Технические науки / 3.Отраслевое машиностроение

К.т.н. Шибецький В.Ю.

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Моделювання адгезії та росту клітин в біореакторі

Культивування клітин і тканин еукаріот до теперішнього часу набуло широкого поширення в різних областях досліджень – від клітинної та молекулярної біології до швидкопрогресуючих прикладних областей біотехнології. Культури тваринних тканин застосовують для вивчення механізмів росту і диференціювання клітин, гістогенезу, міжтканинних і міжклітинних взаємодій, обміну речовин і т.п. [1]

Системи культивування культур клітин можна умовно розділити на дві групи:

1. Клітини в адгезивному (іммобілізованому) стані, що формують моношарові стаціонарні культури в яких клітини розвиваються на поверхні скла або пластика чи поверхні спеціальних носіїв (мікроносіїв), занурених у ПС. Даний тип культивування найбільш оптимальний з точки зору морфологічної будови клітин еукаріотів.

2. Суспензійні культури – клітини (після адаптації до суспензійного культивування) ростуть вільно в ПС (подібно до мікроорганізмів). Не всі культури клітин належним чином адаптуються такого виду культивування [2].

При розгляді адгезивних систем дуже важливо зазначити умови прикріплення клітин до насадок. Для цього приймаються наступні припущення: циліндрична система координат, осесиметрична задача. r знаходиться між ( ) – радіус насадки. z ( висота насадки.

Клітини вводять в поживне середовище з яким вони просочуться по всій поверхні насадки і захоплюються завдяки явищу фільтрації. Захоплені клітини не можуть циркулювати, деякі з них адгезують до насадки, деякі відмирають.

Стадія прилипання [3,4]:

– число життєздатних клітин на одиницю об’єму культурального середовища [].

– число захоплених клітин на одиницю об’єму культурального середовища [].

– число клітин, що адгезувались на поверхню насадки на одиницю об’єму насадки [].

(1) це рівняння балансу для Перший і другий члени правої частини пов’язані з радіальною і осьовою дисперсією (розподілення клітин в об’ємі насадки) відповідно. Третій член пов'язаний з осьовою конвекцією. Останній член це швидкість захоплення клітин нерухомим шаром.

– осьова швидкість КР середовища в насадці [];

– радіальний коефіцієнт дисперсії [];

– осьовий коефіцієнт дисперсії [].

Кінетика швидкості захоплення клітин передбачається першого порядку по відношенню до

– кінетичний параметр швидкості захоплення клітин []. Цей параметр залежить від умов експлуатації. Коли ці умови виконуються постійний у всій культурі. Надалі, цей параметр називається кінетична константа захоплення клітин.

(2) це рівняння балансу для .

Перший член правої частини показує швидкість захвату клітини насадкою. Другий член – швидкість прилипання (адгезії клітин). Адгезія кінетично захоплених клітин в суспензії це перший порядок по . – кінетична константа прилипання захоплених клітин в суспензії [].

(3) це рівняння балансу для . Час розвитку (росту) пов’язано тільки з прилипанням клітин. Відношення об’єму культурального середовища в насадці до об’єму насадки .

Три характерні часи визначаються [3]:

Характерний час конвекції клітини через насадку:

– середня швидкість руху середовища через насадку .

Характерний час захоплення клітин:

Характерний час адгезії клітин:

Фаза росту [3]. Клітинами у суспензії, що не адгезувались до насадки можна знехтувати. Під час цієї фази, прикріплені клітини ростуть і відмирають. Адгезовані клітини не в стані рухатись на носії. Таким чином клітинни поділяються на: клітини що ростуть на поверхні насадки і відмерлі клітини в суспензії [].

(7) рівняння балансу для Час розвитку моделюється на основі моделі Ферхюльста з максимальною концентрацією адгезованих клітин, доступної на поверхні носіїв.

– питома швидкість росту клітин, адгезованих на поверхні [];

– кінетична константа відмирання адгезованих клітин [];

–максимальна концентрація адгезованих клітин [].

Питома швидкість росту залежить від концентрації позаклітинних елементів [3]. Для цього доцільно використовувати рівняння Моно.

– питома максимальна швидкість росту адгезованих клітин [];

– константа Моно.

Література:

1. Костик, С.І. Конструювання біореакторів з введенням енергії механічними низькочастотними коливаннями [Текст] / С.І. Костик, М.Г Кутовий,. В.М. Поводзинський, В.Ю. Шибецький // Scientific Journal «ScienceRise». – 2017. – № 5/2 (34). – С. 49-54

2. Zhao, F. Perfusion Bioreactor System for Human Mesenchymal Stem Cell Tissue Engineering: Dynamic Cell Seeding and Construct Development / F. Zhao, T. Ma // Biotechnol. Bioeng. – 2005. – Vol. 91. – P. 482-493.

3. Gelbgras, Valérie; Wylock, Christophe E.; Drugmand, Jean-Christophe; and Haut, Benoît (2011)"Segregated Model of Adherent Cell Culture in a Fixed-Bed Bioreactor," Chemical Product andProcess Modeling: Vol. 6: Iss. 1, Article 13.

4. Костик, С.І. Конструювання біореакторів з введенням енергії механічними низькочастотними коливаннями [Текст] / С.І. Костик, М.Г Кутовий,. В.М. Поводзинський, В.Ю. Шибецький // Scientific Journal «ScienceRise». – 2017. – № 5/2 (34). – С. 49-54