تصميم المفاعلات الأحيائية على النحو الأمثل لتدبير المواد العضلية

الدور المركزي للمفاعلات الحيوية في تنمية الشرايين

وتنتج هندسة الأنسجة الوعائية بدائل قابلة للاستمرار ومتينة من حيث الميكانيكية لسفينة الدم من أجل تطبيقات مثل التغليف الشرياني الإلتفافي، وإصلاح الأوعية الدموية، وإتاحة إمكانية الاستبدال الحرفي للنسيج الميكانيكي، مع إيلاء اهتمام كبير لتصميم النسيج الميكانيكي الذي تنمو فيه هذه النسيجات لتحديد ما إذا كانت الرشات النهائية تفي بمتطلبات الصارمة للتصميم.

ويقتضي تعقيد نضج الأنسجة الوعائية أن يعيد المفاعلون البيولوجيون النظر في الجوانب الرئيسية للبيئة الوراثية الأصلية، وتعاني سفن الدم التي تنشط في اليقظة من ضغوط متتالية، وطول التقلبات التقلبية الدورية، والإجهاد الناجم عن تدفق الدم، وتنظم هذه القوى الميكانيكية تركيب الخلايا النباتية، وقابلية الخلايا السلسة للعضلات، وتنظيم التلاعب بالألوجين والنسيج.

وقد وضع الباحثون مجموعة من تصميمات المفاعلات الحيوية، من مغازلة الثقافة الثابتة البسيطة إلى نظم التكتل المتطورة مع مراقبة التغذية النشطة، ويعكس تطور هذه النظم تزايد الفهم لعلم الميكانيكية للتطوير الأوعية الدموية، كما أن الثقافات الساكنة المبكِّرة تنتج أنسجة ضعيفة ميكانيكية، لأن النقل الشعائري وحده لا يمكن أن يدعم المطالب الأيضية لتشييد سميك.

والهدف من هذه المادة هو دراسة العوامل الرئيسية التي تؤدي إلى تحقيق الحد الأمثل للمفاعلات البيولوجية في نضج الأنسجة المنوية، ومناقشة الحلول الهندسية المبتكرة التي ظهرت في السنوات الأخيرة، وتحديد العقبات المتبقية التي يجب التغلب عليها لترجمة هذه التكنولوجيات من المنصة المختبرية إلى الجناح الجراحي، وستركز المناقشة على ديناميات التدفق، والتحميل الميكانيكي، والتوليد من الأكسجين والمغذيات، واختيار المواد، وإدماج نظم الرصد والتشغيل الآلي.

البارامترات الحرجة للعامل البيولوجي

ويجب أن يوازن كل نظام من نظم المفاعلات البيولوجية بين المطالب المتنافسة: توفير محاكاة آلية كافية لتعزيز النضج مع تجنب الضرر الذي لحق بالنسيج النامي؛ وتوفير الأكسجين والمغذيات بكفاءة مع الحفاظ على بيئة دينامية متجانسة؛ وضمان العقم مع السماح بالعينات والتكيف المتكررين، وتفصل الأقسام الفرعية التالية المعايير التي تتطلب التدرج الأمثل.

دنيا وغطاء شمس

ويؤثر نظام التدفق داخل مفاعل أحيائي مزهري تأثيرا مباشرا على بقاء الخلايا الثابتة، والمواءمة، والحواجز، ويزيد تدفق النجم مع ضغط مراقي متحكم به في النطاق الفيزيائي (10-20 دين/كتوم2 للثديون الشرياني) من نوع خامدي أو تضخم الغدد الدهوني المنخفض.

وتستلزم ديناميات التدفق الأمثل الاهتمام بالمسح الجغرافي والنفاذ، واستخدام موزعي التدفق أو الموزعين، وإزالة مناطق الركود التي يمكن أن تتراكم فيها منتجات النفايات، كما أن ديناميات التدفق الحاسبي أصبحت أدوات أساسية للتنبؤ بتوزيع الضغط على الأشعة داخل الشحوم وعبر جدرانها.

ويزيد تدفق النبضات، مع تواتر يضاهي موقع السفينة المستهدفة (من 1 إلى 2 هرتز إلى 2 هرتز إلى التطبيقات الشريانية)، من تعزيز وظيفة ثابتة ومؤسسة ECM، وقد تعثرت موجة الشكل - النظام، والديستيكي، وضغط النبض - يمكن أن تُستخدم لتكرار التردد الحرفي أو الظروف المستترة.

Cyclic Mechanical Stretch

وتواجه الخلايا العضلية السلسة العضلية في طبقة الوسط فترات التقلبات الدورية خلال كل دورة من دورات القلب، وقد يؤدي هذا التحميل الميكانيكي إلى مسارات لاسلكية تُستخدم بشكل مؤقت لتنظيم انتشار الخلايا، والمواءمة، وتوليف الـ ECM.() وفي المفاعلات الأحيائية، فإن التمدد الدوري يُطبق عادة بتضخم موانع داخلية متوافقة أو بتعريض ماء الـة في المـنـيـة الـيـة الـة الـيـة الـة الـة(15).

وتشمل الاستفادة المثلى من بارامترات التمدد التردد، والضخامة، ودورة العمل، والمدة في اليوم، وقد أظهرت الدراسات أن استمرارية التمدد أقل فعالية من التمدد المتقطع، مع إتاحة فترات الراحة لإعادة تشكيل أو منع استنفاد الخلايا، كما أن اتجاه التمدد لا يزال يعمق النسيج الميكانيكي الممتد إلى محور الإجهاد، في حين أن الأنسجة الجامدة ذات الصبغة الثنائية أو المتعددة تؤدي إلى زيادة في نفس الوقت.

أوكسجين وتوريد المغذيات

وتعاني الأنسجة الوعائية المتحركة، ولا سيما تلك التي تتسم بالسماكة ذات الصلة سريريا (1 مم)، من نقل الأكسجين المحدود الانتشار، وبدون الارتطام النشط، تهبط تركيزات الأوكسجين إلى مستويات منخفضة في بضع مئات من مجاري السطح، وتحفز الهيبوكسيا على موت الخلايا أو التليف أو تركيبة الكيماوي البيرقراطي، وبالتالي يجب على السميكات البيولوجية أن تسلم الأكسجين ليس فقط إلى السطح المجمد.

ويشتمل الإيصال الأمثل للأكسجين على موازنة توتر الأوكسجين في الوسط مع معدل استهلاك الخلايا، ويمكن أن تولد الهيبروكسيا (الأكسجين العالي جدا) أنواعاً من الأكسجين الرجعي وخلاياً من الضرر، بينما تضعف القيم المستهدفة من 40 إلى 120 ملليمتر من الزئبق لضغط جزئي من الأكسجين في الخلايا المتوسطة، مثل زيادة الإجهاد التراكمي للأوكسجين

ويقترن توصيل المغذيات، ولا سيما الغلوكوز وحامض الأمينو، ارتباطا وثيقا بمعدل التدفق وتواتر الصرف المتوسط، ويتفوق استمرار الارتطام بالمتوسط الطازج على التغذية بالدفعية لأنه يحافظ على تركيزات مائية مستقرة ويزيل منتجات النفايات الخام مثل التكتل والأمونيا، ويمكن أيضا تعديل التركيب المتوسط بمرور الوقت ليعكس الاحتياجات المميتة المتغيرة للأنسجة المزروعة.

اختيار المواد لمكونات المفاعلات الأحيائية

والمواد المستخدمة في بناء حجرة المفاعلات البيولوجية، والغطاء، والوصلات، والمجسات يجب أن تكون قابلة للمواءمة الأحيائية، وغير سمية، وقادرة على تحمل دورات التعقيم المتكررة (الرقابة، أو أكسيد الإيثيلين، أو إشعاع غاما) (وتكون الثقافة الوسيطة للكربون، أو البوليكربونات، أو السيليكونية الطبية خيارات مشتركة للمكونات الجامدة،

وبالنسبة للخصائص نفسها، تتراوح المواد من البوليمرات الطبيعية (الكولاغين، الألياف، الكيماويات الملوَّثة باللوائات الاصطناعية القابلة للتحلل الأحيائي (حامض بوليغليكوليك، متعدد الكوكب، متعدد البوليوريثان) - يجب أن تكون الوصل بين الاختراعات الجاهزة والمفاعلات الأحيائية خالية من التسرب تحت الضغط.

ويمكن أن يؤدي تعديل السطح مع التصفيات الوبائية أو غير ذلك من المعاطف ذات التأثير الحيوي إلى الحد من تجانس الثروملوجي إذا كانت دائرة المفاعلات الأحيائية تشمل الدم أو البلازما، غير أن المعاطف البسيط غير المسببة للضغط مثل البولي (إيثيلين غليكول) تكفي لمنع امتصاص البروتين غير المحدد والحفاظ على بيئة نظيفة.

المفاعلات الأحيائية المتقدمة من أجل نضج المواد العضلية

وقد استخدم الجيل الأول من المفاعلات البيولوجية الوعائية تصميما بسيطا في القشرة حيث تم فرز الغطاء في كلا النهايتين وربطه بمضخة ثابتة، وفي حين أن هذه النظم فعالة في إثبات الجدوى الأساسية، فإنها تفتقر إلى القدرة على تطبيق التحميل الميكانيكي الخاضع للرقابة أو على رصد تطوير الأنسجة بصورة غير متفشية، فقد برزت خلال العقد الماضي تشكيلات متقدمة متنوعة، مصممة لمعالجة قيود محددة.

نظم الدمج المزدوج

ويفصل هذا المفاعلات البيولوجية مسارات التدفق الشهواني والبلومي، مما يتيح التحكم المستقل في الضغط على الماشية وإمدادات المغذيات لطبقات الوسط والاختراع، وفي تصميم نموذجي، يعلق البناء بين غرفتين: فالغرفة الداخلية تنقل عبر الشحوم، بينما تُعمم الغرفة الخارجية السطح الخارجي، وهذا الترتيب يتيح استخدام تركيبات مختلفة من الخلايا المشابهة للعضلات في نهاية المطاف.

ويركز الاستخدام الأمثل لهذه النظم على تحقيق التوازن بين معدلات التدفق بين مقصورات الضغط لتجنب درجات الضغط التي يمكن أن تنهار أو تهدر جدار السفن، ويمكن أيضا تحديد الفرق في الضغط العابر بقيمة مرغوبة )مثلا، وزنزانات الأشعة 80 إلى 120 مم بالنسبة للتكييف الحرفي( عن طريق تعديل الارتفاعات النسبية لمستودعات المستودعات الداخلية والمخارجية أو باستخدام مضخات مستقلة ذات مقاييس ضغط كاملة.

المفاعلات الأحيائية المتعددة القطاعات والمرتفعة

ومع انتقال الميدان نحو الترجمة السريرية، تصبح القدرة على إنتاج طيور متعددة من الوعائيات في آن واحد أمرا بالغ الأهمية، إذ أن صفيفة المفاعلات الأحيائية العالية المخرجات، وعددا من المباني، التي لها مراقبة مستقلة أو مشتركة للتدفق، وتخفض هذه النظم من التباين عن طريق إخضاع جميع المباني لنفس الظروف البيئية، مما يسمح بإجراء مقارنات مباشرة بين مختلف الطاقات، أو مصادر الخلايا، أو بروتوكولات الثقافية.

وفي إطار البحوث، تم تطوير أجهزة التبريد الأحيائي المصغرة (المسماة أيضاً بنظم " المنظمات على الشب " ) لفحص المخدرات والدراسات الميكانيكية، وتستخدم هذه الأجهزة الفلورية الميكانيكية الليثيوم الليثيوزيا الليثيوزيائية لإنشاء قنوات ذات أبعاد مماثلة للشرائح الصغيرة، وفي حين أنها لا تهدف إلى إنتاج طيور غير قابلة للزراعة، فإنها تتيح مراقبة دقيقة للتدفق، والتدرجات الأكسجينية في شكل متوافق مع تركيبة العالية.

المفاعلات الأحيائية ذات الاختبار الميكانيكي المتكامل

ومن الناحية التقليدية، لم يتم تقييم الممتلكات الميكانيكية للسفن المصممة إلا في نهاية الثقافة، مما يتطلب اختباراً تدميرياً، إذ أن تصميمات المفاعل الحيوي الجديدة تتضمن أجهزة استشعار ومحركات تتيح إجراء تقييم ميكانيكي غير تدميري أثناء النضج، ومن ذلك مثلاً أن جهاز استشعار الضغط يمكن أن يسجل ضغط الشهوة بينما تُحدث تغييرات في مقياس التقلبات، مما يتيح حساب الامتثال والضغط المفاجئ وتكييف مع المعايير الثقافية.

وتستخدم بعض النظم رسماً قياسياً للاتساق فوق الصوتي أو البصري لتصوير سمك حائط السفن، ومقياساً للذخيرة، ومنظمة إدارة المحتوى في المؤسسة في نقاط زمنية متعددة، ولا يزال إدماج هذه الطرائق في المفاعل الحيوي تحدياً تقنياً بسبب التحفّكات الحادة والحاجة إلى تفاعلات معقمة، ولكن النماذج الأولية أثبتت جدواها، والهدف النهائي هو " وجود ظروف سليمة ومستمرة " .

مراقبة التوقيت الحقيقي ومكافحة التغذية

ولا يمكن قياس البارامترات الرئيسية دون تعطيل الثقافة، فالأخذ بعينات تقليدية خارج الخط (مثل سحب وسيطة لتحليل الجلوكوز والثديات) لا يوفر سوى صورة سريعة ويمكن أن يُحدث مخاطر التلوث، وقد تطورت تكنولوجيات الرصد في الوقت الحقيقي بسرعة وأصبحت تُدمج في أجهزة تصنيع حيوية للعضلات الوعائية من أجل تمكين مراقبة الصواريخ المغلقة.

ويمكن للمستشعرات البصرية التي تجسدت في غرفة المفاعلات البيولوجية أن تقيس الهيدروجيني، والأكسجين المذوب، ودرجة الحرارة من خلال النوافذ الشفافة دون اتصال مباشر بالمتوسط، وعلى سبيل المثال، تستند أجهزة الاستشعار الفيبرية الضوئية للأكسجين إلى التصفير الفلوري ويمكن أن تتكيف مع التكديس المتكرر، كما يمكن أن تكيف أجهزة الاستشعار الكهرمائية في مسار التدفق المتوسط.

وتتراوح خوارزميات مكافحة التغذوية بين متحكمين بسيطين متناسبين ومتكاملين، يحافظون على نقطة ثابتة إلى أجهزة رقابة أكثر تقدماً على النموذج، تتوقّع الاحتياجات المستقبلية استناداً إلى تطور خصائص النسيج، وعلى سبيل المثال، إذا بدأ معدل استهلاك الأوكسجين (المنبأ من الفرق بين التوتر في النسيج والخارج) في الانخفاض، فإن باستطاعة المكافحة أن تزيد من معدل التدفق أو الأكسجين.

ويطرح إدماج الرصد في الوقت الحقيقي تحديات في إدارة البيانات وتجهيز الإشارات، إذ تولد المفاعلات الأحيائية كميات كبيرة من البيانات المستمرة التي يجب تخزينها وتحليلها ومرتبطة بنوعية النسيج النهائية، وقد تصبح المفاعلات الأحيائية ذات الصلة بالكلاب والتي تسمح بالرصد عن بعد وقطع البيانات مشتركة في مختبرات البحوث، وقد تكون النظم المماثلة أساسية في التصنيع السريري بموجب لوائح الممارسات الصناعية الجيدة.

الارتقاء بالممارسات السريرية والترجمة إليها

ويتطلب الانتقال من المفاعلات البيولوجية على نطاق المختبرات إلى نظم الإنتاج للاستخدام السريري معالجة عدة مسائل عملية، أولا، يجب أن يكون المفاعل الحيوي متوافقا مع متطلبات برنامج إدارة البيئة، بما في ذلك المواد التي يمكن التحقق منها لأغراض العقم، والاتساق بين الكثرة والقابلية للتتبع، وأن تخفض عناصر المعالجة الأحيائية القابلة للتداول (مثل مجموعات الحوض والغرف) إلى الحد الأدنى من مخاطر الهيمنة على المناولة وتبسيط الموافقة التنظيمية.

ثالثا، يجب أن يستوعب المفاعل الحيوي أبعادا وطولات مختلفة، حيث أن الاحتياجات السريرية تختلف من الطيفات التاجيكية )٣-٤ مم، و ١٠-٢٠ سم( إلى الأورطاس )مقياس × ٢ سم( - وقد تكون التصميمات النموذجية التي تسمح بالغرفات والناسور قابلة للتبادل مفيدة، رابعا، يجب على المفاعل الحيوي أن يدعم الثقافة الطويلة الأجل )٤-١٢ أسبوعا( مع الحد الأدنى من النسيجات.

كما أن الاعتبارات التنظيمية تؤثر على تصميم المفاعلات الأحيائية، وتتوقع إدارة الأغذية والمخدرات في الولايات المتحدة والوكالة الأوروبية للميدتشيين أن تكون بيئة المفاعلات الأحيائية مصنّفة جيدا وأن يتم التحقق من أي تغييرات في العملية لضمان جودة المنتجات، وأن المفاعلات البيولوجية التي تتضمن مكونات مستمدة من الحيوانات (مثل تركيبات البنفسج) تواجه عقبات إضافية تتعلق بالسلامة.

وأخيرا، يجب تبرير تكلفة نظام المفاعلات البيولوجية بالاستحقاقات السريرية، وفي حين أن النظم الحالية باهظة التكلفة (عشرات الآلاف من الدولارات لكل وحدة)، فإن التصنيع المكثف واستخدام المكونات ذات الطابع 3D قد يقلل من التكاليف، إذ أن سداد تكاليف التأمين على المسامير المغنطة بالأنسجة غير مستقر بعد، ولكن المعتمدين المبكرين قد يكونون على استعداد لدفع أقساط للطام التي تتجنب حدوث تضاعفات في الرخامات.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

ويتطور بسرعة تصميم المفاعلات الأحيائية لهندسة الأنسجة الوعائية، وتعود عدة تكنولوجيات ناشئة بزيادة تغذية الأنسجة إلى الحد الأمثل وتسريع الترجمة السريرية.

(ب) تستخدم النظم الإيكولوجية (Organ-on-chip and microphysiological systems ) بشكل متزايد لفحص الظروف الثقافية المثلى قبل الانتقال إلى المفاعلات الأحيائية الكاملة، ويمكن لهذه النظم الصغرى أن تستنسخ التفاعل المعقد بين أنواع الخلايا المتعددة والتدفقات والتوسع الدوري في شكل مخفض.

]Bioreactor computational modeling] مجال آخر للنمو، نماذج متعددة الفيزياء يمكن أن تنبئ بها ديناميات السائل والنقل الجماعي وعلم الميكانيكي نتائج تطوير الأنسجة استنادا إلى الظروف الأولية، ويمكن أن تقلل هذه النماذج من عدد التجارب اللازمة لتحقيق الاستخدام الأمثل ويمكن استخدامها في تصميم بروتوكولات ثقافية خاصة بالمرضى.

Wireless and batteryless sensors] are being developed to monitor parameters inside the bioreactor without the need for physical connectors, which are potential entry points for contamination. Powered by inductive coupling or ultrasonic waves, these sensors can transmit data on temperature, pH, pressure, even cell metabolism via fluberence electronic.

The use of induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived vascular cells] is gaining momentum, and bioreactors must be adapted to support the maturation of these cells, which often require different growth factors andميكانيكيal cues than primary cells. iPSC-derived smooth gang cells, for example, may be more plastic and require

وأخيراً، يجري الجمع بين ]bioprinting and additive manufacturing] وبين ثقافة المفاعلات الأحيائية لإنشاء صمامات للدماغات المقطعية الخاصة بالمرضى، ويمكن طبع مجموعة من المواد ذات الصبغة الجغرافية والتنسيب الخلوي، ثم نقلها فوراً إلى مفاعل بيولوجي للنضج، وتقوم بعض المختبرات بوضع نظم متكاملة تطبع فيها البصمات والوقت المصمم أحيائي.

External resources for further reading include a comprehensive review on bioreactor design in Trends in Biotechnology (available via ]DOI link) a practical guide to developing perfusion bioreactors from the Journal of Vis5

إن تصميم المفاعلات الأحيائية على الوجه الأمثل هو مسعى متعدد التخصصات يجمع بين الهندسة وعلم الأحياء الخلوية وعلم المواد، وكل مقاس من قياس مسار التدفق إلى مصانع التخدير التي تتحكم في التمدد الدوافع الدورية، سيُدرس وفق المتطلبات المحددة للأنسجة التي يجري نموها، وعلى الرغم من أن التحديات لا تزال قائمة في التوسع، والقابلية للتكاثر، والموافقة التنظيمية، فإن التقدم المحرز على مدى العقدين الماضيين يقدم دليلاً متفاؤلاً قوياً