Table of Contents
مقدمة إلى شركة Cartilage Tissue Engineering and Bioreactor Design
وتؤثر عيوب القلب من الصدمات أو التهاب العظام أو الظروف الخلقية على الملايين في جميع أنحاء العالم، ومع ذلك فإن التخصيب المحلي لا يتوفر إلا قدرة محدودة على التعافي الذاتي بسبب طابعه الشائع وقلة الكثافة الخلوية، وتوفر هندسة النسيج بديلاً واعداً عن الجمع بين الخلايا، وقطع العينات، وإشارة تفاعلية حيوية لتوليد النسيج الوظيفي.
المبادئ الأساسية لتصميم المفاعلات الأحيائية لأغراض الحمل
ويتطلب تصميم مفاعل بيولوجي فعال لنسيج الكراغي تحقيق التوازن بين عوامل متعددة مترابطة، وخلافا لثقافة الخلايا الأحادية، فإن التركيبات الثلاثية الأبعاد تتطلب إدارة دقيقة للبيئة الصغرى لدعم قدرة الكريسوتيل على البقاء، وتشويه المصفوفة خارج الخلايا، ونضج الأنسجة.
Biochemical Environment Control
وتتأثر خلايا الحمل (الخصائص) بتركّز الهكسان، وتركيز الغلوكوز، وتوتر الأوكسجين، ومن ثم فإن المادة الهيدروجينية من أجل الأيض الشونية تتراوح بين 7.2 و7.4، مع الحفاظ على مستويات ثاني أكسيد الكربون بين 1 و4.5 غ/ل.
المحاكاة الميكانيكية
فالتحميل الميكانيكي ضروري لتطوير وصيانة السجاد، ففي حالة التخصيب، كانت تجارب الكريات والضغط الزعنفي، والضغوط الهيدروستية أثناء الحركة المشتركة، حيث أن المفاعلات الأحيائية تستنسخ هذه القوى باستخدام المصابيح أو المصابيح أو نظم التدفق السائلة، ويجب أن يكون حجمها (0.1-1-1-أمبيرغا) والتواتر (0.1-1Hz) ودورة الحمل الميكانيكية في المائة.
كبير من شركات النقل والمغذيات
ولا يكفي التفريغ وحده للتشييدات الأكبر حجما )السمك الذي يزيد عن ٢ مم( - يلزم وجود نظم للتشريد أو الخلط لضمان توحيد إيصال الأكسجين والمغذيات على امتداد النطاقات، بينما تساعد ديناميات السوائل الحاسوبية على التنبؤ بأنماط التدفق وتحديد مناطق الركود أو الطلقات العالية.
Scaffold Compatibility and Integration
ويستخدم هذا النموذج كنموذج مؤقت لتشكيل الأنسجة، ويجب أن يستوعب تصميم المفاعلات الأحيائية قياسات هندسية متعددة، وخواص ميكانيكية، وأجهزة حركية للتدهور، وتشمل المواد المشتركة البوليمرات الطبيعية (الكولجين، والحماض الهيالوروني، والبوليمرات الاصطناعية) والبوليمرات الاصطناعية (PLGA، PCL، PEG) التي يجب أن تكون قابلة للموازنة بين الكائنات الحية.
أنواع المفاعلات الأحيائية المستخدمة في هندسة الكراغي
وعلى مدى العقود الثلاثة الماضية، تم تطوير العديد من تشكيلات المفاعلات الحيوية، وكل منها له مزايا وقيود متميزة لثقافة التخصيب، ويعتمد الاختيار على هدف البحث المحدد - سواء لدراسة البيولوجيا الأساسية أو إنتاج الأنسجة اللازمة للزرع أو فرز العلاجات.
المفاعلات الحيوية العنكبوتية
إن المزلاجات العنكبوتية بسيطة، وهي نظم ذات دبابات مائلة حيث يتم تعليق التركيبات في متوسطات وتهتزها بزراعة مغناطيسية، وهي تحسن الانتقال الجماعي مقارنة بالثقافة الثابتة، وهي سهلة الاتساع، غير أنها تفتقر إلى التحميل الميكانيكي المباشر ويمكن أن تخلق حقول خام متجانسة.
المفاعلات الحيوية
وتطبق المفاعلات الحيوية المضغوطة على القوى المضغوطة المرنة أو الثابتة عن طريق لوحة أو بيستون، وتستخدم على نطاق واسع لأن الضغط الميكانيكي الرئيسي في الكريات اليدوية، وتختلف التصميمات من نظم غير محورية بسيطة إلى أجهزة تحميل متعددة الأكسجين قادرة على تطبيق الشقيق والتشنج في وقت واحد، وتشمل البارامترات الرئيسية تركيب الإجهاد (2-20 في المائة)
المفاعلات الحيوية
وتفرض المفاعلات الحيوية الثقافة المتوسطة من خلال المكشوفة باستخدام مضخة، بما يضمن استمرار إمدادات المغذيات وإزالة النفايات، وهي ذات قيمة خاصة بالنسبة للمناطق ذات الحجم الكبير من الصدر، حيث يكون الانتشار غير كاف، ويمكن أن يكون التحلل غير توجيهي أو ثنائي الاتجاه أو مسبباً للتضخم.
عاملات تصنيع بيولوجيات العجلات
وقد وضعت وكالة ناسا في البداية سفنا حائطية متناوبة لدراسات الجاذبية الصغرية، وهي تتألف من حجرة إسطوانية تدور حول محور أفقي، وتبقي بعض البنايات معلقة في أجهزة الطرد المركزي والقوامة، وتنتج عن ذلك بيئة ميكانيكية منخفضة القلب ودينامية تعزز الخلط بين المواد الغذائية دون خلايا معدلة من الخريف.
المفاعلات الحيوية للضغوط الهيدروستية
والضغط الهيدروستاتي هو إشارة ميكانيكية رئيسية في المفاصل، تولد أثناء حمل الوزن. ويطبق المفاعلات الأحيائية ضغطا ثابتا أو دواجي (1-10 إم بي) عن طريق غرفة مقفلة مليئة بالمتوسط أو الغاز.
استراتيجيات تحقيق النمو الأمثل في مجال استخدام الطاقة
إن التصميم الأمثل للمفاعلات البيولوجية عملية متكررة تشمل تعديل البارامترات المادية والكيميائية والبيولوجية، فيما يلي استراتيجيات رئيسية مدعومة بالبحوث الأخيرة.
أجهزة تكييف ميكانيكية
(ب) يجب أن يُصمَّم نوع وحجم وطول التحميل الميكانيكي إلى مرحلة التطوير من الأنسجة، وقد تستفيد الثقافة المبكرة (الأيام من صفر إلى 7) من الضغط الدينامي المنخفض للارتفاع بتكاثر الخلايا ومواءمةها، ويمكن للمراحل الوسيطة (الأسبوعان 2 إلى 4) أن تشمل ضغوطاً أعلى على تركيبات التكتل المغناطيسي.
Oxygen Tension Modulation
(أ) الناقص المتحكم به (1-3٪ O2) أثناء مرحلة الثقافة الأولية يشجع على التمييز بين الدوندروجينات ويقلل من فرط الأشعة الفلكية، ويمكن للمفاعلات الأحيائية أن تدمج أجهزة استشعار الأكسجين ومزيج الغازات لخلق مستويات معتدلة للأنسجة الأصلية (أعلى من سطح الأرض، وأقل في المنطقة العميقة) وقد تبين أن الشروط المسبقة للتغذية الأساسية للفترة 7-14 يوماً قبل زرع الأوكسجين([1]).
توصيل المغذيات وتقنيات التفجير
ويؤثر كل من ارتفاع معدل تدفق المواد الغذائية واتجاهها وقابليتها للاختلال على سلوك الخلايا، ويزيد التدفق التلقائي (التوجيه البديل كل 30 إلى 60 دقيقة) من التغل المغذي ويحفز الحركة المشتركة، ويمكن أن تؤدي محاكاة المواد الكيميائية إلى قياس جغرافي ثابت في الحجرات لتجنب مناطق التكاثر، ويستخدم بعض المفاعلات الأحيائية قنوات الفلورية في إطار نظام التشغيل الآلي من أجل تحقيق الابتكارات الحديثة
الهيكل المتنوع وامتيازات المواد
وحجم الشقوق وضغطه على الخلايا، وارتفاعه في الزهرة، وارتفاعه في النسيج البيولوجي، وتراكمه في الخلايا، وتراكمه في الخلايا، وتراكمه في النسيج المحلي، وتراكمه في النسيج، وتراكمه في النسيج، وتراكمه في النسيج، وتراكمه في النسيج المحلي، وتحوله إلى مادة مائل.
مراقبة التوقيت الحقيقي ومكافحة التغذية
(ب) الرصد غير الشامل للخسائر الهيدروجينية والأوكسجينية والخصائص الميكانيكية أمر حاسم لتحقيق الاستخدام الأمثل، ويمكن للنسخة الموحّدة من التكتل الإحداثي أن تقيّم كثافة الخلايا وقابليتها للاستمرار، ويتيح الترميز المغناطيسي أو البصري لسمك البناء والتجانس، ويستخدم بعض المفاعلات الأحيائية المتقدمة نماذج التعلم الآلى (2021) للتنبؤ بالظروف الثقافية المثلى.
الاتجاهات والتحديات المستقبلية
ورغم التقدم الكبير الذي أحرز في تصميم المفاعلات البيولوجية لهندسة الأنسجة المزروعة، فإن تركيبات التصعيد إلى أحجام ذات صلة سريرية (مثلاً، فإن الصمغ الكامل للأورام الخبيثة) لا تزال صعبة بسبب القيود المفروضة على النقل الجماعي، إذ إن التعميم داخل المركب غائب عادة، ولكن البنايات الأكبر قد تتطلب تقنيات مسح للأشعة قبلية أو استخدام ناقلات الأكسجين.
كما أن الاعتبارات التنظيمية كثيرة، إذ يجب على المفاعلات الأحيائية المستخدمة في الإنتاج السريري لطيور الكراتيل أن تمتثل لممارسات التصنيع الجيد، التي تتطلب تعقيماً مصدقاً، وتشغيلاً آلياً، وتوثيقاً، ويفضل المفاعلات الأحيائية المغلقة التي تقلل من مخاطر التلوث، ويقلل التحول إلى مكونات المفاعلات الأحيائية الوحيدة الاستخدام من القدرة على التكتل والتنظيف الجاف.
وأخيراً، فإن الديناميات البرمجية الحاسوبية - المتجانسة للسائل، والميكانيكيات الصلبة، ونمو حركية الخلايا - ستعجل عملية التصنيع البيولوجي على الوجه الأمثل، وذلك بالسماح بإجراء اختبارات افتراضية لمئات البارامترات قبل إجراء التجارب المادية، وقد تؤدي تصميمات المفاعلات البيولوجية المفتوحة المصدر والمنابر التعاونية إلى إضفاء الطابع الديمقراطي على إمكانية الوصول، مما يمكِّن المزيد من المختبرات من الإسهام في التقدم في هندسة الأنسجة المتحركة.
خاتمة
إن تصميم المفاعلات الأحيائية هو أمر أساسي لإنتاج الأنسجة الصنعية للطب الإبداعي، ومن خلال التحكم بعناية في البيئة الكيميائية الحيوية، والتحميل الميكانيكي، والنقل الجماعي، والممتلكات ذات العينات المحشوة، يمكن للباحثين أن يرشدوا الديدان إلى تكوين أنسجة قوية وشبه هيلينية، ويتجاوز تنوع أنواع المفاعلات الأحيائية - من البلازما الميكانيكية إلى معايير الضغط الهيدروليكية - المجاز، ولكن كل ابتكار يتطلب تطوية.
External references:]
- Vunjak-Novakovic, G., et al (2020). Intermittent compression enhances collagen organization in engineered cartilage.]
- Khan, I.M., et al. (2019). Hypoxic preconditioning improves integration of tissue-engineered cartilage.]
- Liaw, N.Y., et al. (2021). Adaptive bioreactor control using machine learning for cartilage tissue engineering.]
- O'Connell, G.D., et al. (2020). Perfusion bioreactor design for cartilage constructs: a review.]
- Mauck, R.L., et al. (2018). Mechanical conditioning and bioreactor strategies for function cartilage tissue engineering.]