изолированный от внешней среды непроницаемой оболочкой гибридный процессор, с системой искусственных микроканалов для циркуляции жидкой фазы питательной среды, и сопряженные с ними электронные, микропроцессорные, микромашинные, физико-химические, биологические модули. Это будет компактное изделие, размерами в диапазоне от спичечного коробка до книги, способное функционировать автономно в автоматическом программируемом режиме в обычных условиях, в течение необходимого времени поддерживать заданный гомеостаз в культуре ЭК, обеспечивать и контролировать стерильность под защитной оболочкой, непрерывно передавать контрольно-измерительные данные на центральный компьютер. Возможно интегрирование произвольного количества таких реакторов, работающих автономно по индивидуальной программе, на одной материнской плате.

Методами математического моделирования и компьютерного проектирования, в соответствие с постоянно усовершенствующимися техническими заданиями и техническими условиями, отрабатывается оптимальная структура функциональных модулей реактора и единой системы управления. При этом на каждом этапе математического моделирования и инженерного проектирования можно изготовить адекватную физическую модель действующего экспериментального реактора и приступить к биологическим экспериментам. Системы автоматического проектирования для каждого этапа генерируют пакет конструкторской документации, необходимый и достаточный по своему качеству и технологической проработке для изготовления экспериментального образца в промышленных условиях.

Если учесть, что годовой бюджет современных научно-исследовательских лабораторий, решающих аналогичные задачи классическими методами, исчисляется размерами порядка 10 млн. $USA, становится очевидным преимущество предлагаемого решения проблемы эндотелия.

алгоритм биологический искусственный математический

Литература

1. Глотов В.А. Тканеподобные образования с заданными биологическими свойствами на основе клеточной и тканевой инженерии in vitro эндотелиальных капиллярных сетей /Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии: Доклады 10-й межд. научн.-техн.конф. Книга 3. - Владимир: 2012. - C. 37-41.

Размещено на Allbest.ru