Monitorizarea optică ar putea îmbunătăți controlul calității cartilajului de substituție cultivat în laborator
O nouă teză de doctorat în fizică aplicată investighează modul în care spectroscopia în infraroșu apropiat, combinată cu învățarea automată, poate monitoriza dezvoltarea cartilajului inginerit tisular fără a distruge probele. Teza, semnată de Omar Anwar Elkadi, urmează să fie susținută la Facultatea de Științe, Silvicultură și Tehnologie, pe campusul din Kuopio al Universității din Finlanda de Est, pe 30 octombrie.
Cartilajul are o capacitate limitată de autoreparare, iar cultivarea în laborator a țesutului de substituție reprezintă o abordare promițătoare pentru tratarea leziunilor cartilaginoase. Totuși, țesuturile cultivate în laborator se dezvoltă în ritmuri diferite, chiar și în aceleași condiții. Testele convenționale necesită adesea distrugerea probelor, ceea ce îngreunează urmărirea aceluiași țesut în timp.
Cercetarea a examinat modul în care măsurătorile bazate pe lumină pot oferi informații despre maturitatea cartilajului, cu accent pe fiabilitatea acestor evaluări. O astfel de abordare de monitorizare fiabilă este importantă pentru producția reproductibilă de grefe de cartilaj, care ar putea contribui la acoperirea necesității neacoperite de tratamente eficiente pentru defectele cartilaginoase.
Modele bazate pe lumină pentru evaluarea maturității țesutului
Teza a arătat că modelele de învățare automată bazate pe spectroscopie pot furniza informații despre maturitatea cartilajului inginerit tisular. Modelele bazate pe măsurători de lumină au estimat indicatori ai formării matricei cartilajului și ai conținutului celular. Aceste estimări au permis clasificarea țesuturilor cultivate în laborator în funcție de maturitatea lor relativă.
Cercetarea a abordat și o provocare-cheie a acestei abordări: natura sa nespecifică. Studiul a demonstrat cum variațiile componentelor constructului, altele decât țesutul în dezvoltare, pot afecta măsurătorile și pot distorsiona predicțiile modelelor privind dezvoltarea țesutului. Luarea în considerare a acestor efecte în timpul dezvoltării modelului a îmbunătățit acuratețea prin reducerea biasului asociat. Acest lucru subliniază importanța unei abordări de analiză care ia în considerare toate componentele constructului, nu doar țesutul în dezvoltare.
A fost dezvoltat și testat un dispozitiv care permite măsurători repetate, ca demonstrație de principiu pentru monitorizarea modificărilor proprietăților mecanice ale hidrogelurilor fără celule. Modelele bazate pe spectroscopie au prezis aceste proprietăți mai precis decât modelele bazate doar pe timpul de cultură. De asemenea, au surprins modificări în timpul incubării care sunt greu de urmărit cu testele convenționale efectuate în momente separate. Împreună, aceste constatări susțin o monitorizare mai informativă, identificând totodată factorii care trebuie luați în considerare pentru o evaluare fiabilă.
Aplicații practice și metodologie
Rezultatele pot ghida dezvoltarea unor metode mai fiabile bazate pe spectroscopia în infraroșu apropiat pentru monitorizarea cartilajului cultivat în laborator fără a-l distruge. O monitorizare fiabilă ar putea ajuta cercetătorii să urmărească țesuturile individuale în timp, să compare metodele de cultivare a cartilajului și să identifice momentul în care au fost atinse proprietățile dorite. Acest lucru ar putea reduce dependența de testele distructive și de perioadele fixe de creștere, care pot trece cu vederea diferențele dintre țesuturile individuale. Cu dezvoltare și validare suplimentară, abordarea ar putea susține o producție și o evaluare a calității mai consecvente ale grefelor de cartilaj, esențiale pentru aducerea ingineriei tisulare a cartilajului în practica clinică.
Cercetarea a cuprins trei studii care au utilizat șase tipuri de cartilaj cultivat în laborator și hidrogeluri. Măsurătorile de lumină au fost combinate cu teste de laborator ale compoziției și proprietăților mecanice. Primul studiu a examinat modul în care componentele, altele decât țesutul în dezvoltare, influențează măsurătorile și evaluarea maturității. Al doilea a dezvoltat modele de învățare automată pentru a estima indicatori ai formării cartilajului și ai conținutului celular, utilizați pentru a evalua maturitatea relativă. Al treilea a dezvoltat un dispozitiv destinat monitorizării repetate fiabile a cartilajului inginerit pe bază de hidrogel și l-a testat folosind hidrogeluri fără celule. Modelele au fost instruite și evaluate folosind teste mecanice distructive pe probe colectate în cinci momente pe parcursul a 28 de zile. Performanța lor a fost comparată cu modelele bazate doar pe timpul de incubare. Modelele bazate pe spectroscopie au fost apoi utilizate pentru a prezice modificările zilnice ale rigidității hidrogelului pe parcursul celor 28 de zile.
