×

基于模型的三维打印薄支架组织生长数据分析。 (英语) Zbl 1470.92132号

摘要:与传统的2D细胞培养相比,三维(3D)打印支架中的组织生长能够以更逼真的几何结构探索和控制细胞行为。这些实验中的细胞增殖和迁移尚未明确描述,限制了实验人员确定各种实验条件(如支架几何形状)对细胞行为的影响的能力。我们考虑成骨细胞在由薄方形孔组成的熔融电子书写支架中的组织生长,这些孔的大小在实验之间故意增加。我们收集了高度详细的平均细胞密度、组织覆盖率和组织几何形状的时间测量值。为了根据潜在的细胞增殖和迁移过程量化组织生长,我们引入并校准了一个基于Porous-Fisher反应扩散方程的机械数学模型。通过剖面似然分析进行的参数估计和不确定性量化揭示了细胞增殖速率和孔径之间稳态细胞密度的一致性。该分析也可作为一个重要的模型验证工具:虽然反应扩散模型在生物学中的应用很广泛,但这些模型用于描述三维支架中组织生长的适当性尚待探索。我们发现,多孔滤器模型能够捕捉到与细胞密度和组织覆盖率相关的特征,但无法捕捉到与组织界面的圆度相关的几何特征。我们的分析确定了组织生长的两个不同阶段,提出了模型改进的几个领域,并为未来探索3D打印支架中组织生长的实验工作提供了指导。

MSC公司:

92 C50 医疗应用(通用)
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部 内政部

参考文献:

[1] Alias,医学硕士。;Buenzli,P.R.,成骨细胞在曲率和孔隙度控制下填充不规则孔隙:细胞行为的假设测试分析,Biomech。模型。机械双醇。,17, 1357-1371 (2018)
[2] Alias,医学硕士。;Buenzli,P.R.,《曲率控制生长期间细胞和组织进化的水平设置方法》,国际期刊编号。方法生物识别。工程,36,文章e3279 pp.(2020)
[3] Ambrosi,D。;医学博士阿马尔。;Cyron,C.J。;DeSimone,A。;Goriely,A。;汉弗莱,J.D。;Kuhl,E.,《活组织的生长和重塑:前景、挑战和机遇》,J.R.Society Interface,20190233(2019)
[4] Baldock,A.L。;Ahn,S。;Rockne,R。;约翰斯顿,S。;尼尔,M。;科尔文,D。;克拉克·斯旺森,K。;斯特林,G。;特里斯特,A.D。;马龙,H。;埃比亚纳,V。;Sonabend,A.M。;Mrugala,M。;Rockhill,J.K。;Silbergeld,D.L。;赖,A。;Cloughesy,T。;麦克汉,G.M。;布鲁斯,J.N。;罗斯托米利共和国。;Canoll,P。;Swanson,K.R.,侵袭性的患者特异性指标揭示了在可预测的胶质瘤亚群中切除的显著预后益处,PLOS One,9,文章e99057 pp.(2014)
[5] 巴特斯,J。;奥泽利克,H。;印地语,M。;Ndreu Halili,A。;哈桑,A。;Vrana,N.E.,《组织工程和再生医学的细胞微环境工程和监测:最新进展》,BioMed Research Int.,2014,1-18(2014)
[6] O.巴斯。;卢卡罗蒂,S。;Angella,D.D。;新泽西州卡斯特罗。;梅内特,C。;Wunner,F.M。;等级E。;Vozzi,G。;Klein,T.J。;Catelas,I。;De-Juan-Pardo,E.M。;Hutmacher,D.W.,组织工程关节软骨多相软网络复合材料的合理设计和制造:基于数值模型的方法,化学。《工程师杂志》,340,15-23(2018)
[7] Bezanson,J。;Edelman,A。;卡宾斯基,S。;Shah,V.B.,Julia:数值计算的新方法,SIAM Review,59,65-98(2017)·Zbl 1356.68030号
[8] 比丹,C.M。;Kommareddy,K.P。;Rumpler,M。;科尔曼斯伯格,P。;Bréchet,Y.J.M。;弗拉兹尔,P。;Dunlop,J.W.C.,《线性张力如何转化为曲率:骨组织生长的几何控制》,PLOS One,7,文章e36336 pp.(2012)
[9] Bidan,C.M。;Kommareddy,K.P。;Rumpler,M。;科尔曼斯伯格,P。;弗拉兹尔,P。;Dunlop,J.W.C.,《几何作为组织生长的一个因素:组织工程支架的形状优化》,高级医疗材料。,2, 186-194 (2013)
[10] Bidan,C.M。;Wang,F.M。;Dunlop,J.W.,复杂表面上组织沉积的三维模型,生物力学和生物医学工程中的计算机方法,16,1-15(2013)
[11] 博伊格,R。;哈森诺尔,J。;Hroß,S。;Kaltenbacher,B.,PDE约束参数估计问题基于积分的剖面似然计算,逆概率。,第32条,第125009页(2016年)·兹比尔1359.62472
[12] 布朗宁,A.P。;哈里达斯,P。;Simpson,M.J.,《贝叶斯序贯学习框架,用于参数化黑色素瘤侵入人类皮肤的连续模型》,Bull。数学。生物学,81,676-698(2019)·Zbl 1415.92032号
[13] 布朗宁,A.P。;金·W。;普朗克,M.J。;Simpson,M.J.,《识别集体细胞行为中的密度依赖性相互作用》,J.R.Society Interface,1720200143(2020)
[14] Buenzli,P.R。;拉纳罗,M。;Wong,C.S。;McLaughlin,M.P。;艾伦比,M.C。;伍德拉夫医学硕士。;Simpson,M.J.,《细胞增殖和迁移解释不同孔径3D打印支架中的孔桥动力学》,《生物学报》。,114, 285-295 (2020)
[15] Buttenschön,A.等人。;Edelstein Keshet,L.,从单细胞迁移到集体细胞迁移的桥接:模型综述和实验链接,PLOS Comput。生物学,16,文章e1008411 pp.(2020)
[16] 蔡亚秋。;兰德曼,K.A。;Hughes,B.D.,创伤愈合细胞迁移试验的多尺度建模,J.Theor。《生物学》,245576-594(2007)·Zbl 1451.92063号
[17] Callens,S.J。;Uyttendaele,R.J。;Fratila-Apachitei,L.E。;Zadpoor,A.A.,《基板曲率作为引导时空细胞和组织组织的线索》,《生物材料》,232,第119739页,(2020)
[18] 坎贝尔,D.A。;Chkrebtii,O.,通过基于模型的平滑状态估计对微分方程参数进行的最大轮廓似然估计,数学。Biosci.公司。,246, 283-292 (2013) ·Zbl 1283.92025
[19] R.J.Carroll,D.Ruppert,1988年。回归中的转换和加权。查普曼和霍尔,博卡拉顿,第1版。doi:10.1201/9780203735268·Zbl 0666.62062号
[20] 科利斯,J。;康纳,A.J。;帕茨科夫斯基,M。;Kannan,P。;皮特·弗兰西斯,J。;Byrne,H.M。;Hubbard,M.E.,《肿瘤生长预测模型的贝叶斯校准、验证和不确定性量化:教程》,Bull。数学。生物学,79,939-974(2017)·Zbl 1372.92042号
[21] Ehrig,S。;Schamberger,B。;Bidan,C.M。;西部,A。;雅各比,C。;Lam,K。;科尔曼斯伯格,P。;彼得森,A。;托曼卡,P。;Kommareddy,K。;费舍尔,F.D。;弗拉兹尔,P。;Dunlop,J.W.C.,《表面张力决定组织形状和生长动力学》,科学。高级,5,eaav9394(2019)
[22] Forrestal,D.P。;Klein,T.J。;Woodruff,M.A.,《大型定制骨结构工程中的挑战》,生物技术。生物工程。,114, 1129-1139 (2017)
[23] Gamsjäger,E。;Bidan,C。;费舍尔,F。;弗拉兹尔,P。;Dunlop,J.,《模拟表面应力在受限几何形状组织生长动力学中的作用》,《生物学报》。,9, 5531-5543 (2013)
[24] Geris,L。;兰布列支,T。;Carlier,A。;Papantoniou,I.,《未来是数字化的:在电子组织工程中,当前观点生物识别》。工程师,692-98(2018)
[25] Gibon,E。;巴特克,B。;Jawad,M.U。;弗里顿,K。;Rao,A。;Yao,Z。;比斯瓦尔,S。;Gambhir,S.S。;Goodman,S.B.,MC3T3-E1骨祖细胞系统性迁移至骨缺损并促进骨愈合,《组织工程》第a部分,第18期,第968-973页(2012年)
[26] 贡萨尔维斯,I.G。;Garcia-Aznar,J.M.,《细胞外基质密度通过细胞迁移调节肿瘤球体的形成》,PLOS Compute。生物学,17,文章e1008764 pp.(2021)
[27] Groll,J。;Boland,T。;Blunk,T。;J.A.伯迪克。;乔·D·W。;道尔顿,P.D。;德比,B。;福加克斯,G。;李强。;米罗诺夫,V.A。;莫罗尼,L。;中村,M。;舒,W。;竹内,S。;Vozzi,G。;伍德菲尔德,T.B.F。;徐,T。;Yoo,J.J。;Malda,J.,《生物制造:重新评估进化领域的定义》,生物制造,8,第013001条,pp.(2016)
[28] Guyot,Y。;帕潘托尼奥,I。;Chai,Y.C。;Bael,S.V。;施鲁滕,J。;Geris,L.,使用水平集方法在3D表面上进行细胞/ECM生长的计算模型:骨组织工程案例研究,Biomech。模型。机械双醇。,13, 1361-1371 (2014)
[29] Haase,K。;Pelling,A.E.,《用原子力显微镜研究细胞力学》,J.R.Society Interface,1220140970(2015)
[30] Hegarty-Cremer,S.G.D。;辛普森,M.J。;Andersen,T.L。;Buenzli,P.R.,《模拟进化生物组织中的细胞导向和曲率控制》,J.Theor。生物学,520,第110658条pp.(2021)·Zbl 1465.92012年
[31] Hines,K.E。;Middendorf,T.R。;Aldrich,R.W.,《非线性生物物理模型中参数可识别性的测定:贝叶斯方法》,《普通物理杂志》。,143401-416(2014)
[32] Hollister,S.J.,组织工程多孔支架设计,国家材料。,4, 518-524 (2005)
[33] 伊图里,J。;Toca Herrera,J.L.,《原子力显微镜对细胞支架的表征》,聚合物,9,383(2017)
[34] 金·W。;Lo,K.-Y。;周,S。;McCue,S.W。;Simpson,M.J.,《初始几何形状在伤口闭合实验模型中的作用》,《化学》。工程科学。,179, 221-226 (2018)
[35] Johnson,S.G.,《朱莉娅的NLopt模块》(2021),网址:https://github.com/JuliaOpt/NLopt.jl网站
[36] Johnston,S.T。;沙阿·E.T。;肖邦,L.K。;McElwain,D.L.S。;Simpson,M.J.,通过使用Fisher-Kolmogorov模型解释IncuCyte ZOOMTM分析数据来估算细胞扩散率和细胞增殖率,BMC系统。生物学,9,38(2015)
[37] Johnston,S.T。;J.V.罗斯。;粘合剂,B.J。;McElwain,D.L.S。;哈里达斯,P。;Simpson,M.J.,量化体外划痕试验的实验设计选择的效果,J.Theor。生物学,400,19-31(2016)
[38] Jones,D.R。;佩特顿,C.D。;Stuckman,B.E.,《无利普希茨常数的利普希兹优化》,J.Optim。理论应用。,79, 157-181 (1993) ·Zbl 0796.49032号
[39] Lagergren,J.H。;Nardini,J.T。;贝克·R·E。;辛普森,M.J。;Flores,K.B.,《生物信息神经网络从稀疏的实验数据指导机械建模》,PLOS Compute。生物学,16,文章e1008462 pp.(2020)
[40] 拉纳罗,M。;Mclaughlin,M.P。;辛普森,M.J。;Buenzli,P.R。;Wong,C.S。;艾伦比,M.C。;Woodruff,M.A.,定制3D生物打印体外模型的细胞时空动力学定量分析,SSRN(预印本)(2021年)
[41] Lee,H.G。;Park,J。;Yoon,S。;Lee,C。;Kim,J.,生物咖啡上组织生长的数学模型和数值模拟,应用。科学。,9,4058(2019)
[42] Li,J.J。;埃比德,M。;徐,J。;Zreiqat,H.,《骨组织工程的当前方法:生物与工程之间的接口》,高级医疗材料。,1701061年7月(2018年)
[43] Maini,P.K。;McElwain,D.L.S。;Leavesley,D.I.,《解释人类腹膜间皮细胞创伤愈合细胞迁移分析的行波模型》,《组织工程》,第10期,第475-482页(2004年)
[44] Mao,A.S。;Mooney,D.J.,《再生医学:当前疗法和未来方向》,Proc。美国国家科学院。科学。,112, 14452-14459 (2015)
[45] Mathworks,2021年。图像处理工具箱:Regionprops。网址:www.mathworks.com/help/images/ref/regionprops.html。
[46] McCue,S.W。;金·W。;莫罗尼,T.J。;Lo,K.-Y。;周,S.-E。;Simpson,M.J.,Hole-Close模型揭示了细胞生物学中非线性简并扩散函数的指数,Physica D,398130-140(2019)·Zbl 1453.92050
[47] Mi,H.-Y。;景,X。;Napiwocki,B.N。;李,Z.-T。;特恩格,L.-S。;Huang,H.-X.,自组装静电纺丝法制备纤维状二氧化硅海绵及其在三维组织再生组织工程中的应用,化学。《工程师杂志》,331,652-662(2018)
[48] 墨菲,R.J。;Buenzli,P.R。;贝克·R·E。;Simpson,M.J.,异质组织中细胞运动的一维基于个体的力学模型及其粗粒近似,Proc。R.社会A:数学。,物理学。工程科学。,475, 20180838 (2019) ·Zbl 1472.92063号
[49] J.D.Murray,2002年。数学生物学。柏林施普林格-弗拉格出版社,第3版。doi:10.1007/b98868·Zbl 1006.92001号
[50] Pawitan,Y.,《所有可能性:使用可能性的统计建模和推断》(2013),牛津大学出版社:牛津大学出版社·Zbl 1256.62006年
[51] 北卡罗来纳州帕克斯顿。;艾伦比,M.C。;刘易斯,P.M。;Woodruff,M.A.,聚乙烯的生物医学应用,《欧洲聚合物杂志》,118,412-428(2019)
[52] 北卡罗来纳州帕克斯顿。;Ren,J。;安斯沃思,M.J。;索拉基,A.K。;Jones,J.R。;艾伦比,M.C。;史蒂文斯,M.M。;Woodruff,M.A.,《生物材料的流变学表征》指导了锶替代生物活性玻璃/聚己内酯超细纤维的添加剂制造,Macromol。快速通讯。,40, 1900019 (2019)
[53] 鲍威尔,M.J.D.,2009年。无导数的有界约束优化的BOBYQA算法。技术报告,应用数学和理论物理系,英国剑桥。
[54] Rackauckas,C。;Nie,Q.,differential equations.jl-Julia中求解微分方程的性能丰富的生态系统,J.Open Res.Software,5(2016)
[55] Raue,A。;Kreutz,C。;Maiwald,T。;巴赫曼,J。;席林,M。;Klingmüller,美国。;Timmer,J.,利用剖面可能性对部分观测到的动力学模型进行结构和实际可识别性分析,生物信息学,251923-1929(2009)
[56] Roseti,L。;帕里西,V。;彼得雷塔,M。;卡瓦洛,C。;Desando,G。;巴托洛蒂,I。;Grigolo,B.,《骨组织工程支架:现状和新观点》,马特出版社。科学。工程师:C,781246-1262(2017)
[57] Royston,P.,估计和置信区间的剖面似然,Stata J.,7,376-387(2007)
[58] M.Rumpler、A.Woesz、J.W.Dunlop、J.T.v.Dongen、P.Fratzl,2008年。几何形状对三维组织生长的影响。《皇家学会杂志界面》5,1173-1180。doi:10.1098/rsif.2008.0064。
[59] Salbreux,G。;Jülicher,F.,活性表面力学,物理学。E版,96,第032404条pp.(2017)
[60] Sengers,B.G。;求你了,C.P。;Oreffo,R.O.,《用于骨骼再生的二维细胞扩散的实验表征和计算模型》,J.R.Society Interface,41107-1117(2007)
[61] Sherrat,J.A。;Murray,J.D.,《表皮伤口愈合模型》,Proc。R.Soc.伦敦。生物科学B。,241, 29-36 (1990)
[62] Simpson,M.J.,《反应性运输建模中的深度平均误差》,《水资源》。第45号决议(2009年)
[63] 辛普森,M.J。;兰德曼,K.A。;休斯,B.D。;Newgreen,D.F.,使用连续模型观察细胞入侵波:增殖是关键,J.Theor。生物学,243343360(2006)·Zbl 1447.92062号
[64] 辛普森,M.J。;Treloar,K.K。;粘合剂,B.J。;哈里达斯,P。;曼顿,K.J。;Leavesley,D.I。;McElwain,D.L.S。;Baker,R.E.,《在圆形屏障分析中量化细胞运动和细胞增殖的作用》,J.R.Society Interface,1020130007(2013)
[65] 辛普森,M.J。;贝克·R·E。;Vittadello,S.T。;Maclaren,O.J.,细胞入侵时空模型的实用参数可识别性,J.R.Soc.Interface,1720200055(2020)
[66] Takai,E。;Costa,K.D。;沙欣,A。;洪,C.T。;Guo,X.E.,原子力显微镜测量的成骨细胞弹性模量依赖于基质,Ann.Biomed。工程,33,963-971(2005)
[67] 塔尔,V。;Gauquelin,E。;Vedula,S.R.K。;D'Alessandro,J。;Lim,C.T。;拉杜克斯,B。;Gov,N.S.,《几何限制下的细胞集体迁移建模》,Phys。生物学,14,第035001条pp.(2017)
[68] Treloar,K.K。;Simpson,M.J.,边缘检测方法对量化细胞迁移分析的敏感性,PLOS One,8,文章e67389 pp.(2013)
[69] Treloar,K.K。;辛普森,M.J。;McElwain,D.L.S。;Baker,R.E.,细胞扩散率和细胞增殖率的体外评估是否对分析几何形状敏感?,J.西奥。生物,35671-84(2014)·兹比尔1412.92027
[70] 文森·D·J。;Moolgavkar,S.H.,基于轮廓的置信区间计算方法,应用。Stat.,37,87(1988)
[71] Villaverde,A.F。;巴雷罗,A。;Papachistodoulou,A.,动态系统生物学模型的结构可识别性,PLOS Comput。生物学,12,文章e1005153 pp.(2016)
[72] Villaverde,A.F。;北蒂安提斯。;Banga,J.R.,非线性生物模型未知输入、状态和参数的完全可观测性和估计,J.R社会接口,20190043(2019)
[73] 威兰,F.-G。;Hauber,A.L。;罗森布拉特,M。;Tönsing,C。;Timmer,J.,《关于结构和实际可识别性》,《当代观点系统生物学》。,25, 60-69 (2021)
[74] 阎晓珍。;杨伟(Yang,W.)。;杨,F。;Kersten-Neessen,M。;Jansen,J.A。;Both,S.K.,持续传代对MC3T3-E1细胞矿化的影响,改良成骨培养方案,组织工程,C部分:方法,20,198-204(2014)
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。