ТКАНЕВАЯ ИНЖЕНЕРИЯ КАК НАУКА О ЖИЗНИ В УСЛОВИЯХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С БИОРЕАКТОРНЫМИ СИСТЕМАМИ

ТКАНЕВАЯ ИНЖЕНЕРИЯ КАК НАУКА О ЖИЗНИ В УСЛОВИЯХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С БИОРЕАКТОРНЫМИ СИСТЕМАМИ

Дудаева Лиза Гивиевна

аспирант, Национальный исследовательский  ядерный университет «МИФИ»,

РФ, г. Москва

TISSUE ENGINEERING AS A SCIENCE OF LIFE IN CONDITIONS OF INTERACTION WITH BIOREACTOR SYSTEMS

Liza Dudaeva

Graduate student, national research nuclear university "MEPHI",

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Ключевой проблемой тканевой инженерии является последовательный и равномерный посев и культивирование клеток. Для интеграции выбранной сферы из теории в успешную практику недостаточно использовать согласованную и вымеренную линию биопечати органов, необходимо обеспечить качественное хранилище для сгруппированных в различные формы переноса клеток. Биореакторные системы, регулируя факторы окружающей среды и созревание тканевого каркаса, обеспечивают надежность и защиту печатных органов и являются мощным клиническим инструментом.

ABSTRACT

The key problem of tissue engineering is the consistent and uniform seeding and cultivation of cells. To integrate the chosen field from theory into successful practice, it is not enough to use a consistent and measured line of organ bioprinting, it is necessary to provide high-quality storage for cells grouped into various forms of transfer. Bioreactor systems, by regulating environmental factors and maturation of the tissue framework, ensure the reliability and protection of printed organs and are a powerful clinical tool.

Ключевые слова: тканевая инженерия, биореактор, биопечать, печать органов.

Keywords: tissue engineering, bioreactor, bioprinting, organ printing.

Тканевая инженерия была определена как применение принципов и методов инженерии и наук о жизни для разработки биологических заменителей, для восстановления, поддержания или улучшения функции тканей [1]. В одном из наиболее типичных подходов трехмерные структуры ткани создаются путем объединения клеток (аутологичных или аллогенных) с пористыми каркасами, которые обеспечивают шаблон для развития ткани и разрушаются или рассасываются с определенной скоростью.

Культивирование in vitro 3D конструкций клеточных каркасов в условиях, которые поддерживают эффективное питание клеток, возможно в сочетании с применением механических сил для управления клеточной активностью и фенотипом, что является важным шагом на пути к разработке функциональных трансплантатов для лечения утраченных или поврежденных частей тела (т.е. функциональной тканевой инженерии[2]). Конечная цель инженерии 3D-ткани in vitro не всегда позволяют создавать трансплантаты, но также могут давать неимплантируемые структуры, которые могут использоваться в качестве внешних устройств поддержки органов, когда совместимый донор не является легкодоступным [3].

Кроме того, сконструированные ткани могли бы обеспечить надежные модельные системы, способствующие фундаментальному пониманию структурно–функциональных взаимосвязей в нормальных и патологических состояниях, с возможным коммерческим применением в молекулярной терапии (например, скрининг лекарств) [1,4].

Создание 3D тканей ex vivo требует не только разработки новых биологических моделей (в отличие от тех, которые уже созданы для традиционных монослойных или микромассивных клеточных культур [5]).

Ключевой проблемой тканевой инженерии является последовательный и равномерный посев и культивирование клеток. [3,5] Шульте и др. [ 6] разработали комплексную систему для посева, кондиционирования и перфузии сосудистых клеток. Эта система была протестирована с полиуретановыми и коллагеновыми каркасами, фибробластами подкожной вены человека и эндотелиальными клетками.[7] Требования к конструкции биореакторов становятся все более зрелыми и обычно сосредоточены на гидромеханике и массопереносе: пример современного уровня техники приводится Mattei et al. [8]

В последнее время использование биореакторов начало развиваться[9], появились некоторые общие конфигурации и появляется рациональная конструкция биореактора[10]. Эти подходы повышают согласованность и надежность и позволяют инженерам тканей выполнять проектирование и моделирование, чтобы обеспечить надежные клинические и производственные инструменты. Перфузионные биореакторы являются распространенной конфигурацией для тканевой инженерии. Донато и др. [ 11] разработали математическую модель[12], позволяющую оптимизировать полые цилиндрические конструкции, а также направление и величину перфузионного потока для обеспечения оксигенации клеток[13] и культивирования. Модель реакции-диффузии для транспорта и поглощения питательных веществ тканевыми конструкциями описана Aristotelous et al. [ 14 ].

Дальнейшее развитие произошло благодаря инновациям в биореакторах и их системах для улучшения культуры клеток и тканей [15], внедрения трехмерной архитектуры в зарождающиеся ткани и стимуляции клеток и тканей внешними стрессами. Наинг и др. [ 16 ] иллюстрируют эту тему в своей работе, где многоосевой биореактор использовался для механической стимуляции дермальных фибробластов человека в коллагеновых каркасах для имитации поведения in vivo . Использование таких биореакторов [17] многообещающе, но ключевой задачей является оптимизация стимулов и условий работы.

Существует благотворный цикл развития[18] и эволюции [19] биореактора. По мере того, как исследователи открывают новые области применения биореакторов или разрабатывают новые типы реакторов для исследований, они впоследствии увидят необходимость модификации, что приведет к более количественному пониманию, которое поможет в проектировании и производстве.[20]

В заключение, биореакторы перестали быть просто альтернативой [5] обычным культурам клеток; их используют исключительно для стимуляции и дифференцировки клеток или для кондиционирования тканей. Информация об актуальных исследованиях являются примером того, как эта область движется вперед, и дает некоторое представление о том, где биореакторы в регенеративной медицине будут расположены в будущем.

Автор выражает благодарность научному руководителю, Миронову В.А., за предоставление материалов для изучения сферы биомедицины.

Список литературы:

1. Mironov, Vladimir & Kasyanov, Vladimir & Drake, Christopher & Markwald, Roger. (2008). Organ printing: Promises and challenges. Regenerative medicine. 3. 93-103. 10.2217/17460751.3.1.93.
2. Martin, I., Wendt, D., & Heberer, M. (2004). The role of bioreactors in tissue engineering. Trends in Biotechnology, 22(2), 80–86. doi:10.1016/j.tibtech.2003.12.001 10.1016/j.tibtech.2003.12.001
3. Mazariegos, G.V. et al. (2002) First clinical use of a novel bioartificial liver support system (BLSS). Am. J. Transplant. 2, 260–266
4.  Griffith, L.G. and Naughton, G. (2002) Tissue engineering – current challenges and expanding opportunities. Science 295, 1009–1014
5. Chaudhuri, Julian B. 2015. "Special Issue: Design of Bioreactor Systems for Tissue Engineering" Processes 3, no. 1: 46-49. https://doi.org/10.3390/pr3010046
6. Schulte, J.; Friedrich, A.; Hollweck, T.; König, F.; Eblenkamp, M.; Beiras-Fernandez, A.; Fano, C.; Hagl, C.; Akra, B. A Novel Seeding and Conditioning Bioreactor for Vascular Tissue Engineering. Processes 2014, 2, 526–547.  
7. Kehoe, D.E.; Jing, D.; Lock, L.T.; Tzanakakis, E.S. Scalable stirred-suspension bioreactor culture of human pluripotent stem cells. Tissue Eng. Part A 2010, 16, 405–421.   [CrossRef] [PubMed]
8. Mattei, G.; Giusti, S.; Ahluwalia, A. Design Criteria for Generating Physiologically Relevant In Vitro Models in Bioreactors. Processes 2014, 2, 548–569.  
9. Hennig, J.; Drescher, P.; Riedl, C.; Schieker, M.; Seitz, H. A Novel Cell Seeding Chamber for Tissue Engineering and Regenerative Medicine. Processes 2014, 2, 361–370.  
10. Ismadi, M.-Z.; Hourigan, K.; Fouras, A. Experimental Characterisation of Fluid Mechanics in a Spinner Flask Bioreactor. Processes 2014, 2, 753–772.  
11. Donato, D.; Napoli, I.E.D.; Catapano, G. Model-Based Optimization of Scaffold Geometry and Operating Conditions of Radial Flow Packed-Bed Bioreactors for Therapeutic Applications. Processes 2014, 2, 34–57.  
12. Sladkova, M.; de Peppo, G.M. Bioreactor Systems for Human Bone Tissue Engineering. Processes 2014, 2, 494–525.  
13. Kabiri, M.; Lott, W.B.; Kabiri, E.; Russell, P.J.; Doran, M.R. In Vitro Assessment of Migratory Behavior of Two Cell Populations in a Simple Multichannel Microdevice. Processes 2013, 1, 349–359.  
14. Aristotelous, A.C.; Haider, M.A. Evaluation of Diffusive Transport and Cellular Uptake of Nutrients in Tissue Engineered Constructs Using a Hybrid Discrete Mathematical Model. Processes 2014, 2, 333–344.  
15. Klemuk, S.A.; Vigmostad, S.; Endapally, K.; Wagner, A.P.; Titze, I.R. A Multiwell Disc Appliance Used to Deliver Quantifiable Accelerations and Shear Stresses at Sonic Frequencies. Processes 2014, 2, 71–88.  
16. Naing, M.W.; Liu, Y.; Sebastine, I.; Dingmann, D.; Williams, C.; Williams, D.J. Design and Validation of a Physiologically-Adapted Bioreactor for Tissue Engineering of the Nucleus Pulposus. Processes 2014, 2, 1–11.  
17. Papantoniou, I.; Sonnaert, M.; Lambrechts, T.; Aerts, J.-M.; Geris, L.; Luyten, F.P.; Schrooten, J. Analysis of Gene Expression Signatures for Osteogenic 3D Perfusion-Bioreactor Cell Cultures Based on a Multifactorial DoE Approach. Processes 2014, 2, 639–657.  
18. Gilbert, E.; Mosher, M.; Gottipati, A.; Elder, S. A Novel Through-Thickness Perfusion Bioreactor for the Generation of Scaffold-Free Tissue Engineered Cartilage. Processes 2014, 2, 658–674.  
19. Laurent, C.P.; Vaquette, C.; Martin, C.; Guedon, E.; Wu, X.; Delconte, A.; Dumas, D.; Hupont, S.; Isla, N.D.; Rahouadj, R.; Wang, X. Towards a Tissue-Engineered Ligament: Design and Preliminary Evaluation of a Dedicated Multi-Chamber Tension-Torsion Bioreactor. Processes 2014, 2, 167–179.  
20. Goodhart, J.M.; Cooper, J.O.; Smith, R.A.; Williams, J.L.; Haggard, W.O.; Bumgardner, J.D. Design and Validation of a Cyclic Strain Bioreactor to Condition Spatially-Selective Scaffolds in Dual Strain Regimes. Processes 2014, 2, 345–360.