עיצוב ביו-רקטור אופטימיזציה עבור התבגרת רקמות כלי דם

התפקיד המרכזי של Bioreactors בפיתוח וחילוניות

הנדסת רקמות וסילקונית שואפת לייצר תחליף כלי דם יציבים, מכנית חזקים עבור יישומים כגון עורק כלילית עורקים עקפה מעמיס, תיקון פולשני היקפי, וגישה אמנותית עבור hemodialysis. בעוד עיצוב הפיגום ו- סלק תאים מקבל תשומת לב משמעותית, הסביבה הביולוגית שבה מבנים אלה קובעים אם הגרף הסופי עומד בדרישות המחמירה עבור השתלת תאים כימיים יותר מאשר פלטפורמת קירור תאים כימיים.

המורכבות של התבגרות רקמות פולשנית דורש כי bioreactors לשחזר היבטים מרכזיים של הסביבה הירודינמית הילידים. כלי דם ב vivo ניסיון לחץ pulsatile, circumferential למתוח, ואת הלחץ luminal Shear מן הדם זורם דם.כוחות מכניים אלה להסדיר את פנוטיפ תאים קצה, חוזה תא חלק, ואת הארגון של סיבי קולגן וסיבים אלקטרוליטיים אחרים חייב להיות לחץ דם בינוני.

החוקרים פיתחו מגוון של עיצובים ביולוגיים, החל ממערכות תרבות סטטית פשוטות ועד מערכות היירוז מתוחכמת עם גירוי משוב פעיל שליטה.האבולוציה של מערכות אלה משקפת הבנה גוברת של mechanobiology של פיתוח פולשני.תרבויות סטטיות מוקדמות הפיקו רקמות דקות, חלשות מבחינה מכנית כי תחבורה דיפוזיה לבד לא יכולה לתמוך בדרישות המטבוליות של מבנה עבה, אלא גם היא סיפקה תאים CMreicיים מתוחכמות של תאים חנקן משולבות.

מטרת המאמר הזה היא לבחון את הגורמים המרכזיים המניעים אופטימיזציה ביולוגית עבור התבגרות רקמות פולשנית, לדון פתרונות הנדסיים חדשניים אשר הופיעו בשנים האחרונות, לזהות את המכשולים הנותרים שיש להתגבר עליהם כדי לתרגם טכנולוגיות אלה מספסל המעבדה לחבילה כירורגית.הדיון יתמקד בדינמיקה, טעינה מכנית, חמצן ותזונה, בחירה חומרית, ושילוב של מערכות ניטור ואוטומציה.

פרמטרים קריטיים עבור אופטימיזציה ביולוגית

כל מערכת ביולוגית חייבת לאזן דרישות מתחרות: לספק גירוי מכני מספיק כדי לקדם הזדווג תוך הימנעות נזק לרקמות המתפתחות; לספק חמצן וחומרים מזינים ביעילות תוך שמירה על סביבה דינמית נוזלית אחידה; ולהבטיח סטריליות תוך מתן אפשרות להתאמה חוזרת והתאמה.התתתת להלן מפרטת את הפרמטרים הדורשים אופטימיזציה זהירה.

Flow Dynamics and Shear Stress

משטר הזרימה בתוך ביולוגיה פולשנית משפיע ישירות על הישרדות תאים אנדואלי, היישור, ותפקוד מחסום. Laminar לזרום עם מתח הרהר מבוקר בטווח הפיזיולוגי (10–20 דינמי / ס"מ עבור אנדוריום arterial endotium) מקדם quiescent, atheroprotective endotal phenocm. Turbulent זרימה או גבוה מדי שהיא עלולה לגרום ללחץ אפילפטימי, או הפרעה נמוכה, כלומר, אפקט, יעיל יותר, הוא מוביל phetial phemin, או phereic phemin, phereic phential phenaric phenar.

אופטימיזציה של דינמיקת זרימת דורש תשומת לב לאגור וגיאומטריה החוצה, השימוש של מפיץ זרימה או diffusers, ואת חיסול אזורי stagnation שבו מוצרי פסולת יכולים לצבור. סימולציה נוזל Computational נוזל (CFD) הפכו כלים חיוניים לחיזוי פיזור הרזה בתוך המבנה lumen וברחבי הקיר שלה.

זרימת Pulsatile, עם תדירות להתאים את אתר כלי היעד (בדרך כלל 1-2 הרץ עבור יישומים אמנותיים), משפר עוד פונקציה אנדהליבית וארגון ECM. צורת הגלפור - גירוי סינתטי, דעיולי, דעיכה דיאסטולית, ואת הלחץ הדופק amplitude - ניתן לכוון כדי לשכפל או תנאי אווירי.

מתח מכני Cyclic

תאים שרירים חלקיים בשכבה החציונית נחשפים למתוח circumferential מחזורי במהלך כל מחזור לב.טעינה מכנית זו גורמת מסלולים אותות intracell כי לווסת התפשטות תאים, היערכות, ו סינתזה ECM. ב bioreactors, מחזורי הוא בדרך כלל על ידי נפח של מעצמה פנימית או על ידי לחיצה על ידי שטף של המבנה lumen של ה- 15% (לעיתים קרובות) עשוי להיות מודגש על ידי ירידה באופן זמני של ההיקף של ה- 15%).

אופטימיזציה של פרמטרים מתיחה כוללת תדירות, amplitude, מחזור חובה, ומשך ליום. מחקרים הראו כי מתיחה רציפה היא פחות יעילה מאשר מתיחה לסירוגין, עם תקופות של מנוחה המאפשרת ECM reמודלing ומניעת exhaustion תאים.הכיוון של למתוח גם נושאים: מתוחה בלתי-שיוויאלית מקדם היערכות קבועה ציר של מתח, בעוד biaal או multiaal מחקה מקרוב את התכונות של זמן רב יותר פעיל יותר משמש רקמות מכנית זמן יעיל יותר.

חמצן ואספקה תזונתית

רקמות vascular מונדסות, במיוחד אלה של עובי קליני רלוונטי (>1 מ"מ), סובלים ממשלוח חמצן מוגבל דיפוזיה.ללא היתוך פעיל, ריכוז חמצן טיפות לרמות היפותקסיות בתוך כמה מאות מיקרומטר של פני השטח. Hypoxia גורם למוות תאים, fibrosis, או aberrant ECMreas חייב לספק חמצן לא רק כדי luminal לתוך פני השטח.

אופטימיזציה של חמצן כרוך איזון מתח חמצן בינוני עם שיעור הצריכה של התאים. Hyperoxia (יותר מדי חמצן גבוה) יכול לייצר מינים חמצן תגובתי תאי נזק, בעוד hypoxia פוגעת חילוף החומרים. ערכים מטרה טיפוסי טווח בין 40 ל 120 מ"מ כספית עבור לחץ חלקי של חמצן במדיום ליד תאים.

משלוח תזונתי, במיוחד גלוקוז וחומצות אמינו, הוא בשילוב הדוק למחזור ותדירות חליפין בינונית. רצף עם מדיום טרי הוא עליון על האכלה אצווה כי הוא שומר ריכוזים metabolite יציבים ומסיר מוצרי פסולת מעכב כגון lactate ו ammonia. את ההרכב המדיום יכול גם להתאים לאורך זמן כדי לשקף את הצרכים המטבוליים של רקמת הזדו.

בחירת חומרים עבור Bioreactor Components

החומרים המשמשים לבניית תא הביולוגי, צ'קוזי, מחברים וחיישנים חייבים להיות ביו-תואמים, לא-cytotoxic, ומסוגלים לעמוד במחזורי סטריליזציה חוזרים (יצירת קשר, תחמוצת אגרה, או gamma irradiation) פוליסופסון, פוליקרבונט, וסיליקון רפואי הם אפשרויות נפוצות עבור רכיבים קשיחים, בעוד elastomlastic משמשים עבור משטחים גמישים כי צריך להיות מכווץ microhecericial.

עבור הספג עצמו, חומרים נעים פולימרים טבעיים (collagen, fibrin, decellized ECM) לפולימרים ביו-דידת סינתטית (חומצה פוליפטרולקטונה, פוליקוקטונה, פוליאוריטאן) הממשק בין רכיבי ה-Dreactor האחרונים חייב להיות דליפה ללא לחץ.עיצובים רבים משתמשים ב- Ocaprolactone, או גזים מותאמים אישית, כגון חומרים רגישים ל-דלקתיים, או חומרים כימיים אחרים, בעודם, עשויים להיות מסוגלות לשימוש ב-סגולהחומרים אחרים.

שינויים על פני השטח עם heparin או ציפוי ביואקטיבי אחר יכול להפחית את הירוגניות אם המעגל הביולוגי כולל דם או פלזמה. עם זאת, עבור רוב יישומי vitro, ציפויים פשוטים שאינם ממקדימים כמו פולי(אתילן גליקול) מספיקים כדי למנוע מודעות חלבון לא ספציפיות ולשמור על סביבה נקייה.

▪ תצורה מתקדמת של תצורה של סגסוגת Vcular Tissue Maturation

הדור הראשון של ביולוגיים פולשניים השתמש בעיצוב צינור פשוט-in-shell שבו הספיפר היה יכול לארוך בשני הקצוות ומקושר למשאבה peristaltic. בעוד יעיל עבור הוכחת תאימות בסיסית, מערכות אלה לא היו מסוגלים ליישם טעינה מכנית מבוקרת או לפקח על התפתחות רקמות ללא פולשנית במהלך העשור האחרון, מגוון של תצורה מתקדמת הופיעו, תוכנן לכל כתובת ספציפית.

מערכות פיזור כפול

bioreactors אלה מפרידים את שבילי זרימה שופעת וסמימי, המאפשר שליטה עצמאית של מתח Shear על קצהלוליום ואספקה תזונתית לשכבות החצי-מין וההתראות. בעיצוב טיפוסי, המבנה מושעה בין שני תאים: החדר הפנימי עובר דרך lumen, בעוד החדר החיצוני ממבט על פני השטח החיצוני, זה מאפשר שימוש של אמצעי תקשורת שונים עבור תערובת כפולה של תאים חלקלקים, ללא תא החיתול.

אופטימיזציה של מערכות כאלה מתמקדת איזון שערי זרימת בין תאים כדי למנוע ⁇ לחץ שיכול לקרוס או לבטל את הקיר כלי השיט.שינוי לחץ טרנספורמטיבי יכול להיות מוגדר לערך הרצוי (למשל, 80-120 מ"מ כספית עבור מיזוג אמנותי) על ידי התאמת גבהים יחסי של אינלט ומחסומי חוץ או באמצעות משאבות עצמאיות עם לחץ כפול-חלוקה גם על ידי שיטות דינמיקה של תאים ננו-חומריים.

Multi-Construct and High- Throughput Bioreactors

בעוד השדה נע לכיוון התרגום הקליני, היכולת לייצר מספר רב של grafts בו זמנית הופכת קריטית. high-באמצעות חישוב ביולוגיים מערך מספר מבנים במקביל, כל אחד עם שליטה זרימה עצמאית או משותפת. המערכות הללו להפחית את יכולת על ידי הכפלת כל המבנים לאותו תנאים סביבתיים, ומאפשר השוואות ישירות של פיגומים שונים, מקורות תאים, או פרוטוקולים רב-קוניים.

במסגרת המחקר, הנדסת ביולוגיים מיני-אורונד (נקראים גם "מערכות אורגניות על-a-chip") פותחו עבור בדיקות סמים ומחקרים מכניסטים.המכשירים המיקרו-השפעהיים האלה משתמשים ב-Lthography רכות כדי ליצור ערוצים עם ממדים דומים ליצירות אמנות קטנות. בעוד שלא נועדו לייצר grastable gras, הם מאפשרים שליטה מדויקת של זרימה, מתוחה, חמצן ו ⁇ בתבנית תואמים עם חומרת גבוהה של מערכות הדמיה של פורמטים של פורמטים של פורמטים של פורמטים.

Bioreactors with Integrated Mechanical Testing

באופן מסורתי, תכונות מכניות של הכלי המהנדס הוערכו רק בסוף התרבות, הדורשות בדיקות הרסניות.עיצובי ביולוגי ניור משלבים חיישנים ומבצעים המאפשרים הערכה מכנית לא הרסנית במהלך ההתבגרות.לדוגמה, חיישן לחץ יכול להקליט את הלחץ lumen בעוד קוטר מצלמה עוקב שינויים, המאפשר חישוב של עמידה, לחץ, ופרמטרים מולקולטיים אלה ניתן להשתמש כדי להתאים את המצבים בפועל, הוא לחץ, הוא יותר מדי, כדי להזיז את התרבות.

כמה מערכות משתמשות באולטרסאונד או קוהרנטיות אופטית (OCT) כדי לצלם את עובי הקיר של הספינה, סיכה, וארגון ECM במספר נקודות זמן. integraing אלה שיטות הדמיה לתוך הביולוגי נשאר מאתגר מבחינה טכנית בשל פריטים בתנועה והצורך ממשקי סטרילי, אבל אבטיפוס הוכיחו תאימות.

מעקב בזמן אמת ובקרת משוב

אופטימיזציה של תנאי ביולוגיה אפשרית רק אם ניתן למדוד פרמטרים מרכזיים מבלי להפריע לתרבות. המסורתית מחוץ לקו מקוון דגימה (למשל, משיכת אמצעי גלוקוז וניתוח לקטט) מספקת רק תמונה ויכולה להציג סיכון זיהום. טכנולוגיות ניטור בזמן אמת התקדמו במהירות והשתלבות בביולוגיקה פולשנית כדי לאפשר שליטה סגורה.

חיישנים אופטיים משובצים בתא הביולוגי יכולים למדוד pH, לפזר חמצן, וטמפרטורה דרך חלונות שקוף ללא מגע ישיר עם חיישני חמצן סיבים אופטיים, למשל, מבוססים על ריצוף פלואורשן ויכולים לעמוד בפני סטריליזציה חוזרת. חיישנים אלקטרוכימיים לגלוקוז ולקטט ניתן להציב את התצורה שלהם כדי להתאים את קצב זרימת הדם או הקומפוזיציה בינונית.

אלגוריתמים של בקרת משוב נעים בין מובנים פשוטים - אינטגראליים-דרטיביים (PID) המקיפים נקודה קבועה לבקרים מתקדמים יותר במודל-קדם-משפטיים שצופים את הצרכים העתידיים המבוססים על האבולוציה של תכונות הרקמות. לדוגמה, אם שיעור צריכת החמצן (החליש מהבדל בין הזריחה לבין מתח החמצן) מתחיל לרדת, הבקר יכול להגדיל את קצב זרימת החמצן או המתח כדי למנוע גישות למידה מוצלחות.

השילוב של ניטור בזמן אמת מציג אתגרים בניהול נתונים ועיבוד אותות.ביולוגיים לייצר כמויות גדולות של נתונים רצופים שיש לאחסן, לנתח, ולתאם עם איכות רקמות סופית.ביולוגיים המחוברים לענן המאפשרים ניטור מרחוק והתאמה נתונים הופכים נפוצים במעבדות מחקר, ומערכות דומות עשויות להיות חיוניות לייצור קליני תחת נהלי ייצור טובים (GMP).

« « « « עריכת קוד מקור | עריכה »

מעבר מביולוגי מעבדה בקנה מידה מערכות ייצור לשימוש קליני דורש התייחסות מספר נושאים מעשיים. ראשית, הביולוגי חייב להיות תואם לדרישות GMP, כולל חומרים שניתן לאמת עבור סטריליות, עקביות רבה עד-לוט, ועקביות. דיסקטור חייב להיות תואם לדרישות GMP ותאים) להפחית את הסיכון של מעבר לדלקת, אשר יש לפשט את אישורי המערכת לניהול עקבית, יש צורך למזער את התכונות של תפקודן של אוטומציה עקבית.

שלישית, הביולוגי חייב להכיל ממדים שונים של כלי שיט ואורך, שכן הצרכים הקליניים משתנים מן הטרמפטים הכליליים (3-4 מ"מ קוטר, 10-20 ס"מ אורך) ל aortas (>2 ס"מ) עיצובים מודולריים המאפשרים תאים ניתנים לשינוי ו Cannulas הם יתרון.רביעי, הביולוגי חייב לתמוך בתרבות ארוכת טווח (4–12 שבועות) עם תחזוקה מינימלית, משאבות, וחיישנים חיוניים עשויים להיות סחף כמו מערכות לא הכרחיים או לא להיות לנטרל את התרבות הקריטית.

שיקולים רגולטוריים גם משפיעים על עיצוב ביולוגי.הממשל האמריקאי למזון ותרופות (FDA) וסוכנות התרופות האירופית (EMA) מצפים כי הסביבה הביולוגית תהיה מתורבתת היטב וכי כל שינוי בתהליך יוגדר כדי להבטיח איכות המוצר.ביולוגיים שונים המשלבים רכיבים בעלי חיים (למשל, סחף עוברי) פנים נוספות כי הם בעלי דרישות של תאים חשמליים וחמצן מפותחים תחת דרישות שאינן קשורות לנגיפים.

לבסוף, העלות של מערכת הביולוגיה חייבת להיות מוצדקת על ידי התועלת הקלינית.בעוד שהמערכות הנוכחיות יקרות (עשרות אלפי דולרים ליחידה), ייצור בקנה מידה והשימוש של רכיבים מודפסים 3D עשוי להפחית עלויות.ביטוח עבור רקמות המופעלות על ידי vasineerated vascular gras עדיין לא הוקמה, אבל אימוץ מוקדם עשוי להיות מוכן לשלם פרמיה עבור גרגרים כי גניבת סיבוכים סינתטיים.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

תחום העיצוב הביולוגי להנדסת רקמות פולשנית מתפתח במהירות.כמה טכנולוגיות מתפתחות מבטיחות לייעל עוד יותר את התבגרות רקמות ולהאיץ את התרגום הקליני.

(FLT:0 Organ-on-a-chip ומערכות מיקרופיזיולוגיות FLT:1 משמשים יותר ויותר למסך עבור תנאי תרבות אופטימליים לפני המעבר ל bioreactors בקנה מידה מלא. ⁇ אלה יכולים לשכפל את הממשק המורכב של סוגים מרובים תאים, זרימה, ומחזורי בתבנית מופחתת.

(FLT:0) Bioreactor חישובי מודלים של מודלingFIRLT:1) הוא תחום אחר של צמיחה. מודלים של Multiphysics כי שתי דינמיקות נוזליות, תחבורה המונית, ומכאניולוגיה יכול לחזות תוצאות פיתוח רקמות בהתבסס על תנאים ראשוניים, מודלים כאלה יכולים להפחית את מספר הניסויים הדרושים לאופטימיזציה ויכולים לשמש לתכנון פרוטוקולים תרבותיים ספציפיים לחולה.

(FLT:0) חיישנים ללא פשרות וסולסוליים 1 (Wirelessחיישנים) מפותחים כדי לפקח על פרמטרים בתוך הביולוגי ללא צורך במחברים פיזיים, שהם נקודות כניסה פוטנציאליות עבור זיהום.מופעל על ידי הפיכה אינדוקטיבית או גלי קול, חיישנים אלה יכולים לשדר נתונים על טמפרטורה, pH, לחץ ואפילו מטבוליזם באמצעות פלואורד.

(FLT:0) השימוש בתא גזע בשפע (iPSC)-derived תאים vascularFLT:1 צובר תאוצה, bioreactors חייב להיות מותאם כדי לתמוך את ההבשלה של תאים אלה, אשר לעתים קרובות דורש גורמי צמיחה שונים רמזים מכניים מאשר תאים ראשוניים. iPSC-derivedשרירים חלק, לדוגמה, עשוי להיות יותר פלסטיק ודורשים דפוסים ממושכים עם פרוטוקולים ספציפיים כדי להשיג.

לבסוף, (FLT:0) הדפסה ותוספים ייצור של ההרחבה 1 (FLT:1) משולבים עם תרבות ביולוגי ליצור גרפטים ספציפיים של המטופל. a scaffold ניתן להדפיס עם גיאומטריה מדויקת מיקום התא, ולאחר מכן מועבר מיד לביולוגי עבור הזדווגות. חלק מהמעבדות משולבים מערכות שבו הביוגרף והביולוגי נמצאים יחד, מיני בין זמן הדפסה מוקדם של זמן הדפסה הוא להפחית את הנזקים מוקדם של זמן הדפסה.

(ב) מקורות חיצוניים לקריאה נוספת כוללים סקירה מקיפה על עיצוב ביולוגי ב-FLT:0 (Trends in Biotechnologyph 1 (זמין באמצעות FLT:2DOI LinkigtureFLT:3), מדריך מעשי לפיתוח ביו-לוגיהפיוס מ-FLT:4Journal of Visualized ExperimentsFLT5 (ראה 6FVEFVE) ו-Journal of the Directdatored Products (N)

אופטימיזציה של עיצוב ביולוגי היא מאמץ רב תחומי המשלב הנדסה, ביולוגיה תאים, וחומרים מדע.כל פרמטר - מן הגיאומטריה של נתיב זרימה לאלגוריתם השולטת מחזורי - חייב להיות מכוון לדרישות ספציפיות של הרקמה להיות גדל.למרות אתגרים נשארים בדרג, שיפור הגמישות, אישור רגולטורי, התקדמות שנעשתה על פני שני העשורים האחרונים מספק ראיות חזקות כי אופטימיזציה ביולוגית יהיה קרוב יותר של מערכות הרגעה מעגלית של גניבת תאים, עם סימולציה של סימולציה של מערכות הנדסה אמיתית, עם סימולציה, שיפור סימולציה של חיישנים, עם סימולציה של מנגנונים מתקדמים, עם סימולציה, עם סימולציה, עם סימולציה, עם סימולציה של מנגנונים מתקדמים סימולציה של סימולציה של סימולציה, עם הנדסת חשמל, עם מנגנונים מתקדמים, עם סימולציה, עם מנגנונים מתקדמים, עם מנגנונים מתקדמים, עם מנגנונים מתקדמים, עם סימולציה, עם מנגנונים מתקדמים, עם מנגנוני סימולציה של סימולציה, עם סימולציה, עם סימולציה, עם מנגנונים מתקדמים, עם מנגנונים מתקדמים, עם סימולציה של הנדסת חשמלאיים, עם מנגנונים מתקדמים, עם סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה, שיפור מנגנוני מנגנוני סימולציה