三维组织构建中氧气与营养物质扩散、代谢动力学及结构优化的解析与数值模型——在脑类器官中的应用与启示
组织与器官
2015-12-22 v1
摘要
扩散模型在组织工程中十分重要，因为它们有助于理解组织构建中分子向细胞的递送。随着三维（3D）组织构建变得更大、更复杂且更具临床适用性，理解整个组织内部的动力学和信号分子浓度将至关重要。扩散特性在许多工程组织中构成显著限制，特别是对于无血管组织以及那些活力、分化或功能受氧气和营养物质浓度影响的细胞。本文力求针对3D构建设计（平面、圆柱和球形形式）中稳态与非稳态扩散及代谢的某些情况，提供新的解析解；这些解原本需要通过数值方法取得数学近似。该模型被应用于脑类器官，结果表明，通过将代谢活跃细胞定位于球体的外层，可部分克服扩散与类器官尺寸的限制——这一区域化过程已知通过神经胶质前体迁移发生于类器官及早期脑发育中。所给的原型解包含对多种细胞类型代谢信息的综述，并可广泛适用于多种形式的组织构建。本工作使研究者能够建模氧气与营养物质向细胞的递送、预测细胞活力、设计具有改善扩散能力的构建体，并精确控制组织构建中的分子浓度；这些构建体可用于研究发育与疾病模型，或用于调节细胞以增强其在缺血或植入体内等损伤后的存活，从而为更好地理解和探索工程组织构建的特性提供框架。
引用
@article{arxiv.1512.06475,
title = {Analytic and Numerical Models of Oxygen and Nutrient Diffusion, Metabolism Dynamics, and Architecture Optimization in Three-Dimensional Tissue Constructs with Applications and Insights in Cerebral Organoids},
author = {Richard J. McMurtrey},
journal= {arXiv preprint arXiv:1512.06475},
year = {2015}
}