Работа посвящена созданию технологии и специального оборудования для культивирования самопроизвольно развивающихся функционирующих эндотелиальных капиллярных сетей in vitro – базовой основы искусственных тканеподобных образований с заданными биологическими свойствами, и является научно-инженерным продолжением проектов РФФИ №94-04-13544 «Структурный анализ микрососудистых бифуркаций» и №96-04-50991 «Клеточная и тканевая инженерия эндотелия (формирование в культуре эндотелия in vitro функционирующих саморазвивающихся капиллярных сетей)». Предлагаемая технология, позволяет формировать объёмные эндотелиальные капиллярные сети вокруг микрофлюидных матриц, погружённых в специально сконструированный динамический гель. В 2013 году корейской исследовательской группой под руководством Noo Li Jeon удалось, применяя близ-кий подход, воспроизвести феномен функционирующих саморазвивающихся эндотелиальных капиллярных сетей с массопереносом in vitro, что полностью подтвердило правильность концепции, изложенной в вышеуказанных проектах. С использованием системы математического моделирования Matlab&Simulink и системы инженерного проектирования Cadence Orcad разработана имитационная математическая модель и принципиальные электрические схемы модулей экспериментального реактора, что позволило сэкономить значительные финансовые средства, выделяемые на НИОКР такого рода. Полученная модель содержит 5,4 млн. базовых блоков Simulink и выполняет более 7 000 различных математических функций, отражая поведение устройства в стационарных и нестационарных условиях. Управление устройством реализовано на основе нейросетевой технологии. Портативная автономная микромашинная кибернетическая платформа включает микрофлюидную матрицу, генераторы микропотоков жидкой фазы питательной среды, систем жизнеобеспечения эндотелиальной культуры, системы автоматической цифровой визуализации процесса ангиогенеза, систему передачи шифрованных данных по защищённому радиоканалу, цифровые системы управления. Все системы многократно резервированы, что позволяет изделию функционировать в автономном режиме в течении длительного времени (до года и более).
эндотелиальные капиллярные сети in vitro, микрофлюидные чипы, аппаратная платформа, микропотоки
1. Глотов В.А. Клеточная и тканевая инженерия эндотелия формирование в культуре эндотелия in vitro функционирующих саморазвивающихся капиллярных сетей. Экспериментальные подходы // Математическая морфология. Электронный математический и медико-биологический журнал. 1997. Т. 2, Вып. 1. URL: http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-2-html/3.htm
2. Глотов В.А. Перспективы получения саморазвивающихся и функционирующих капиллярных сетей in vitro на основе клеточных культур эндотелия. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. М.: «РАМН», 2003. С. 64-68.
3. Глотов В.А. Тканеподобные образования с заданными биологическими свойствами на основе клеточной и тканевой инженерии in vitro эндотелиальных капиллярных сетей // Труды X международной научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии (ФРЭМЭ’2012)». Книга 3. Владимир, 2012. С. 37-41.
4. Глотов В.А., Найдёнов Е.В., Якименко И.В. От моделирования ангиогенеза IN VITRO к созданию искусственных биологических образований с заданными свойствами на основе технологии саморазвивающихся капиллярных сетей. // Математическая морфология. Электронный математический и медико-биологический журнал. 2013. Т. 12, Вып. 2. URL: http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-38-html/glotov/glotov.htm
5. Найдёнов Е.В. Компьютерное проектирование и моделирование в САПР и СКМ узлов микро-машинных кибернетических платформ для культивирования саморазвивающихся и функционирующих эндотелиальных капиллярных сетей // Материалы докладов XV международной научной конференции студентов и аспирантов «Системы компьютерной математики и их приложения». Вып. 15. Смоленск: Изд-во СмолГУ, 2014. С. 34-36.
6. Найдёнов Е.В. Предпосылки создания микромашинных кибернетических платформ для культивирования саморазвивающихся и функционирующих эндотелиальных капиллярных сетей // Вестник государственно медицинской академии 2014, специальный выпуск Материалы II Всероссийской на-учно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы науки XXI века». Смоленск: Изд-во СГМА, 2014. С. 46-48.
7. Найдёнов Е.В. Разработка технической платформы многофункционального биологического реактора // Тезисы докладов XX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Т. 1. М.: Издательский дом МЭИ, 2014. С. 215.
8. Найдёнов Е.В., Андрейкин С.А., Прокофьева П.А., Якименко Ю.И. Клеточная и тканевая инженерия эндотелия IN VIVO и IN VITRO (инженерные подходы) // Математическая морфология. Элек-тронный математический и медико-биологический журнал. 2013. Т. 12, Вып. 2. URL: http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-38-html/naydenov/naydenov.htm
9. Chung B.G., Lee K.H., Khademhosseini A., Lee S. H.. Microfluidic fabrication of microengineered hydrogels and their application in tissue engineering. Lab on a Chip. 2012. V. 12(1). P. 45-59.
10. Coquinco A., Kojic L., Wen W., Wang Y.T., Jeon N.L., Milnerwood A.J., Cynader M. A microfluidic based in vitro model of synaptic competition // Molecular and Cellular Neuroscience. 2014. V. 60. P. 43-52.
11. Hoefer I. E., den Adel B., Daemen M.J. Biomechanical factors as triggers of vascular growth // Cardi-ovascular research. 2013. V. 99(2). P. 276-283.
12. Huh D., Hamilton G. A., & Ingber D. E. From 3D cell culture to organs-on-chips // Trends in cell biolo-gy. 2012. V. 21(12). P. 745-754.
13. Jeong G.S., Han S., Shin Y., Kwon G.H., Kamm R.D., Lee S.H., Chung S. Sprouting angiogenesis under a chemical gradient regulated by interactions with an endothelial monolayer in a microfluidic platform // Analytical chemistry. 2011. V. 83(22). P. 8454-8459.
14. Jeong G.S., Kwon G.H., Kang A.R., Jung B.Y., Park Y., Chung S., Lee S. H.. Microfluidic assay of endothelial cell migration in 3D interpenetrating polymer semi-network HA-Collagen hydrogel // Biomedical microdevices. 2011. V. 13(4). P. 717-723.
15. Kim S., Lee H., Chung M., Jeon N. L. Engineering of functional, perfusable 3D microvascular net-works on a chip // Lab on a Chip. 2013. V. 13(8). P. 1489-1500.
16. Lee H., Chung M., Jeon N. L. Microvasculature: An essential component for organ-on-chip systems // MRS Bulletin. 2014. V. 39 (01). P. 51-59.
17. Lee H., Kim S., Chung M., Ki J. H., Jeon N. L. A bioengineered array of 3D microvessels for vascular permeability assay // Microvascular research. 2014. V. 91. P. 90-98.
18. Li D. Encyclopedia of microfluidics and nanofluidics. Springer, 2008.
19. Morgan J.P., Delnero P.F., Zheng Y., Verbridge S.S., Chen J., Craven M., Stroock A.D. Formation of microvascular networks in vitro // Nature protocols. 2013. V. 8(9). P. 1820-1836.
20. Stapor P.C., Azimi M.S., Ahsan T., Murfee W.L. An angiogenesis model for investigating multicellular interactions across intact microvascular networks. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2013. V. 304(2). P. 235-245.
21. Verbridge S.S., Chakrabarti A., DelNero P., Kwee B., Varner J.D., Stroock A.D., Fischbach C. Physico-chemical regulation of endothelial sprouting in a 3D microfluidic angiogenesis model. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 2013. V. 101(10). P. 2948-2956.
22. Yeon J.H., Ryu H.R., Chung M., Hu Q.P., Jeon N. L. In vitro formation and characterization of a per-fusable three-dimensional tubular capillary network in microfluidic devices // Lab on a chip. 2012. V. 12(16). P. 2815-2822.
23. Zervantonakis I.K., Kothapalli C.R., Chung S., Sudo R., Kamm R.D. Microfluidic devices for study-ing heterotypic cell-cell interactions and tissue specimen cultures under controlled microenvironments // Biomi-crofluidics. 2011. V. 5(1). P. 406.
24. Zhang L.G., Khademhosseini A., Webster T. Tissue and Organ Regeneration: Advances in Micro-and Nanotechnology. CRC Press, 2014.
25. Zheng Y., Chen J., Craven M., Choi N.W., Totorica S., Diaz-Santana A., Stroock A.D. In vitro mi-crovessels for the study of angiogenesis and thrombosis // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012. V. 109(24). P. 9342-9347.
