Группа исследователей из Технологического института Нью-Джерси (NJIT) в Ньюарке, штат Нью-Джерси, в сотрудничестве со своими коллегами из Университета Оклахомы (OU) в Нормане, штат Оклахома, продемонстрировали новый подход к моделированию на основе изображений, состоящий из инженерии костной ткани ( BTE) эксперименты, сканирование образцов с помощью микрокомпьютерной томографии (? CT), сегментация изображения «виртуальная гистология» и гидродинамика методом решетчатого Больцмана (LBM), которые позволяют получить реалистичное моделирование каркасов BTE, культивируемых в проточных перфузионных биореакторах. Понимание взаимосвязи между параметрами изготовления каркасов, условиями культивирования и клеточной биологией внутри конструкции необходимо для перехода регенеративной медицины в клинические условия. Хотя ранее предпринимались попытки моделирования культур искусственных тканей, они были ограничены чрезмерно упрощенными допущениями, такими как равномерное покрытие поверхности каркаса клетками / тканями монослоем и идеализированная геометрия каркасов.
С другой стороны, эта новая и масштабируемая технология может позволить исследователям учитывать реалистичные архитектурные неидеальности, присущие каркасам тканевой инженерии; а также на наличие в их порах клеток / тканей. Дополнительным преимуществом нашего метода является то, что он позволяет коррелировать поведение клеток и рост тканей с физикой потока, происходящей в сложных трехмерных микросредах каркаса.
Более того, такие отношения можно отслеживать с течением времени с помощью моделирования, основанного на неразрушающем повторном сканировании. Отчет опубликован в декабрьском выпуске журнала TECHNOLOGY за 2016 год.«Используя преимущества точной пространственно-временной информации, предоставляемой с помощью микро-компьютерной томографии высокого разрешения, этот подход открывает двери для преобразования компьютерной инженерии тканей, которая традиционно выполняется на основе виртуальных чертежей каркасов и очень мало нет перекрестной проверки с экспериментом », — говорит доктор философии профессор Роман Воронов.
Технологического института Нью-Джерси и главный исследователь статьи. Рукопись предлагает «рецепт» технологии, которая стала кульминацией более чем десятилетнего труда команды, работавшей над проблемой моделирования заушных слуховых аппаратов. В то время как аспект визуализации их подхода предлагает беспрецедентную способность обнаруживать и различать отдельные клетки, мягкие ткани и кальцификацию, встроенные в каркас, LBM выбран из-за его способности обрабатывать крупномасштабные модели (например, полученные в результате субмикронного моделирования). здесь показано разрешение вокселей) и сложные граничные условия, типичные для заушных каркасов.
И хотя представленные результаты предназначены только для подтверждения концепции, продемонстрированная технология не ограничивается размером выборки, поскольку ее алгоритмы полностью распараллеливаются для суперкомпьютеров.Таким образом, можно легко перейти к моделям с полным каркасом, с единственным физическим ограничением, которое является камерой для образцов микро-КТ.
Однако они обычно намного больше, чем строительные леса.«Более того, в случае, если повторное сканирование невозможно или нежелательно, количество необходимых сканирований можно свести к минимуму путем простого вычитания любого биологического вещества из конечного изображения полностью культивированных каркасов. Это поможет оценить исходная геометрия до засева клеток », — сказал Тасин Алам из NJIT, первый автор статьи. Как только это будет сделано, картины потока жидкости, установленные в исходном пустом каркасе, можно сопоставить с ростом ткани, наблюдаемым на изображении конечной точки.
Наконец, поскольку результаты расчета накладываются на экспериментальные изображения в 3D, сам метод служит прямым сравнением с экспериментом. И любая корреляция, полученная в результате моделирования на основе изображений, может быть впоследствии протестирована путем попыток прогнозирования в выборках, ранее не обнаруженных кодом.
В настоящее время команда работает над дальнейшим расширением технологии за счет включения молекулярного транспорта, который редко моделируется обычными моделями. Например, распределение O2 и питательных веществ / отходов внутри каркаса, перенос побочных продуктов деградации каркаса, кислотная природа которых может быть вредной для клеток, и молекулярные сигналы между клетками — все это может быть учтено с использованием одного и того же подхода на основе изображений. Таким образом можно получить более полную картину поведения клеток в сложных микросредах.
И, наконец, применение этой технологии для управления культурами заушных клеток с помощью компьютера в режиме реального времени и по замкнутому циклу представляет собой захватывающее новое направление для коммерческого использования искусственно выращенных тканей и органов в условиях больницы.