Indukuotų žmogaus pliuripotentinių kamieninių ląstelių (hiPSc) 3D kultivavimo procesų matematinis modeliavimas ir optimizavimas (ModelStem)

 

Projekto nr.: LJB-4/2015

Projekto aprašymas:

Šio projekto tikslas yra sukurti kompaktišką, proceso valdymo uždavinių sprendimui skirtą matematinį modelį, kuris galėtų pakankamai gerai aprašyti indukuotų žmogaus pliuripotentinių kamieninių ląstelių (hiPSc) pusiau periodinius 3D kultivavimo procesus bandomuosiuose bioreaktoriuose. Modelis turi gebėti biotechnologinio proceso valdymui reikalingu tikslumu prognozuoti diferencijuotų ir nediferencijuotų
kamieninių ląstelių augimo greičius, pagrindinių maitinimo komponentų (gliukozės ir amino rūgščių) sunaudojimo dinamiką, deguonies sunaudojimo ir anglies dvideginio išsiskyrimo greičius bei kamieninių ląstelių agregavimosi greitį. Modelio struktūroje turi būti įvertinti
reiškiniai, susiję su terpės heterogeniškumu. Sukurtas matematinis modelis ir pažangios optimizavimo procedūros turi būti panaudotos kamieninių ląstelių racionalių pamaitinimo greičių bioreaktoriuje laikinių profilių nustatymui ir ištirpusio deguonies koncentracijos bei agregavimo greitį kontroliuojančių medžiagų koncentracijos profilių nustatymui. Remiantis matematiniu modeliu bei eksperimentiniais
tyrimais turi būti pateiktos rekomendacijos atvirųjų valdymo sistemų ir valdymo sistemų su grįžtamuoju ryšiu struktūrų parinkimui ir šių sistemų praktiniam realizavimui. Projektas vykdomas bendradarbiaujant su Osakos universiteto Bioprocesų sistemų inžinerijos laboratorija (Japonija).

Projekto finansavimas:

Lietuvos mokslo tarybos administruojama tarpvalstybinė programa: Lietuva – Japonija

Projekto rezultatai:

Vykdant projektą atlikta indukuotų žmogaus pliuripotentinių kamieninių ląstelių kultivavimo procesų 3D maišymo bioreaktoriuose analizė ir identifikuota, kurie pliuripotentinių ląstelių kultivavimo metodai šiuo metu yra labiausiai perspektyvūs realiems praktiniams biomedicininiams taikymams. Nustatyti esminiai faktoriai, kurie labiausiai įtakoja kamieninių ląstelių augimo ir diferencijavimosi greičius, ir identifikuota, kokius būsenos kintamuosius būtina įtraukti į matematinius modelius, kuriamus kultivavimo procesams optimizuoti ir valdyti. Iteracinės modeliavimo procedūros pagalba atrinkta racionali pliuripotentinių kamieninių ląstelių kultivavimo proceso matematinio modelio struktūra ir parinktos pagrindinių proceso bioreakcijų kinetikos greičių modeliavimo išraiškos. Pasitelkus literatūroje prieinamus eksperimentinius duomenis ir partnerio atliktus eksperimentus identifikuoti matematinio modelio parametrai ir atliktas matematinio modelio kokybės vertinimas. Taikant modeliu paremtas kultivavimo proceso optimizavimo procedūras pasiūlyta dviejų etapų proceso optimizavimo strategija. Pirmame etape, pasitelkiant supaprastintą proceso modelį nustatyti optimalūs ląstelių agregatų skaldymo kultivavimo metu laikai, leidžiantys maksimizuoti kamieninių ląstelių skaičių kultivavimo pabaigoje. Taip pat nustatytas ištirpusio deguonies koncentracijos terpėje profilis, kuri reikalinga palaikyti kultivavimo metu norint išvengti ženklesnės ląstelių diferenciacijos bei pasiūlyta automatinio valdymo sistema šio profilio palaikymui. Antrame optimizavimo etape pasitelkiant pilną proceso modelį papildomai nustatyti optimalios gliukozės bei glutamino koncentracijos ir pamaitinančios gliukozės ir pamaitinančio glutamino srautai, kuriuos būtina tiekti į bioreaktorių ląstelių kultivavimo metu. Atlikti modeliavimo eksperimentai parodė, kad optimizuotos kamieninių ląstelių kultivavimo technologijos įgalina ląstelių skaičių kultivavimo pabaigoje padidinti apie 2-3 kartus palyginus su dabartiniu ląstelių kultivavimo režimu. Pagal optimizavimo rezultatus projekto partneriams pateiktos praktinės rekomendacijos, kaip gautus rezultatus įdiegti realiuose kamieninių ląstelių kultivavimo procesuose.

Projekto įgyvendinimo laikotarpis: 2015-10-01 - 2017-09-30

Projekto koordinatorius: Kauno technologijos universitetas

Projekto partneriai: Osakos universitetas