Una herramienta de simulación novedosa y realista que combina imágenes biomédicas de alta resolución y dinámica de fluidos computacional de supercomputadora da como resultado la capacidad de modelar el microambiente hidrodinámico exacto experimentado por las células cultivadas en andamios de ingeniería de tejido óseo.
Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey NJIT en Newark, Nueva Jersey, en colaboración con sus colegas de la Universidad de Oklahoma OU en Norman, OK, ha demostrado un novedoso enfoque de simulación basado en imágenes que consiste en tejido óseoExperimentos de ingeniería BTE, escaneo de muestras de micro-tomografía computarizada ? CT, segmentación de imágenes de "Histología virtual" y dinámica de fluidos del Método Lattice Boltzmann LBM que dan como resultado simulaciones realistas de andamios BTE cultivados en biorreactores de perfusión de flujo. Comprensión de la interacciónentre los parámetros de fabricación del andamio, las condiciones de cultivo y la biología celular dentro de la construcción es necesaria para la transición de la medicina regenerativa a un entorno clínico. Aunque se han realizado intentos anteriores de modelar cultivos de tejidos artificiales, estos se vieron limitados por suposiciones simplistas, como una célula / tejido uniformeCobertura monocapa de la superficie del andamio y geometrías idealizadas del andamio.
Por otro lado, esta tecnología novedosa y escalable puede permitir a los investigadores tener en cuenta las no idealidades arquitectónicas realistas inherentes a los esqueletos de ingeniería de tejidos; así como la presencia de células / tejidos en sus poros. Una ventaja adicional deNuestro método es que permite correlacionar el comportamiento celular y el crecimiento de los tejidos con la física del flujo que ocurre dentro de microambientes complejos de andamios 3D. Además, estas relaciones se pueden rastrear a lo largo del tiempo mediante modelos basados en escaneos repetidos no destructivos. El informe aparece en la edición de diciembre de 2016de la revista TECNOLOGÍA .
"Al aprovechar la información espacio-temporal exacta proporcionada por las imágenes de micro-TC de alta resolución, este enfoque abre la puerta para transformar la ingeniería de tejidos asistida por computadora, que tradicionalmente se realiza en base a dibujos virtuales de andamios y muy pocoa ninguna validación cruzada contra el experimento ", dice el profesor Roman Voronov, Ph.D. del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey e investigador principal del artículo. El manuscrito ofrece una 'receta' para la tecnología que culminó en más de una década-mucho esfuerzo por parte del equipo que trabaja en el problema del modelado de BTE. Si bien el aspecto de imagen de su enfoque ofrece una capacidad sin precedentes para detectar y diferenciar células individuales, tejidos blandos y calcificación incrustada dentro del andamio, el LBM se elige por su capacidadpara manejar simulaciones a gran escala como las que resultan de la resolución de vóxel submicrónica que se muestra aquí y condiciones de contorno complejas típicas de los andamios BTE.Los resultados obtenidos están destinados a servir solo como prueba de concepto, la tecnología demostrada no está limitada por el tamaño de la muestra, ya que sus algoritmos son completamente paralelizables para supercomputación.
Por lo tanto, es sencillo extender a los modelos de andamio completo, con la única limitación física que es la cámara de muestra de micro-TC. Sin embargo, estos suelen ser mucho más grandes que los andamios.
"Además, en caso de que el escaneo repetido no sea posible, o no sea deseable, el número de escaneos requeridos se puede minimizar simplemente restando cualquier material biológico de una imagen de punto final de un andamio completamente cultivado. Esto ayudaría a estimarla geometría inicial del andamio antes de la siembra de células ", dijo Taseen Alam de NJIT, el primer autor del artículo. Una vez hecho esto, los patrones de flujo de fluido establecidos dentro del andamio vacío inicial se pueden correlacionar con el crecimiento de tejido observado en elimagen de punto final. Finalmente, dado que los resultados calculados se superponen sobre las imágenes experimentales en 3D, el método en sí sirve como una comparación directa con el experimento. Y cualquier correlación obtenida como resultado del modelado basado en imágenes puede ser probada posteriormente porintentar predicciones en muestras no encontradas previamente por el código.
El equipo ahora está trabajando para extender aún más la tecnología al incluir el transporte molecular, que rara vez es simulado por los modelos convencionales. Por ejemplo, distribución de O2 y nutrientes / desechos dentro del andamio, transporte de subproductos de degradación del andamio cuya naturaleza ácida puede serperjudicial para las células, y las señales moleculares entre las células podrían explicarse utilizando el mismo enfoque basado en imágenes. De esta manera, se puede generar una imagen más completa del comportamiento celular en microambientes complejos.
Por último, la aplicación de esta tecnología para impulsar cultivos de BTE por computadora, en tiempo real y en circuito cerrado, presenta una nueva dirección emocionante para el despliegue comercial de tejidos y órganos cultivados artificialmente en un entorno hospitalario.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Mundo científico . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :