Proiectare, construcție și caracterizare a unui nou bioreactor nanovibrațional și a unui material cultural pentru
Subiecte
Abstract
Introducere
Creșterile speranței de viață, sau a duratei de viață, observate în întreaga lume dezvoltată sunt un indicator valoros pentru progresul medicinei moderne. Cu toate acestea, o măsură mai puțin cuantificabilă este calitatea vieții în acei ani suplimentari; aceasta se numește sănătate. Incidența leziunilor scheletice datorate afecțiunilor legate de vârstă, cum ar fi osteoporoza și osteoartrita, oferă o astfel de metrică. Ca atare, dezvoltarea tratamentelor care duc la creșterea densității osoase sau la vindecarea fracturilor sunt ținte principale pentru potențialul regenerativ al celulelor stem mezenchimale (MSC) 1,2 .
Osteogeneza controlată a MSC prin stimulare mecanică a fost demonstrată prin mai multe metode, inclusiv strategii pasive și active. Metodele pasive, cum ar fi topografia substratului modificat și rigiditatea mediului, oferă un mecanism bazat pe modificarea profilului de aderență 3,4,5,6,7, în timp ce metodele active includ expunerea la variații de forță din surse externe 8,9,10,11,12, 13. Centrifugarea, vibrațiile și fluxul de forfecare au oferit toate creșteri ale osteogenezei prin modularea externă a forței impuse asupra structurii celulare. Utilizarea vibrațiilor ca stimul mecanotransductiv a fost explorată cu parametri vibraționali variați 14,15,16. Vibrația celulelor stem ale ligamentului parodontal la 50 Hz cu o accelerare de vârf de 0,3 g au arătat markeri crescuți ai osteogenezei 17 în timp ce un alt studiu al celulelor stem derivate din adipoză a stimulat folosind o sursă de vibrație controlată prin feedback la 50 și 100 Hz cu o accelerație de vârf raportată de 3 g, au prezentat niveluri crescute de activitate de fosfatază alcalină (ALP) și depunere de minerale, totuși nu la același nivel produs de mediul osteogen 18 .
Studii inițiale de la Curtis și colab. 19 și Nikukar și colab. 20 efectuate folosind amplitudini de vibrații de zeci de nanometri au arătat că celulele endoteliale și MSC sunt sensibile la vibrațiile de acest nivel. Pentru a realiza vibrații nanometrice, mai multe studii 19,20,21,22 au folosit un singur dispozitiv de acționare piezo, un singur aparat din placa Petri pentru a produce vibrații verticale precise pe o suprafață mică de creștere, totuși acest lucru a impus limitări ale scării și amplitudinii vibrațiilor care devin relevante dacă se dezvoltă către un proces industrial mai amplu. Utilizarea containerelor alternative de creștere (e.g. Baloanele T-75) și cultură, împreună cu un domeniu de amplitudine mai mare (și astfel forțe celulare), necesită o platformă de bioreactor mai uniformă, versatilă și reutilizabilă. Un prototip bioreactor inițial a fost construit încorporând o serie de piezo-uri atașate la o platformă metalică pentru cultură cu mai multe godeuri și este detaliat într-un studiu realizat de Tsimbouri și colab. 23 abordarea ambelor probleme. Scopul lucrării prezentate în acest articol este de a avansa această concepție către un sistem compatibil cu Buna Practică de Fabricare (GMP), care este adecvat pentru furnizarea unui studiu clinic la scară mică.