Inteligentny bioreaktor wytwarza zaawansowane modele tkanki kostno-chrzęstnej
Uszkodzenia tkanki kostno-chrzęstnej, obejmujące zarówno chrząstkę, jak i znajdującą się pod nią kość, są niezwykle trudne w leczeniu. Wynika to z faktu, że obie tkanki charakteryzują zróżnicowane struktury, właściwości mechaniczne i środowiska biologiczne. Obecnie coraz większym obciążeniem stają się choroby zwyrodnieniowe, w tym choroba zwyrodnieniowa stawów, a możliwości i skuteczność konwencjonalnych metod leczenia pozostają ograniczone. Inżynieria tkankowa pozwala na wytwarzanie i badanie funkcjonalnych substytutów, jednak procesy te wiążą się z istotnym wyzwaniem, jakim jest odtwarzanie złożonych warunków fizycznych, które wpływają na rozwój tkanki wewnątrz stawu.
Odtwarzanie środowiska tkanki kostno-chrzęstnej
Zespół finansowanego ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) projektu SYNERGIES postawił sobie za cel wypełnienie tej luki dzięki opracowaniu zaawansowanej platformy badawczej zaprojektowanej z myślą o odtworzeniu kluczowych cech strukturalnych i biofizycznych naturalnego środowiska tkanki kostno-chrzęstnej. Aby to osiągnąć, naukowcy połączyli dwuwarstwowe rusztowania(odnośnik otworzy się w nowym oknie) uzyskane dzięki technice druku 3D z kontrolowaną stymulacją fizyczną specyficzną dla tkanki realizowaną dzięki specjalnie skonstruowanego w tym celu bioreaktora biomimetycznego. Zamiast traktować tkankę kostno-chrzęstną jako jednolitą strukturę, opracowana przez badaczy platforma rozdziela obszary kości i chrząstki na dwie komory. Dzięki temu każda z tych stref może otrzymywać odpowiednie pożywki różnicujące oraz stosowne bodźce fizyczne. „W ramach projektu SYNERGIES postanowiliśmy wyjść poza uproszczone modele statyczne i zbadaliśmy, w jaki sposób rozwijające się tkanki kostno-chrzęstne reagują na warunki bardziej zbliżone do fizjologicznych”, wyjaśnia Joao Silva, stypendysta działania i badacz.
Optymalizacja stymulacji dzięki modelowaniu i sztucznej inteligencji
Wsparcie dla platformy opierało się na modelowaniu wielofizycznym, które umożliwiło scharakteryzowanie szeregu parametrów, w tym przepływu płynów, obciążeń ścinających, ciśnienia, odkształceń oraz pól elektromagnetycznych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w komorze hodowlanej i otrzymanych konstruktach. Dzięki temu badacze określili zmiany parametrów symulacji w bioreaktorze, co pozwoliło zbadać ich wpływ na komórki. Uczenie maszynowe zostało połączone z architekturą sterowania w celu zestawienia wyników modelowania z danymi uzyskanymi dzięki doświadczeniom oraz optymalizacji warunków. Powstała w ten sposób platforma została zweryfikowana dzięki doświadczeniom obejmującym hodowlę komórek in vitro, która pozwoliła na optymalizację protokołów inżynierii tkanki kostno-chrzęstnej. Modułowy bioreaktor został wykonany z materiałów biokompatybilnych nadających się do sterylizacji w autoklawie. Rozwiązanie jest łatwe w obsłudze i zaprojektowane z myślą o zapewnieniu zgodności z wymogami w zakresie dobrych praktyk laboratoryjnych i produkcyjnych.
Opracowywanie lepszych modeli w celu badania chorób i leków
Poza badaniem procesu regeneracji tkanek platforma opracowana w ramach projektu SYNERGIES pozwala na tworzenie bardziej wiernych fizjologicznie modeli 3D tkanek ludzkich na potrzeby badania biologii i chorób tkanki kostno-chrzęstnej. Dzięki połączeniu komórek ludzkich, rusztowań biomimetycznych i kontrolowanych symulacji fizycznych, badacze mogą tworzyć modele tkanek zdrowych i chorych. Dzięki temu mogą modelować przebieg choroby zwyrodnieniowej stawów w powtarzalnych warunkach. Ponadto platforma może pomóc w odkrywaniu nowych leków poprzez identyfikację nieskutecznych lub potencjalnie szkodliwych kandydatów na wcześniejszym etapie prac, co może ograniczyć liczbę związków badanych z udziałem zwierząt. „Te modele są istotne nie tylko ze względu na regenerację tkanek. Odtwarzając oddziaływania zachodzące między kością a chrząstką w kontrolowanym środowisku zbliżonym do naturalnego możemy badać mechanizmy chorób i oceniać potencjalne metody leczenia w warunkach bardziej przypominających te panujące w ludzkim stawie”, podkreśla Diana Massai, kierowniczka projektu SYNERGIES. Ogólnym celem zespołu jest opracowanie niezawodnej i skalowalnej technologii opartej na platformie. W związku z tym konieczne są dalsze prace w celu potwierdzenia osiągów w dłuższym ujęciu czasowym, zbadania komórek pochodzących od pacjentów, a także normalizacji protokołów hodowli oraz dopracowania zagadnień dotyczących bezpieczeństwa, regulacji prawnych i kosztów. Istotnym elementem prac będzie także ochrona własności intelektualnej i współpraca z partnerami przemysłowymi oraz przedstawicielami sektora ochrony zdrowia.
