Клеточная и тканевая инженерия эндотелия in vivo и in vitro (инженерные подходы)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Клеточная и тканевая инженерия эндотелия in vivo и in vitro (инженерные подходы)

Найдёнов Е.В., Андрейкин С.А., Прокофьева П.А., Якименко Ю.И.

Аннотация

Научные руководители: д.т.н., доц. И.В. Якименко, д.м.н., проф. В. А. Глотов

Кафедра электроники и микропроцессорной техники

Филиал «НИУ «МЭИ» в городе Смоленске

Кафедра анатомии человека

ГБОУ ВПО «Смоленская государственная медицинская академия»

Минздрава России

Поступила в редакцию 26.05.2013.

В статье приводятся описание инженерно-технической проработки способа создания тканеподобных образований с заданными биологическими свойствами на основе клеточной и тканевой инженерии in vitro эндотелиальных капиллярных сетей.

Ключевые слова: эндотелий, тканеподобные образования.

биологический клеточный инженерия эндотелиальный

 Культивирование саморазвивающихся тканеподобных образований с заданными биологическими свойствами позволяет решить фундаментальную задачу современной медицины - создание искусственных тканей и органов. Постоянно развивающаяся техническая элементная база позволяет самостоятельно и с минимальными затратами средств разрабатывать любые устройства. В том числе создать устройство для проведения сложных исследований в области тканевой инженерии.

Лаборатории ведущих исследовательских центров США, Японии, Израиля, Великобритании и др. стран развернули работы по созданию технологий, позволяющих получить тканеподобные биологические образования in vitro. Разрабатываются методы создания искусственных тканей и органов на основе стволовых клеток. Получить тканеподобные структуры in vitro сложнейшая научная и инженерная задача.

Целью данной работы является инженерно-техническая проработка способа создания тканеподобных образований с заданными биологическими свойствами на основе клеточной и тканевой инженерии in vitro эндотелиальных капиллярных сетей, впервые предложенного Глотовым В. А. [1].

Инженерная задача сводится к разработке искусственного биореактора, в котором были бы соблюдены все условия, необходимые для самоорганизации искусственных сетей и последующего управления их развитием.

Техническое устройство должно обеспечивать полную автономность всех процессов с возможностью удалённого управления режимами работы и снятия данных. Развитие современной микроэлектроники, создание уникальных материалов и структур, элементная база позволяет сегодня с минимальным количеством материальных затрат реализовать необходимую среду и разработать требуемое устройство.

Первым шагом технической проработки был анализ технического задания для создания устройства. Ключевыми элементами которого являются блок биореактора, микронасос, резервуар с питательной жидкостью и система управления. Более детальное исследование всех процессов, которые будут проходить реакторе, потребовали включение ещё ряда новых элементов, среди которых система управления факторами роста, система распределения питания, многоуровневая система комплексного контроля за состоянием среды и др.

Предполагается, что биоструктуры будут развиваться в гелеподобной среде. Однако, учитывая тот факт, что определённый объём питательной жидкости будет выливаться в структуру геля, а растущая масса тканей заполнять пространство - было решено создать систему циркуляции геля и фильтрации его для выделения остатков питательной жидкости.

Задача помещения миниатюрных камер в блок реактора решаема: на рынке присутствует целый ряд производителей готовых устройств. Но в то же время получение снимка в условиях низкой освещённости предъявляет дополнительные условия как к самой камере, её расположению, так и процессу съёмки. Решение данной задачи было найдено в динамическом процессе фотосъёмки в условиях слабой освещённости миниатюрных объектов, которое было предложено Якименко И. В. Полученная блок-схема устройства культивирования тканеподобных образований на основе рассматриваемого способа представлена на рис. 1.

Рис. 1 Блок-схема реактора

Вторым этапом разработки является моделирование устройства в среде компьютерной математики. Благодаря моделированию на системном и функциональном уровне можно получить ряд необходимых сведений о поведении разработки в любом режиме, в том числе критических и выработать требования необходимые при практической реализации. Компьютерное моделирование затрагивает анализ как отдельных элементов и блоков, так и всего устройства целиком.

Такой подход позволяет сократить расходы на проведение макетных испытаний. Разработанная математическая модель в популярной среде компьютерной математики Matlab&Simulink сегодня содержит более 8 000 элементов. Ведётся постоянное её совершенствование и усложнение. Разработанная математическая модель устройства приведена на рис. 2.

Рис. 2 Математическая модель устройства культивирования тканеподобных образований в среде Matlab&Simulink R2013a

За этапом моделирования по полученным данным следует разработка электрической схемы устройства, а также разводка печатных плат узлов и функциональных элементов.

Однако не менее важным является этап конструирования. Биологу или оператору, ведущему приём и обработку данных с устройства важна простота исполнения конструкции. Был разработан эскиз макетного образца устройства, который содержит встроенные элементы батарейного питания, набор внешних интерфейсов, герметичный пыле-, влаго-, термозащитный корпус. При реализации, настоящее устройство будет обладать габаритами сходными с настольной книгой. Данный факт повышает мобильность разработки и позволяет проводить исследования даже в домашних условиях. Эскиз макетного образца разработки приведён на рис. 3.

Рис. 3 Эскиз макетного варианта устройства

В дальнейшем, устройство может быть уменьшено (до размера спичечного коробка) или увеличено в несколько раз в зависимости от поставленных задач. Неизменными будут функциональные блоки и алгоритм выращивания тканеподобных структур на основе рассматриваемого способа.

Результаты исследований

В настоящий момент разработана полнофункциональная математическая модель устройства, повторяющая весь цикл работы реального образца. Проводится ряд испытаний, которые нацелены на выявление неточностей при измерениях, более качественного определения параметров среды биореактора и т.д. Модель усложняется, однако уже сейчас может использоваться для демонстрации работоспособности устройства. Разработан эскиз проекта, необходимый при формировании печатных плат. Предполагается уже к концу 2013 года подготовить все технические материалы для последующей сборки реальных узлов устройства.

Выводы

Способ создания тканеподобных образований с заданными биологическими свойствами на основе клеточной и тканевой инженерии in vitro эндотелиальных капиллярных сетей является новым направлением развития трансплантологии органов и тканей. Это важный ответ западному сообществу и продвижение современных отечественных технологий. На создание математической модели устройства на основе способа и всех сопровождающих её материалов не было затрачено никаких денежных средств. В дальнейшем, физическая реализация разработки потребует минимальное количество затрат на элементы конструкции, компонентную базу, необходимые реактивы и факторы роста. Разрабатываемое устройство будет полностью автономное в эксплуатации и займёт минимум места. Таким образом, нет необходимости создавать масштабные лаборатории, а сама разработка может быть выполнена небольшой группой исследователей.

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