Математическая морфология.
Электронный математический и
медико-биологический журнал. - Т. 12. -
Вып. 2. - 2013. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-38-html/TITL-38.htm
УДК 57.089.001.66
ОТ МОДЕЛИРОВАНИЯ АНГИОГЕНЕЗА
in vitro К СОЗДАНИЮ ИСКУССТВЕННЫХ
БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ
САМОРАЗВИВАЮЩИХСЯ КАПИЛЛЯРНЫХ СЕТЕЙ
Материалы, направленные на IV Съезд
Российского общества
патологоанатомов
(Белгород, 4-7 июня 2013 г.)
Ó
2013 г. 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.
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.
Исследование выполнено при поддержке
Российского фонда фундаментальных исследований
(Проекты РФФИ №94-04-13544 и №96-04-50991).
ГБОУ ВПО «Смоленская государственная
медицинская академия»
Минздрава России
Филиал ФГБОУ ВПО «Национальный
исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске
Поступила в редакцию 26.05.2013.