Modeling and optimization of 3D stem cells bioprocesses
Authors: Γκιόργκι Ρόμουαλντ 
Published: December 2022

Η κλινική ανάγκη για οστικά εμφυτεύματα αυξάνεται σταθερά τις τελευταίες δεκαετίες. Η αυξανόμενη αυτή ζήτηση αποδίδεται εν μέρει στην άνοδο του βιοτικού επιπέδου παγκοσμίως και στην σημαντική αύξηση του ποσοστού των ηλικιωμένων (που είναι πιο επιρρεπείς σε τραυματισμούς) στον γενικό πληθυσμό.Παράλληλα με την αυξανόμενη ζήτηση, έχουν αναπτυχθεί νεότερες ιατρικές τεχνικές που είναι πιο αποτελεσματικές και συνδέονται με λιγότερους κινδύνους (όπως η νοσηρότητα του δότη). Τόσο στο παρελθόν, όσο και για να συνεχιστεί η χρήσιμη τάση στο μέλλον, κύτταρα κρίσιμου μεγέθους, κατάλληλα για εμφύτευση σε οστικά ελαττώματα, μπορούν να παραχθούν με την in vitro ανάπτυξη και την οστεογονική διαφοροποίηση των βλαστοκυττάρων.Για να γίνουν πιο αποτελεσματικές τέτοιες πειραματικές διεργασίες — τόσο από άποψη κόστους όσο και από άποψη ποιότητας του τελικού προϊόντος (εμφύτευμα οστικών κυττάρων) — μαθηματικά μοντέλα μπορούν να επιταχύνουν τη βελτιστοποίηση (βάσει μοντέλου) των πειραματικών τεχνικών που χρησιμοποιούνται τόσο για την παραγωγή των εμφυτευμάτων όσο και την ανάπτυξη των κυττάρων που περιέχονται στα ίδια τα εμφυτεύματα.Η παρούσα διατριβή προτείνει αρχικά ένα μαθηματικό μοντέλο για την οστεογονική διαφοροποίηση των μεσεγχυματικών βλαστοκυττάρων in vitro. Τα μοντέλα έχουν αναπτυχθεί γύρω από ένα πληθυσμιακό ισοζύγιο που επιτρέπει την λεπτομερή μοντελοποίηση της εγγενούς ετερογένειας του κυτταρικού κύκλου, ενσωματώνοντας τη δραστηριότητα βασικών ενδοκυτταρικών μεταβολικών οδών (κύκλος γλυκόλυσης και τρικαρβοξυλικού οξέος) και αντιπροσωπευτικά οστεογονικά γονίδια. Το μοντέλο βασίζεται σε θεμελιώδεις αρχές και ισχύοντες νόμους διατήρησης. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης των μοντέλων αποδεικνύουν την ύπαρξη αντιστάθμισης μεταξύ του πολλαπλασιασμού και της διαφοροποίησης των κυττάρων, προβλέποντας μια καθυστέρηση στην έναρξη της διαφοροποίησης όταν τα κύτταρα αφήνονται να ανακυκλωθούν ταχύτερα.Το αρχικό μαθηματικό μοντέλο επεκτείνεται στη συνέχεια σε έναν βιοαντιδραστήρα περιστρεφόμενου τοιχώματος, όπου τα κύτταρα ενθυλακώνονται σε σφαιρίδια αλγινικής ζελατίνης, εισάγοντας έτσι την δυνατότητα περιγραφής πολλαπλών κλιμάκων της διαδικασίας διαφοροποίησης: από την κλίμακα κυτταρικού μεγέθους, μέσω της κλίμακας σφαιριδίων αλγινικής ζελατίνης και τέλος στην κλίμακα μεγέθους του βιοαντιδραστήρα. Το μαθηματικό μοντέλο ενσωματώνει τις ίδιες μεταβολικές οδούς και βασικά γονίδια, καταγράφοντας επιπλέον τη χωρική ετερογένεια μέσα στα σφαιρίδια. Το διακριτοποιημένο μοντέλου αποτελείται από 12.563 συνήθεις διαφορικές εξισώσεις. Οι συγκεντρώσεις βασικών μεταβολιτών (π.χ. γλυκόζη, πυροσταφυλικό, γλουταμίνη, γαλακτικό) συγκρίνονται με πειραματικά δεδομένα από καλλιέργειες στατικών πλακών φρεατίων, αποδεικνύοντας ότι οι προβλέψεις του μοντέλου είναι ικανοποιητικές. Φαίνεται επίσης ότι η γονιδιακή ενεργοποίηση (Runx2 και οστεονεκτίνη) σε κύτταρα ενθυλακωμένα με σφαιρίδια αλγινικής ζελατίνης καθυστερεί ελαφρώς σε σύγκριση με καλλιέργειες σε πλακίδια . Μια ολική ανάλυση ευαισθησίας αποκαλύπτει ότι οι παράμετροι που σχετίζονται με την έκφραση των γονιδίων (ρυθμοί διάσπασης και σταθερές ενεργοποίησης μεταγραφής γονιδίων) έχουν τη μεγαλύτερη βαρύτητα και θα πρέπει να αποτελούν το επίκεντρο της μελλοντικής εκτίμησης παραμέτρων. Το μέγεθος των σφαιριδίων υδρογέλης δεν επηρεάζει σημαντικά τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για διαμέτρους σφαιριδίων στην περιοχή 2–3 mm.Τα μαθηματικά μοντέλα που παρουσιάζονται σε αυτή τη διατριβή μπορούν να εξασφαλίσουν ένα υπολογιστικό πλαίσιο για την μελλοντική βελτιστοποίηση βιοαντιδραστήρων και βιοδιαδικασιών βάσει μοντέλων. Λόγω του μεγάλου μεγέθους τους, τα προτεινόμενα μοντέλα πολλαπλής κλίμακας απαιτούν τη χρήση υπολογιστικών συστημάτων υψηλής απόδοσης για τη μείωση του επί του παρόντος υψηλού υπολογιστικού χρόνου που απαιτείται για την επίλυση τέτοιων προβλημάτων βελτιστοποίησης σε έναν μόνο υπολογιστή.