Alexander Karabachinsky parla sobre les tecnologies per crear òrgans artificials en biomedicina

Alexander Karabachinsky sobre les tecnologies per crear òrgans artificials en biomedicina
Alexander Leonidovich Karabachinsky va néixer el 1945.11.16 a la ciutat de Pskov. Es va graduar en l’escola secundària número 8 el 1964 amb una medalla d’or. En 1964 va ingressar i el 1970 es va graduar en la facultat de “fabricació d’instruments” (especialitat “Matemàtica i electrònica de computació”) del MHTS que porta el nom de N.E. Bauman. De 1969 a 1970 va treballar a l’Oficina Central de Disseny d’Enginyeria Mecànica. De 1971 a 1977, va estar en servei militar actiu en les Forces Armades de l’URSS. El 1977 va ingressar i el 1980 es va graduar en la Facultat de Mecànica i Matemàtiques (especialitat “Matemàtiques”) de la Universitat Estatal de Moscou, que porta el nom de M.V. Lomonosov.

De 1978 a 1984 va treballar com a científic associat al laboratori de simulació matemàtica del departament experimental de l’Institut de Cirurgia Cardiovascular que porta el nom de A.N. Bakulev de l’URSS AMS. De 1984 a 1990, va treballar com a científic associat al departament de “Dispositius i sistemes biomèdics” (RL-7) de l’MHTS que porta el nom de N.E. Bauman. De 1991 a 2014 va treballar com a professor titular al Departament de Dispositius Biomèdics i Tecnologies de Computació (PR-3) MSUIECS.

Alexander Karabachinsky va realitzar una gestió científica reeixida de la implementació i defensa per la tesi de diploma de 60 estudiants. Va donar conferències en diversos cursos d’especialitat, va realitzar treballs científics. Realitza treballs d’investigació en diversos projectes. Des del 2016.10.18 fins al 2017.06.01, va treballar com a mestre d’educació addicional en la “Escola No. 1021” de SBEE de Moscou per preparar els estudiants de 11 ° grau per aprovar l’Examen Estatal Unificat de matemàtiques i física com a preparació per a les Olimpíades matemàtiques. Treballa com a tutor de matemàtiques, informàtica i física a les associacions repetit.ru i repetitors.info (profi.ru). Des del 18 d’octubre de 2017 fins al 30 de juny de 2018, va treballar com a mestre i gerent de projectes en el MIRBIS IT College.

A.L. Karabachinsky va publicar més de 30 articles científics durant la seva feina. Actualment, A.L.Karabachinsky treballa en una dissertació per al títol de candidat en ciències físiques i matemàtiques com a sol•licitant a la Facultat de Mecànica i Matemàtiques de la Universitat Estatal de Moscou, que porta el nom de M.V. Lomonosov. En 1990, va ser guardonat amb la medalla d’or “ARQUIMEDES” de l’Exposició Internacional de Propietat Intel•lectual i Industrial i Innovació pel desenvolupament del complex de fisioteràpia.

Coneix l’anglès i alemany. Llegeix i tradueix literatura científica, tècnica i de ficció amb el diccionari, per poder comunicar-se.

Interessos de recerca: equacions diferencials, grups i àlgebres de Lie, processos aleatoris. Simulació matemàtica de mig excitable, sistemes quàntics oberts, processos físics i químics en un mitjà multifàsic. Recerca i desenvolupament de models matemàtics d’objectes biològics i sistemes de gestió de la informació en tecnologies biomèdiques.

Fa algun temps, vostè i el seu equip van realitzar un experiment que consistia a controlar la diferenciació de les cèl•lules mare en cèl•lules miocàrdiques i van descriure aquest model matemàtic del procés. Expliqueu-nos sobre aquest experiment, perquè aquest tema ocupa molts biòlegs i matemàtics moderns.

La motivació per crear òrgans artificials és simple, comprensible. El cos humà es desgasta seguint el programa d’apoptosi, i un ésser humà, com a personalitat, sovint vol viure molt de temps i al mateix temps vol estar sa i actiu, respectivament. El problema de crear òrgans artificials té una intersecció no buida amb els problemes de trasplantament. Aquests són, en primer lloc, els problemes de rebuig dels òrgans trasplantats del donant per l’organisme del receptor – els problemes de la resposta immune.

La tecnologia d’autotrasplantament del progenitor, les cèl•lules pluripotents, així com el trasplantament de cèl•lules mare s’estan investigant, desenvolupant i introduint a la clínica en el Departament Experimental de l’Institut d’Investigació de Transplantologia i Òrgans Artificials amb el nom de V.I. Shumakov del Ministeri de Salut de RF per resoldre aquests problemes.

Les cèl•lules per a l’autotrasplantament es van prendre d’un pacient, per exemple, de la medul•la òssia i es van sotmetre a diferenciació en un bioreactor (fermentador), en un medi nutrient. Després van ser trasplantats al mateix pacient durant l’operació en el camp quirúrgic, per exemple, a la zona d’atac cardíac durant la cirurgia miocàrdica.

Segons el cap del grup de recerca, M.E.Krasheninnikov (Departament Experimental de l’Institut Central d’Investigació de TAO, l’assessor científic és el Professor N.A. Onishchenko), les cèl•lules van adquirir propietats de marcapassos en el bioreactor a causa de la diferenciació. El medi nutrient del bioreactor i el substrat cel•lular estaven immòbils. Es va passar oxigen a través d’aquest mitjà. El 2005, nosaltres (A.L. Karabachinsky, G.V. Stepanov, D.A. Semerenko) vam proposar que M.E. Krasheninnikov conduís el creixement i la diferenciació cel•lular amb la posterior morfogènesi per a l’autotrasplantament en una membrana mòbil magnetoelástica (ME) sota la influència d’un camp electromagnètic altern (EMF ) i magnetoelástico (ME) camp magnètic.

L’experiment va utilitzar materials magnetoelàstics. Digueu-nos què és i com es farà servir en medicina regenerativa i biofabricació?

Magnetoelastic (ME) és una pel•lícula de polímer duradora, altament extensible, deformable elàsticament amb micro i nanopartícules de ferromagnet distribuïdes en ella, en dominis magnètics. Una membrana mòbil ME oscil•la sota la influència d’un camp electromagnètic altern (EMF) de solenoide, que, juntament amb l’EMF altern i el camp magnètic ME, afecta el metabolisme de les cèl•lules, estimulant la seva diferenciació i morfogènesi. Les cèl•lules en un medi nutritiu es troben en una membrana magnetoelàstica (EM). Magnetoelastic (ME) que va ser desenvolupada i fabricada per G.V. Stepanov i el seu laboratori a l’Institut Estatal d’Investigació de Tecnologia Química i Compostos Element-Orgànics (SRICHTEOC).

M.E. Krasheninnikov va acceptar la nostra oferta. Vam crear el model matemàtic del procés i la configuració experimental corresponent i vam realitzar una sèrie d’experiments amb cèl•lules sota la direcció de M.E. Krasheninnikov el 2006 – 2010. M. Samsonov, un estudiant de diploma en MSUIECS, va participar en els experiments. Com a resultat, vam obtenir una estructura ordenada de cèl•lules orientades sota esforços de tall i deformacions de la membrana mòbil ME. També se suposa que aquests factors, les vibracions de la membrana ME en combinació amb l’exposició a un camp electromagnètic altern (EMF), estimulen la diferenciació de les cèl•lules en cardiomiòcits i, a més, formen propietats de marcapassos en elles. També s’estimula la morfogènesi de les estructures cel•lulars ordenades en aquesta membrana ME mòbil.

Per tant, aquesta tecnologia es pot aplicar per a operacions en el sistema de conducció del miocardi en cas d’arítmies cardíaques. Els loci i les zones d’arítmies cardíaques poden bloquejar-se abans del trasplantament de cèl•lules diferenciades, reorganitzades per fonoforesi amb transport de noradrenalina dirigit per ultrasò, per exemple. Experiments apropiats en el node sinusal del miocardi dels animals experimentals (conills, gossos) es van dur a terme en 1994-1996 A.L. Karabachinsky i G.K. Txizhov a l’Institut Mèdic de Moscou amb el nom de N.I. Pirogov

Se sap que les cèl•lules durant el desenvolupament embrionari, entre altres coses, depenen molt dels “factors mecànics de la morfogènesi”: les cèl•lules es mouen soles, es mouen entre si i finalment formen estructures anatòmiques. És possible controlar el moviment del mig magnetoelàstic per obtenir un prototip d’òrgan o teixit?

La idea de conrear i diferenciar cèl•lules en un medi mòbil és simple. El medi nutritiu mòbil en combinació amb l’acció dels ferments (enzims), altres factors bioquímics, camps acústics, camps electromagnètics alterns biocompatibles, en particular, la baixa freqüència (LF), la freqüència extremadament alta (EHF) i el rang òptic (làser) recrea i millora els factors de proliferació natural, la diferenciació cel•lular i la morfogènesi tant en el procés d’embriogènesi com en el procés de ontogènesi posterior. La tecnologia desenvolupada i investigada per nosaltres sembla prometedora. Aquest treball va ser parcialment recolzat per una subvenció del “Personal Federal i Científic-Pedagògic Personal de Rússia Innovadora” NK-372P-1 (P1714) Programa Federal d’objectius. Es van publicar dos articles en la col•lecció de treballs científics i en la revista. Actualment, A.V. Kirichenko (Institut d’Enginyeria Mecànica de RAS) va ser l’iniciador de la represa d’aquest treball, va arribar a idees similars independentment de nosaltres. En particular, A.V. Kirichenko va proposar la idea de crear 3D espacial – estructures musculars cel•lulars (morfogènesi artificial) utilitzant bioimpressió 3D.

Com veu el desenvolupament d’aquest mètode de control de la morfogènesi artificial en el futur, potser fins i tot en el distant?

1. La creació de teixits artificials i òrgans complets en un bioreactor (fermentador), en un mitjà de gel biodegradable, que també és un mitjà nutrient per a les cèl•lules cultivades i diferenciades en una membrana mòbil ME sota la influència d’un camp electromagnètic altern (EMF) a la part baixa i freqüències infra-baixes de la franja biològic, en el rang EHF, així com la radiació làser. Aquí és de gran importància no només la freqüència del senyal d’exposició, sinó també la freqüència de les sessions d’exposició d’aquests camps físics. Aquestes freqüències han d’estar sincronitzades, en ressonància o múltiples a les freqüències del metabolisme energètic de les cèl•lules; és a dir, aparellar el seu espectre de bioritmes.

2. El creixement d’òrgans artificials (morfogènesi) a l’antic entorn natural d’òrgans amb l’ajuda del trasplantament en massa (autotrasplantament cel•lular) de cèl•lules i teixits diferenciats cultivats en una membrana mòbil ME en un bioreactor sembla més prometedor. És un trasplantament massiu i distribuït de material cel•lular i teixits en l’òrgan vell (miocardi, fetge, ronyons, medul•la espinal i cervell) que és necessari perquè, a causa de l’apoptosi dels mitocondris de cèl•lules velles amb renovació periòdica, les cèl•lules apareixen en el seu lloc que conté els mitocondris genèticament determinades també van incloure el programa d’apoptosi. Aquest programa d’apoptosi no està inclòs en les cèl•lules trasplantades.
Potser, sota condicions de morfogènesi artificial, cal dur a terme un lliurament dirigida de medicaments que continguin “V.P. Ions Skulachev” al lloc d’autotrasplantament de cèl•lules i teixits. Per estimular les cèl•lules marcapassos trasplantades a l’aurícula dreta el miocardi, cal connectar els marcapassos cardíacs elèctrics (ECP), així com l’exposició sense contacte a aquestes zones d’un camp electromagnètic altern (EMF). De la mateixa manera, la neuroestimulació làser electromagnètica (EMLNS) s’ha de fer al trasplantar material cel•lular en les àrees de cervell i (o) la medul•la espinal.

3. Un ventricle artificial de cor (AVH) i una bomba cardíaca (CP) amb bioimpressió 3D, biocompatible amb cèl•lules sanguínies en circulació extracorpòria. Les xarxes distribuïdes de estimuladors electromagnètics sota la supervisió dels microcontroladors s’han d’integrar en les parets de AVH i CP per estimular les cèl•lules sanguínies. El miocardi no només realitza funcions de bombament, sinó que també és un generador de camp elèctric i magnètic. Forma dipols elèctrics i magnètics, per exemple, en els glòbuls vermells per a l’acoblament de “rouleaux” durant l’electroadhesió, l’estimulació del metabolisme de l’oxigen i el manteniment de l’homeòstasi.

Totes les tecnologies propostes han de contenir models matemàtics implementats per programari que identifiquin i controlin els processos de morfogènesi dels òrgans artificials.

 

 

 

 

 

 

De 1978 a 1984 va treballar com a científic associat al laboratori de simulació matemàtica del departament experimental de l’Institut de Cirurgia Cardiovascular que porta el nom de A.N. Bakulev de l’URSS AMS. De 1984 a 1990, va treballar com a científic associat al departament de “Dispositius i sistemes biomèdics” (RL-7) de l’MHTS que porta el nom de N.E. Bauman De 1991 a 2014 va treballar com a professor titular al Departament de Dispositius Biomèdics i Tecnologies de Computació (PR-3) MSUIECS.

Alexander Karabachinsky va realitzar una gestió científica reeixida de la implementació i defensa per la tesi de diploma de 60 estudiants. Va donar conferències en diversos cursos d’especialitat, va realitzar treballs científics. Realitza treballs d’investigació en diversos projectes. Des del 2016.10.18 fins al 2017.06.01, va treballar com a mestre d’educació addicional en la “Escola No. 1021” de SBEE de Moscou per preparar els estudiants de 11 ° grau per aprovar l’Examen Estatal Unificat de matemàtiques i física com a preparació per a les Olimpíades matemàtiques. Treballa com a tutor de matemàtiques, informàtica, física a les associacions repetit.ru i repetitors.info (profi.ru). Des del 18 d’octubre de 2017 fins al 30 de juny de 2018, va treballar com a mestre i gerent de projectes en el MIRBIS IT College.

A.L. Karabachinsky va publicar més de 30 articles científics durant el treball. Actualment, A.L.Karabachinsky treballa en una dissertació per al títol de candidat en ciències físiques i matemàtiques com a sol•licitant a la Facultat de Mecànica i Matemàtiques de la Universitat Estatal de Moscou, que porta el nom de M.V. Lomonosov. En 1990 va ser guardonat amb la medalla d’or “ARQUIMEDES” de l’Exposició Internacional de Propietat Intel•lectual i Industrial i Innovació pel desenvolupament del complex de fisioteràpia. Coneixement d’idiomes estrangers – anglès i alemany: llegeix i tradueix literatura científica, tècnica i de ficció amb el diccionari, pot comunicar-se.

Interessos de recerca: equacions diferencials, grups i àlgebres Lie, processos aleatoris. Simulació matemàtica de mig excitable, sistemes quàntics oberts, processos físics i químics en un mitjà multifàsic. Recerca i desenvolupament de models matemàtics d’objectes biològics i sistemes de gestió de la informació en tecnologies biomèdiques.

Fa algun temps, vostè i el seu equip van realitzar un experiment que consistia a controlar la diferenciació de les cèl•lules mare en cèl•lules miocàrdiques i van descriure aquest model matemàtic del procés. Expliqueu-nos sobre aquest experiment, perquè aquest tema ocupa molts biòlegs i matemàtics moderns.

La motivació per crear òrgans artificials és simple, comprensible: el cos humà es desgasta seguint el programa d’apoptosi, i un ésser humà, com a personalitat, sovint vol viure molt de temps i a el mateix temps vol estar sa, actiu, respectivament. El problema de crear òrgans artificials té una intersecció no buida amb problemes de trasplantament. Aquests són, en primer lloc, els problemes de rebuig dels òrgans trasplantats del donant per l’organisme del receptor – els problemes de la resposta immune.

Per resoldre aquests problemes el Departament Experimental de l’Institut d’Investigació de Transplantologia i Òrgans Artificials amb el nom de V.I. Shumakov del Ministeri de Salut de RF hi ha la tecnologia d’autotrasplantament del progenitor, les cèl•lules pluripotents, així com el trasplantament de cèl•lules mare, desenvolupant i introduint.

Les cèl•lules per a l’autotrasplantament es van prendre d’un pacient, per exemple, de la medul•la òssia i es van sotmetre a diferenciació en un bioreactor (fermentador), en un medi nutrient. Després van ser trasplantats a el mateix pacient durant l’operació en el camp quirúrgic, per exemple, a la zona d’atac cardíac durant la cirurgia miocàrdica.

Les cèl•lules van adquirir propietats de marcapassos en el bioreactor causa de la diferenciació segons el cap del grup de recerca, M.E.Krasheninnikov (Departament Experimental de l’Institut Central d’Investigació de TAO, l’assessor científic és el Professor N.A. Onishchenko). El medi nutrient de l’bioreactor i el substrat cel•lular estaven immòbils. Es va passar oxigen a través d’aquest mitjà. El 2005, nosaltres (A.L. Karabachinsky, G.V. Stepanov, D.A. Semerenko) vam proposar que M.E. Krasheninnikov conduís el creixement i la diferenciació cel•lular amb la posterior morfogènesi per a l’autotrasplantament en una membrana mòbil magnetoelástica (ME) sota la influència d’un camp electromagnètic altern (EMF ) i magnetoelástico (ME) camp magnètic.

L’experiment va utilitzar materials magnetoelàstics. Digueu-nos què és i com es farà servir en medicina regenerativa i biofabricació?

Magnetoelastic (ME) és una pel•lícula de polímer duradora, altament extensible, deformable elàsticament amb micro i nanopartícules de ferromagnet distribuïdes en ella, dominis magnètics. Una membrana mòbil ME oscil•la sota la influència d’un camp electromagnètic altern (EMF) de solenoide, que, juntament amb l’EMF altern i el camp magnètic ME, afecta el metabolisme de les cèl•lules, estimulant la seva diferenciació i morfogènesi. Les cèl•lules en un medi nutritiu es troben en una membrana magnetoelàstica (EM). Magnetoelastic (ME) va ser desenvolupat i fabricat per G.V. Stepanov i el seu laboratori a l’Institut Estatal d’Investigació de Tecnologia Química i Compostos Element-Orgànics (SRICHTEOC).

M.E. Krasheninnikov va acceptar la nostra oferta. Creem el model matemàtic del procés i la configuració experimental corresponent i vam realitzar una sèrie d’experiments amb cèl•lules sota la direcció de M.E. Krasheninnikov el 2006 – 2010. M. Samsonov, un estudiant de diploma en MSUIECS, va participar en els experiments. Com a resultat, vam obtenir una estructura ordenada de cèl•lules orientades sota esforços de tall i deformacions de la membrana mòbil ME. També se suposa que aquests factors, les vibracions de la membrana ME en combinació amb l’exposició a un camp electromagnètic altern (EMF), estimulen la diferenciació de les cèl•lules en cardiomiòcits, a més, formen propietats marcapassos en elles. També s’estimula la morfogènesi de les estructures cel•lulars ordenades en aquesta membrana ME mòbil.

Per tant, aquesta tecnologia es pot aplicar per a operacions en el sistema de conducció del miocardi en cas d’arítmies cardíaques. Els loci i les zones d’arítmies cardíaques poden bloquejar-se abans del trasplantament de cèl•lules diferenciades, reorganitzades per fonoforesis amb transport de noradrenalina dirigit per ultrasò, per exemple. Experiments apropiats en el node sinusal de l’miocardi dels animals experimentals (conills, gossos) es van dur a terme en 1994-1996 per A.L. Karabachinsky i G.K. Txizhov a l’Institut Mèdic de Moscou amb el nom de N.I. Pirogov.

Se sap que les cèl•lules durant el desenvolupament embrionari, entre altres coses, depenen molt dels “factors mecànics de la morfogènesi”: les cèl•lules es mouen soles, es mouen entre si i finalment formen estructures anatòmiques. És possible controlar el moviment del mig magnetoelástico per obtenir un prototip d’òrgan o teixit?

La idea de conrear i diferenciar cèl•lules en un medi mòbil és simple: medi nutritiu mòbil en combinació amb l’acció dels ferments (enzims), altres factors bioquímics, camps acústics, camps electromagnètics alterns biocompatibles, en particular, la baixa freqüència (LF) , la freqüència extremadament alta (EHF) i el rang òptic (làser) recrea i millora els factors de proliferació natural, la diferenciació cel•lular i la morfogènesi tant en el procés d’embriogènesi com en el procés de ontogènesi posterior.

La tecnologia desenvolupada i investigada per nosaltres sembla prometedora. Aquest treball va ser parcialment recolzat per una subvenció del “Personal Federal i Científic-Pedagògic Personal de Rússia Innovadora” NK-372P-1 (P1714) Programa Federal d’objectius. Es van publicar dos articles en la col•lecció de treballs científics i en la revista. Actualment, A.V. Kirichenko (Institut d’Enginyeria Mecànica de RAS) va ser l’iniciador de la represa d’aquest treball, va arribar a idees similars independentment de nosaltres. En particular, A.V. Kirichenko va proposar la idea de crear 3D espacial – estructures musculars cel•lulars (morfogènesi artificial) utilitzant bioimpressió 3D.

Com veu el desenvolupament d’aquest mètode de control de la morfogènesi artificial en el futur, potser fins i tot en el distant?

1. La creació de teixits artificials i òrgans complets en un bioreactor (fermentador), en un mitjà de gel biodegradable, que també és un mitjà nutrient per a les cèl•lules cultivades i diferenciades en una membrana mòbil ME sota la influència d’un camp electromagnètic altern (EMF) a la part baixa i freqüències infra-baixes de la franja biològic, en el rang EHF, així com la radiació làser. Aquí és de gran importància no només la freqüència del senyal d’exposició, sinó també la freqüència de les sessions d’exposició d’aquests camps físics. Aquestes freqüències han d’estar sincronitzades, en ressonància o múltiples a les freqüències del metabolisme energètic de les cèl•lules; és a dir, aparellar el seu espectre de bioritmes.

2. El creixement d’òrgans artificials (morfogènesi) a l’antic entorn natural d’òrgans amb l’ajuda del trasplantament en massa (autotrasplantament cel•lular) de cèl•lules i teixits diferenciats cultivats en una membrana mòbil ME en un bioreactor sembla més prometedor. És un trasplantament massiu i distribuït de material cel•lular i teixits en l’òrgan vell (miocardi, fetge, ronyons, medul•la espinal i cervell) que és necessari perquè, a causa de l’apoptosi dels mitocondris de cèl•lules velles amb renovació periòdica, les cèl•lules apareixen en el seu lloc que conté els mitocondris genèticament determinades també van incloure el programa d’apoptosi. Aquest programa d’apoptosi no està inclòs en les cèl•lules trasplantades.

Potser, sota condicions de morfogènesi artificial, cal dur a terme un lliurament dirigida de medicaments que continguin “ions de V.P. Skulachev” al lloc d’autotrasplantament de cèl•lules i teixits. Per estimular les cèl•lules marcapassos trasplantades a l’aurícula dreta el miocardi, cal connectar els marcapassos cardíacs elèctrics (ECP), així com l’exposició sense contacte a aquestes zones d’un camp electromagnètic altern (EMF). De la mateixa manera, la neuroestimulació làser electromagnètica (EMLNS) s’ha de fer al trasplantar material cel•lular en les àrees de cervell i (o) la medul•la espinal.

3. La creació d’un ventricle artificial de cor (AVH) i una bomba cardíaca (CP) amb bioimpresión 3D, biocompatible amb cèl•lules sanguínies en circulació extracorpòria. Les xarxes distribuïdes de estimuladors electromagnètics sota la supervisió dels microcontroladors s’han d’integrar en les parets de AVH i CP per estimular les cèl•lules sanguínies. El miocardi no només realitza funcions de bombament, sinó que també és un generador de camp elèctric i magnètic. Forma dipols elèctrics i magnètics, per exemple, en els glòbuls vermells per a l’acoblament de “rouleaux” durant l’electroadhesió, l’estimulació del metabolisme de l’oxigen i el manteniment de l’homeòstasi.

Totes les tecnologies propostes han de contenir models matemàtics implementats per programari que identifiquin i controlin els processos de morfogènesi dels òrgans artificials.

Entrevista: Alexey Kirichenko

Read more: Ciència i enginyeria modernes amb Ivan Stepanyan ...