In silico 3D cell culture through Agent Based Modeling techniques: applications in tissue engineering

Diferentes estudos têm demonstrado a importância de se analisar o comportamento celular em estruturas tridimensionais por uma perspectiva complexa. A maior parte dos modelos avalia regras específicas de comportamento e/ou desconsideram características fundamentais das células ou de suas interações e comunicações com o entorno. Portanto, este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um modelo baseado em agentes (MBA) que abarque os comportamentos celulares fundamentais em meio a um arcabouço de estrutura porosa. O modelo computacional desenvolvido possui dois eixos principais: 1) modelagem e análise de arcabouços e 2) modelagem e análise do sistema biológico. Células, nutrientes, fatores de crescimento e metabólitos foram considerados agentes e descritos por listas de informações individuais; células se movimentam pelos poros do arcabouço por quimiotaxia e interagem com os demais agentes e estrutura de sustentação, consumindo oxigênio, glicose e lactato de acordo com a via glicolítica; outros comportamentos como inibição por contato, produção e remodelagem de matriz extracelular também foram modelados. A análise de propriedades de arcabouços de dimensões 12 x 12 x 1000 voxels de diferentes porosidades, por meio da técnica de bootstrapping mostrou que voxels com diâmetro de 20 m resultam em arcabouços com propriedades mecânicas e fluido dinâmicas similares às encontradas em modelos in vitro e in vivo; além disso, a simulação de cultivos de tecidos pelo modelo com voxels de 20 m apresentaram maiores valores de preenchimento do arcabouço por células e matriz extracelular, bem como maior taxa de crescimento e complexidade energética do sistema. A simulação do cultivo de células estaminais humanas derivadas de medula óssea utilizando parâmetros de um modelo in vitro reproduziu o comportamento de crescimento celular observado no estudo de referência, tanto no regime de cultivo em perfusão, quanto no estático. Portanto, o MBA desenvolvido neste projeto pode ser empregado na investigação preliminar de fenômenos biológicos ou de viabilidade de condições de cultivo de tecidoDifferent studies have demonstrated the importance of analyzing the cellular behavior in three-dimensional structures through the complexity perspective. Most of the current models evaluate specific rules of cells behavior and/or disregard key characteristics of cells or their interactions and communications with the surrounding environment. Therefore, this work aims to develop an agent-based model (ABM) that includes key cellular behaviors in a porous scaffold. The developed computational model was divided into two main branches: 1) modeling and analysis of scaffolds and 2) modeling and analysis of the biological system. Cells, nutrients, growth factors and metabolites were considered agents and described by individual lists of information; cells move through the pores of the scaffold by chemotaxis and interact with the other agents and scaffold, consuming oxygen, glucose, and lactate, according to the glycolytic pathway; other behaviors such as contact inhibition, production and remodeling of extracellular matrix were also modeled. The analysis of the scaffolds properties (with dimensions 12 x 12 x 1000 voxels and different porosities), through the bootstrapping technique, showed that voxels with a diameter of 20 m result in scaffolds with mechanical and fluid dynamic properties similar to those found in in vitro and in vivo models; in addition, the simulation of tissue cultures by the model with voxels of 20 m showed higher values of scaffold filling by cells and extracellular matrix, as well as higher growth rate and systems energy complexity. The simulation of the culture of human stem cells derived from bone marrow using parameters of an in vitro model reproduced the cell growth behavior observed in the reference study, both in the perfusion and static cultivation regime. Therefore, the ABM herein described can be used in preliminary investigations of biologic phenomena or viability of tissue culture under specific cell culture condition

Adsorption of immunoglobulin Y in supermacroporous continuous cryogel with immobilized Cu2+ ions

The influence of temperature, pH and ionic strength on the adsorption of Immunoglobulin Y (IgY) in IDA-Cu2+ cryogel system was studied by batch equilibrium Measurements. The adsorptive equilibrium data were obtained at 17 and 27 degrees C, pH 5.0 and 6.5, and at ionic strength of 50 and 200 mmol L-1 NaCl. Langmuir, Freundlich and Langmuir-Freundlich models were fitted to equilibrium data, while the enthalpy of adsorption of IgY in IDA-Cu2+ cryogel system was calculated through Van't Hoff analysis. The binding of IgY on cryogel was stronger at 27 degrees C and lowest pH and ionic strength values, with apparent maximum adsorption capacity of 27 mg g(-1). The adsorption of protein in the resin was spontaneous in all analyzed cases. The results provide valuable information to enable the improvement of IgY purification processes. (C) 2015 Elsevier BY. All rights reserved.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq