Разработка микрофлюидной биотехнической системы для исследования процессов биотрансформации лекарственных веществ in vitro тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, кандидат наук Киндеева Ольга Владимировна

• Киндеева Ольга Владимировна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Киндеева Ольга Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ БИОТРАНСФОРМАЦИИ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ

1.1. Основные понятия биотрансформации лекарственных веществ

1.2. Различные подходы токсикологических исследований новых лекарственных веществ

1.3. Анализ современных биотехнических систем для исследования процессов биотрансформации лекарственных веществ in vitro

1.4. Определение требований, предъявляемых к потоку питательной жидкости в микрофлюидной биотехнической системе

1.5. Постановка задачи

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЗВОЛЯЮЩИЕ ОБОСНОВАТЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

2.1. Обзор современных теоретических методов, применяемых для исследования течения жидкости в микроканалах

2.2. Конструкция микрофлюидной биотехнической системы

2.3. Математическая модель течения жидкости в микроканалах с учётом упругости стенок

2.3.1. Определение профиля скорости течения жидкости по сечению микроканала

2.3.2. Определение давления жидкости в канале с учётом упругости стенок

2.4.Экспериментальные исследования течения жидкости в микрофлюидной биотехнической системе

Стр.

2.4.1.Проектирование и разработка метода изготовления микрофлюидной биотехнической системы

2.4.2. Определение расхода жидкости в замкнутом микроканале

2.4.3. Использование метода ^РIV для измерения скорости течения жидкости в микрофлюидной биотехнической системе

2.5. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований

2.6. Теоретическая и экспериментальная оценка напряжений, действующих на клетки со стороны текущей жидкости

2.7. Определение оптимального режима микроциркуляции для клеток HepaRG

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МИКРОФЛЮИДНОЙ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ КЛЕТОЧНЫХ МОДЕЛЕЙ ПЕЧЕНИ ЧЕЛОВЕКА

3.1. Конструкция биотехнической системы

3.2. Алгоритм работы насоса

3.3. Пример готового изделия

ГЛАВА 4. МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННОЙ МИКРОФЛЮИДНОЙ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

£ - относительный размер,

Н - высота микроканала, м,

W - ширина микроканала, м,

р - давление, Па,

v(u,v,w) - скорость жидкости, м/с,

ц - динамическая вязкость, Па-с,

L - длина микроканала, м,

Q - объёмный расход жидкости, м/с,

R - гидравлическое сопротивление, (Па-с)/м ,

Е - модуль Юнга, Па,

I - электрический ток, А,

Re - электрическое сопротивление, Ом,

и - напряжение, В,

р - плотность, кг/м3,

g - ускорение свободного падения, м/с2,

^ - кинематическая вязкость жидкости, м2/с,

t - время, с,

Dm, Dc - диаметр мембраны, диаметр клеточной ячейки, м,

Сх - линейная податливость микроканала, м2/Па,

Rx - линейное гидравлическое сопротивление канала, (Па-с)/м4,

Wo - число Уомерсли,

ю - частота пульсаций потока, Гц,

въ в2 - эмпирические коэффициенты

£ - поперечное сечение канала, м,

т - толщина мембраны, м,

у - коэффициент Пуассона,

V - объём канала, м3,

к - коэффициент сжимаемости,

Т - период работы микронасоса, с,

5 - относительная погрешность,

Re - число Рейнольдса,

тц - касательное напряжение, Па,

кф - коэффициент проницаемости пористой среды, м , d - диаметр сфероида HepaRG, м, £ - относительная деформация.

МБТС - микрофлюидная биотехническая система,

CYP - цитохром Р450,

ПДМС - полидиметилсилоксан,

TEER - трансэпителиальное электрическое сопротивление (transepithelial electrical resistance),

^PIV - метод трассерной визуализации потока в микроканалах (micro-particle image velocimetry),

ЧПУ - числовое программное управление, ППС - полная питательная среда, ДМСО - диметилсульфоксид.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка микрофлюидной биотехнической системы для исследования процессов биотрансформации лекарственных веществ in vitro»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и степень разработанности темы исследования. Создание нового лекарственного вещества является крайне сложным, длительным и требующим огромных финансовых затрат процессом. Разработка и дальнейшее развитие нового препарата представляет собой сложную задачу, так как требует проверки биологической гипотезы на человеке. Как правило, путь от исследовательских работ до получения готового продукта занимает около 10-15 лет [1,2]. Поэтому необходимо сократить сроки тестирования новых лекарственных соединений и сократить стоимость их разработки.

В целом, процесс производства новых терапевтических средств состоит из двух этапов: поиск новых лекарств и разработка лекарственного препарата. Этап поиска включает в себя выбор цели, идентификацию прототипа и доклинические испытания, а этап разработки - клинические испытания, производство и контроль за жизненным циклом продукта [2]. На первом этапе, выбирают биологическую цель, например, ген или белок, на который может влиять молекула потенциального вещества, вызывая при этом терапевтический эффект. Далее проводятся исследования на клеточных культурах, тканях и животных моделях с целью определить, влияет ли потенциальное лекарство на выбранную цель. Как только цель установлена, идентифицируется молекула или прототип, которая взаимодействует с целью. Прототип проходит оптимизацию путём тестирования и проверки схожих соединений и оценивается с позиций предварительной безопасности, технических и коммерческих возможностей. Кроме того, безопасность и эффективность препарата-кандидата проверяется с помощью тестов на животных моделях. Из тысяч исследуемых соединений только несколько прототипов переходят к стадии разработки лекарственного вещества в виде клинических испытаний и производства [3,4].

Попадая в организм, лекарственные вещества (ксенобиотики), подвергаются ряду физико-химических и биохимических превращений, которые называются

биотрансформацией или метаболизмом. В ходе превращений ксенобиотики преобразуются в более полярные и, следовательно, водорастворимые компоненты (метаболиты), которые легче выводятся из организма. В большинстве случаев метаболиты лекарственных веществ менее фармакологически активны и менее токсичны, чем исходные соединения. Однако биотрансформация некоторых веществ приводит к образованию метаболитов, более активных по сравнению с вводимыми в организм веществами [5]. В результате биотрансформации лекарственных веществ может произойти: инактивация лекарственных веществ, т.е. снижение их фармакологической активности; повышение активности лекарственных веществ; образование токсических метаболитов [6]. Многие реакции биотрансформации лекарственных веществ могут быть индуцированы или ингибированы другими препаратами при их совместном приеме. Это может приводить к уменьшению или увеличению концентрации препарата и его метаболитов (включая активные или токсические метаболиты) в крови [7].

Во избежание межлекарственных взаимодействий при единовременном приеме нескольких лекарственных веществ необходимо учитывать, как пути биотрансформации каждого вещества в отдельности, так и их способность влиять на метаболизм других веществ. Знание особенностей биотрансформации препарата позволяет избежать клинических последствий в виде неэффективности лекарственных веществ и их избыточной токсичности, а также оценить возможное межлекарственное взаимодействие.

Согласно требованиям национальных нормативных документов, все доклинические испытания лекарственных веществ проводятся с использованием лабораторных животных [8,9]. Кроме того, для получения дополнительной информации используются субклеточные фракции (микросомы) и первичные культуры гепатоцитов человека. При проведении исследований токсичности новых лекарственных веществ исследователи исходят из допущения, что эффект, который наблюдается у лабораторных животных, будет проявляться и у человека. Однако такой подход не гарантирует отсутствия токсичности в дальнейшем для человека в связи с наличием серьезных видоспецифических различий -

изоферментный профиль, уровень экспрессии и активность цитохромов Р450 [1012]. Исходя из сравнительного анализа профиля экспрессии и активности изоформ CYP450 в микросомах печени животных и человека можно сделать вывод, что ни один из видов даже приблизительно не описывает профиль активностей этих ферментов у человека [13]. Субклеточные фракции не обладают всеми клеточными функциями, например, системой транспорта лекарств, а испытания на первичной культуре гепатоцитов человека связаны с логистическими трудностями. Поэтому, ряд разрабатываемых лекарственных веществ, которые не являются токсичными для лабораторных животных и успешно прошли испытания на стадии разработки, оказываются впоследствии токсичными для человека.

Испытания лекарственных веществ на животных отличаются высокой стоимостью проведения и характеризуются неполной достоверностью. Отсюда возникает необходимость развития новых методов оценки токсичности.

В наши дни решение подобных задач стало возможно благодаря интенсивному развитию клеточных технологий и высокоинформативных in vitro тестов с использованием в качестве объекта клеточных моделей органов и тканей человека. Такие методические подходы позволяют получать информацию о молекулярных механизмах реализации токсичности ксенобиотиков, а также соответствует гуманному отношению к лабораторным животным, что отражено в ряде международных соглашений, в том числе, в Директиве по окружающей среде Организации экономического сотрудничества и развития.

Тем не менее, при использовании в качестве объекта исследований и испытаний клеточных культур возникает ряд сложностей. Из-за возможной вариабельности условий культивирования объекта исследований затруднено получение воспроизводимых количественных результатов. Поэтому создание достоверных клеточных моделей органов и тканей человека является актуальной задачей для разработки новых лекарственных веществ и эффективной доклинической оценки действия препаратов - их токсичности, поиска молекулярных мишеней, путей биотрансформации и т.п. Последние научные

достижения в области микрофлюидики позволили создать биотехнические модели функциональных органов человека, которые получили название «органы-на-чипе» [14,15]. В микрофлюидные устройства могут быть встроены специальные элементы: насосы, клапаны и смесители, которые позволяют управлять точно дозированными объемами жидкости в микромасштабе [16]. Такие устройства становятся полезными инструментами для разработки новых лекарственных веществ. Кроме того, технология "орган-на-чипе" в будущем имеет перспективы стать основой для доклинических испытаний с высокой предсказательной силой [17,18].

В связи с этим сформулированы цель и задачи настоящей диссертации. Цель работы заключается в разработке микрофлюидной биотехнической системы (МБТС) для исследования процессов биотрансформации лекарственных веществ in vitro.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка метода изготовления биотехнической системы, обеспечивающей высокую биосовместимость материалов с клеточными моделями печени человека.

2. Разработка математической модели, позволяющей определить основные гидродинамические параметры течения жидкости в биотехнической системе.

3. Оптимизация и обоснование геометрических параметров биотехнической системы для обеспечения условий культивирования клеточных моделей органов человека, близких физиологическим.

4. Анализ результатов медико-биологических исследований эффективности разработанных технических средств и методов.

Научная новизна

В процессе решения поставленных задач получены следующие новые научные результаты:

1. На основе экспериментально полученных коэффициентов, описывающих механические свойства используемого полимера, составлена

математическая модель течения жидкости в микроканале, учитывающая деформацию упругих стенок.

2. Теоретически получены и подтверждены экспериментально зависимости давления и расхода жидкости в МБТС от режимных параметров интегрированного мембранного микронасоса.

3. Исходя из анализа полученных зависимостей, предложено использовать шеститактный алгоритм переключения клапанов.

4. Разработана микрофлюидная биотехническая система, позволяющая проводить четыре однотипных одномоментных независимых медико-биологических исследований in vitro, исходя из требований к течению жидкости, предъявляемых трёхмерной моделью печени - сфероидами клеток HepaRG (напряжения не более 0.05 Па, расход до 17.5 мкл/мин).

5. Основываясь на теоретически полученных значениях напряжений, действующих на клеточные модели, культивируемые в МБТС (не более 0.05 Па), и на результатах медико-биологических исследований, показано, что при оптимальном режиме работы МБТС (±10 кПа, 5 Гц) клетки HepaRG демонстрируют жизнеспособность (142±5%) и высокий уровень экспрессии функциональных генов (более чем в 1.2 раза) относительно статического режима культивирования в 96-луночном планшете.

Теоретическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в том, что полученная методика проектирования МБТС использует математическую модель с минимальными допущениями, которая учитывает особенности микроканалов БТС, что позволяет оценить влияние геометрических и режимных параметров на характеристики течения жидкости.

Практическая значимость - разработан способ проектирования МБТС, позволяющий оптимизировать геометрические параметры микрофлюидных устройств медико-биологического назначения и принимать конструктивные решения, которые могут быть использованы при разработке новых перспективных микрофлюидных устройств;

- разработан метод изготовления МБТС с учётом конкретных гидродинамических параметров течения жидкости в микроканалах устройства, который обеспечивает биосовместимость и стерильность, что имеет большое значение при проведении медико-биологических исследований;

- разработаны, изготовлены и испытаны МБТС для проведения исследований оценки гепатотоксичности новых лекарственных веществ.

Методология и методы исследования

Методологическую основу работы составляют труды отечественных и зарубежных учёных в области проектирования микрофлюидных биотехнических систем, гидродинамики микроканалов, физико-химических свойств полимерных материалов и проведения медико-биологических исследований in vitro.

Методы исследования выбирались исходя из постановки решаемых задач с учётом особенностей изучаемых объектов, и включали в себя определение физико-химических свойств используемых материалов; измерение скорости жидкости методом цифровой трассерной визуализации потока; анализ и сравнение полученных теоретически и экспериментально физических параметров потока жидкости в разрабатываемой системе.

Основные положения, выносимые на защиту:

Разработанная математическая модель течения жидкости в микроканале с упругими стенками позволяет определять значения давления и скорости жидкости в каждой точке канала в любой момент времени.

Разработанные математическая модель и подтверждающие её достоверность экспериментальные исследования позволяют определять напряжения, которые действуют на культивируемые клетки, тем самым, оптимизировать геометрические параметры МБТС и режимные характеристики насоса.

Метод изготовления МБТС, основанный на заполнении мастер-форм полимером ПДМС в центрифуге и последующей полимеризацией, обеспечивает изготовление МБТС, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к системам для исследования биотрансформации лекарственных веществ.

Разработанная на основе теоретических и экспериментальных исследований МБТС реализует такое течение питательной жидкости, при котором клеточные модели демонстрируют жизнеспособность, и может быть использована для проведения статистически достоверных исследований процессов биотрансформации веществ.

Достоверность результатов работы обеспечена: базированием на строго доказанных и корректно используемых фундаментальных законах физики при проведении математического моделирования; согласованием полученных теоретических результатов с экспериментальными данными; большим статистическим экспериментальным материалом, который получен с использованием откалиброванных приборов. Статистическая обработка полученных результатов осуществлялась с помощью общепринятых методов статистики.

Апробация работы проведена на научно-техническом семинаре факультета «Биомедицинская техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана и на заседании кафедры 614 МАИ (НИУ).

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- 13-й Международной конференции "Авиация и космонавтика - 2014" (Москва, 2014);

- XLII Международной молодёжной научной конференции «Гагаринские чтения - 2016» (Москва, 2016);

- 15-й Международной конференции «Авиация и космонавтика - 2016» (Москва, 2014);

- Международном научном семинаре с элементами научной школы для молодых ученых на базе Отдела трансляционной онкологии МНИОИ им. П.А. Герцена - филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России - 2016 (Москва, 2016);

- Научной конференции с элементами научной школы для молодых ученых «Современные подходы к клеточным исследованиям in vitro в медицине»

МНИОИ им. П.А. Герцена - филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России (Москва, 2017).

Внедрение результатов работы. Полученный в результате исследований метод проектирования и изготовления микрофлюидных биотехнических систем используется в научно-производственной фирме «БиоКлиникум» для создания микрофлюидных устройств различного назначения.

Результаты диссертации были использованы при выполнении ПНИ в рамках федеральных целевых программ Министерства образования и науки РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» № 14.579.21.0018 (уникальный идентификатор RFMEFI57914X0018).

В отделе Трансляционной онкологии Московского научно-исследовательского онкологического института имени П.А. Герцена - филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России проводятся исследования клеточных культур с применением микрофлюидных биотехнических систем, разработанных согласно методу проектирования, предложенному Киндеевой О.В.

Материал, полученный в ходе работы над диссертацией, используется в образовательном процессе ФГБОУ «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», по специальности «Инженерное дело в медико-биологической практике».

Публикации. Основные результаты опубликованы в 13 печатных работах: 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, из них 2 по специальности 05.11.17, 2 статьи в журналах, входящих в международную реферативную базу данных Scopus, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 6 в тезисах конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и списка литературы. Работа изложена на 134 страницах, содержит 65 рисунков и 7 таблиц. Библиографический список насчитывает 155 наименований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ СОВРЕМЕННЫХ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ БИОТРАНСФОРМАЦИИ

ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ

1.1. Основные понятия биотрансформации лекарственных веществ

Большинство лекарственных веществ в организме подвергаются биотрансформации, в результате которой может меняться терапевтический эффект и токсичность препарата. При биотрансформации изменяются физико-химические свойства лекарств и химическая структура под действием ферментов (в основном ферментов печени). Выделяют две фазы биотрансформации лекарственных веществ [10,19,20]:

1) I фаза биотрансформации (метаболическая биотрансформация) осуществляется за счет микросомального и внемикросомального окисления, восстановления и гидролиза.

2) II фаза биотрансформации (конъюгация) — процесс присоединения к лекарству или его метаболиту химических групп (ацетильные, метильные и другие) или молекул эндогенных веществ (глутатион, глюкуроновая кислота, сульфаты и другие), в результате образуются полярные конъюгаты, которые выводятся с желчью или почками.

I фаза биотрансформации в печени осуществляется микросомальной монооксигеназной системой — ферментами, располагающимися в мембранах гладкого эндоплазматического ретикулума (ЭР), которые отвечают за окислительный метаболизм лекарств. При выделении эндоплазматического ретикулума из клеток мембраны образуют замкнутые пузырьки — микросомы, отсюда название — микросомальная система [6,21]. Микросомальные монооксигеназы также обнаружены в почках, легких, коже, слизистой оболочке носа, кишечника и других тканях. Монооксигеназная система включает в себя несколько белков, составляющих электронтранспортную цепь. Ключевую роль играют ферменты первой цепи — НАДФН-цитохром Р450-редуктаза и цитохром

P450. Они катализируют восстановление одного атома молекулы кислорода с образованием воды и включение другого атома кислорода в окисляемое вещество. Наибольшее количество цитохрома P450 находится в гепатоцитах. Важное свойство цитохрома P450 — способность метаболизировать практически все известные химические соединения [22]. Цитохром P450 имеет множество изоформ, в настоящее время выделено более 1000 [23].

1.2. Различные подходы токсикологических исследований новых

лекарственных веществ В процессе разработки новых лекарственных препаратов важно учитывать, что лишь небольшая часть ксенобиотиков выводится с мочой в неизменном виде, большинство лекарственных веществ биотрансформируются печенью под действием ферментов микросомальной монооксигеназной системы гладкого ЭР. В результате химических изменений могут образовываться активные метаболиты, оказывающие токсическое действие на организм. При оценке безопасности и специфического действия лекарственных веществ используются модели in vitro и исследования на лабораторных животных. Однако данные подходы имеют существенные недостатки.

Первым метод оценки токсичности вещества предложил J.W. Trevan [24]. Токсическую дозу определяют как отношение массы вещества к массе лабораторного животного. Отсюда берёт свои корни самый распространённый метод определения токсичности вещества «доза-эффект». В этом методе всех животных делят на несколько групп. Внутри одной группы вещество вводят в одинаковой концентрации, причём в каждой последующей группе концентрация увеличивается. После этого получают зависимость количества животных с реакцией на токсикант от вводимой дозы. Анализируют различные показатели: физическую активность животного, его поведение, умственные способности, сравнивают биохимические показатели, реакцию кожных покровов [25]. Полученные показатели токсичности могут сильно различаться. Различные виды животных по-разному реагируют на действие исследуемых веществ, это приводит к затруднению экстраполяции данных на человека. По меньшей мере половина

разрабатываемых фармакологических средств, которые не оказывали токсического действия на печень лабораторных животных, приводили к повреждению печени у людей во время клинических испытаний [26].

Неудачи на стадии клинических испытаний демонстрируют, что используемые животные модели не всегда обладают достаточной предсказательной силой. Результаты, показанные на животных, часто не воспроизводятся на человеке, что приводит к затруднению и повышению стоимости процесса разработки лекарственных веществ [27].

Альтернативой исследованиям на лабораторных животных стали экспериментальные исследования с использованием клеточных линий человека in vitro.

Существуют различные клеточные модели печени человека: изолированные первичные гепатоциты печени, срезы печени, изолируемая перфузируемая печень, иммортализированные клетки гепатомы, органотипическая трехмерная модель печени.

Изолированные первичные гепатоциты человека используются для исследования метаболизма и функционирования печени, а также биотрансформации фармакологических веществ. Первичные гепатоциты человека идеально подходят для исследования токсичности веществ, однако имеются и недостатки. Получение и поддержание жизнеспособности клеток требует очень сложных процедур [28]. Также недостатком таких моделей является низкая доступность доноров.

Токсикологические исследования на срезах печени проводят, используя иммунофлуоресцентный анализ для характеристики структуры клеток, гистологические окрашивания, а также анализ метаболизма по уровню экспрессии генов, которые отвечают за метаболизм веществ. Однако метаболизм лекарственных веществ значительно ослабевает после 24 часов инкубации и уменьшается экспрессия ферментов I и II фаз метаболизма, что затрудняет использование такой модели для исследования длительного воздействия токсических веществ [29].

Изолированная перфузируемая печень используется для исследования транспорта веществ и фармакокинетики. Эта модель представляет собой изолированный орган, в котором поддерживается циркуляция питательной среды через сосудистое русло. При исследованиях веществ на токсичность в такой модели оценивают уровень глюкозы, молочной кислоты, мочевины, сопротивление сосудов печени, скорость продукции желчи, уровень потребления кислорода. Недостатками такой модели помимо сложных манипуляций, являются невозможность длительного поддержания жизнеспособности, большое количество сопутствующего оборудования, возможность использования только печени животных. Отсюда снова возникает проблема межвидового различия [30].

Самыми часто используемыми моделями печени человека в наши дни являются иммортализированные клетки гепатомы, например, линии HepaRG, HepG2 и Huh7. Они являются альтернативой первичных гепатоцитов. Эти клеточные линии экспрессируют основные ферменты семейства цитохрома Р450 (CYP1A2, 2B6, 2C9, 2E1, 3A4) транспортные белки (MRP-2), ядерные рецепторы (CAR, PXR), факторы транскрипции, альбумин, гаптоглобин, альдолазу B (маркер зрелых гепатоцитов), CK19 (маркер желчных протоков) на уровне, сравнимом с культурой первичных гепатоцитов человека [31,32]. Было показано, что линия клеток HepaRG по уровню экспрессии генов ближе к первичным гепатоцитам человека, чем линии клеток Huh7 и HepG2 [33].

Органотипическая трехмерная клеточная модель печени (3D) (сфероиды) способна поддерживать специфические для печени функции в течение нескольких недель, межклеточные взаимодействия, морфологию, схожую с печенью in vivo. Существует множество способов получения трёхмерной модели печени в виде сфероидов. Метод «висячей капли» представляет собой получение сфероидов путем компактизации клеток при центрифугировании на низких скоростях в конических центрифужных пробирках или культивированием в 96-луночных планшетах с V-образным дном, покрытым полипропиленом [34]. Данный метод трудозатратный и относительно дорогостоящий, однако, он позволяет получать сфероиды заданных размеров, состоящие из сокультуры клеток печени

(соответствует печени in vivo). Также данный метод дает возможность контролировать размер сфероидов и их форму [35].

Исходя из всего вышесказанного, в качестве клеточной модели для исследования процессов биотрансформации ксенобиотиков in vitro целесообразно использовать органотипическую трёхмерную клеточную модель иммортализированных клеток гепатомы линии HepaRG, полученную методом «висячей капли».

1.3. Анализ современных биотехнических систем для исследования процессов биотрансформации лекарственных веществ in vitro

Распределение метаболитов в организме обеспечивается циркуляцией физиологических жидкостей, которые передают различные сигналы химической и физической природы между клетками. Микроциркуляция позволяет передавать вещества, выделенные в результате секреции, между соседними клетками, обеспечивает взаимодействие с межклеточным матриксом и межклеточные контакты. Клетки, которые выращены в отсутствие микроциркуляции существенно отличаются от клеток в окружении in vivo по таким параметрам как дифференцировка (процесс реализации генетически обусловленной программы формирования специализированного фенотипа клеток), пролиферация (разрастание ткани организма путём размножения клеток делением), миграция (клеточные перемещения) [36-38]. Поэтому для изучения процессов биотрансформации лекарственных веществ необходимо моделировать микроциркуляцию физиологических жидкостей.

Из научной литературы известно немало примеров моделей микроциркуляции in vitro на базе микрофлюидного устройства.

Современные микрофлюидные биотехнические системы (МБТС) представляют собой микрофлюидное устройство, состоящее из сети микроканалов, соединяющих ячейки с клеточными моделями различных органов человека. У таких систем множество применений, в том числе исследования процессов биотрансформации лекарственных веществ [39]. С появлением МБТС

были предложены разнообразные методы для моделирования условий in vivo. Рассмотрим существующие на данный момент модели органов человека.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Киндеева Ольга Владимировна, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Wu M.-H., Huang S.-B., Lee G.-B. Microfluidic cell culture systems for drug research // Lab Chip. 2010. Vol. 10, № 8. P. 939-956.

2. Kang L. Microfluidics for drug discovery and development: From target selection to product lifecycle management // Drug Discov. Today. 2008. Vol. 13, № 1-2. P. 1-13.

3. Drug Discovery and Development [Electronic resource]. 2006. P. 1-14. URL: http://cmidd.northwestern.edu/files/2015/10/Drug_RD_Brochure-12e7vs6.pdf.

4. Biopharmaceutical Research & Development: The Process Behind New Medicines [Electronic resource]. 2015. P. 1-21. URL: http://www.phrma.org/.

5. Лепахин В.К., Белоусов Ю.Б., Моисеев В.С. Клиническая фармакология с международной номенклатурой лекарств. Москва: Издательство Университета дружбы народов, 1988. 446 с.

6. Е.С. Северин (ред.). Биохимия: Учеб. для вузов. «ГЭОТАР-МЕД», 2003. 779 с.

7. Parkinson A., Klaasen C.D., Watkins J.B. Biotransformation of xenobiotics // Casarett Doull's Essentials Toxicol. 2001. P. 133-144.

8. Федеральный закон от 12.04.2010 N 61-ФЗ (ред. от 03.07.2016) «Об обращении лекарственных средств» (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.01.2017).

9. Приказ Минздрава России от 01.04.2016 N 199н «Об утверждении Правил надлежащей лабораторной практики» (Зарегистрировано в Минюсте России 15.08.2016 N 43232).

10. Куценко С.А. Основы токсикологии. Москва: Фолиант, 2004. 570 p.

11. Paul S.M., Mytelka D.S., Dunwiddie C.T., et al. How to improve R&D productivity: the pharmaceutical industry's grand challenge // Nat. Rev. Drug Discov. 2010. Vol. 9, № 3, P. 203-214.

12. Johnson J.I., Decker S., Zaharevitz D., et al. Relationships between drug activity

in NCI preclinical in vitro and in vivo models and early clinical trials // Br. J. Cancer. 2001. Vol. 84, № 10. P. 1424-1431.

13. Liddle C., Stedman C.A.M. Hepatic metabolism of drugs // Rodes, J.; Benhamou, JP.; Blei,. 2007. Vol. A. P. 241-249.

14. Whitesides G.M. The origins and the future of microfluidics // Nature. 2006. Vol. 442, № 7101. P. 368-373.

15. Yager P., Edwards T., Fu E., et al. Microfluidic diagnostic technologies for global public health // Nature. 2006. Vol. 442, № 7101. P. 412-418.

16. Евстрапов А.А. Микрофлюидные устройства для исследований биологических проб методами флуорометрии и оптической микроскопии высокого разрешения: дис. ... д-ра техн. наук Институт аналитического приборостроения РАН, 2012. 353 с.

17. Esch E.W., Bahinski A., Huh D. Organs-on-chips at the frontiers of drug discovery // Nat. Rev. Drug Discov. 2015. Vol. 14, № 4. P. 248-260.

18. Wagner I., Materne E.-M., Brincker S., et al. A dynamic multi-organ-chip for long-term cultivation and substance testing proven by 3D human liver and skin tissue co-culture // Lab Chip. 2013. Vol. 13, № 18. P. 3538.

19. Сычев Д.А., Раменская Г.В., Игнатьев И.В., и др. Клиническая фармакогенетика: учебное пособие. Гэотар-Медиа. 2007. 248 с.

20. Под ред. В.Г. Кукеса. Клиническая фармакокинетика: теоретические, прикладные и аналитические аспекты: руководство. ГЭОТАР-Медиа, 2009. 432 с.

21. Егорова Т.А., Клунова С.М., Живухина Е.А. Основы биотехнологии. Москва: Издательский центр «Академия», 2003. 208 с.

22. Danielson P.B. The Cytochrome P450 Superfamily: Biochemistry, Evolution and Drug Metabolism in Humans // Curr. Drug Metab. 2002. Vol. 3, № 6. P. 561-597.

23. Frye R.F. Probing the world of cytochrome P450 enzymes // Mol Interv. 2004. Vol. 4, № 3. P. 157—162.

24. Trevan J.W. The Error of Determination of Toxicity // Proc. R. Soc. Lond. B. 1927. Vol. 101, № 712. P. 483-514.

25. Рембовский В.Р., Попович В.И., Кривокорытов В.П., и др. Экспериментальное изучение методов оценки поведенческих реакций животных на воздействие малых доз фосфорорганических отравляющих веществ // Российский Химический Журнал. 2002. Т. XLVI, № 6. С. 98-103.

26. Olson H., Betton G., Robinson D., et al. Concordance of the Toxicity of Pharmaceuticals in Humans and in Animals // Regul. Toxicol. Pharmacol. 2000. Vol. 32, № 1. P. 56-67.

27. Kola I., Landis J. Can the pharmaceutical industry reduce attrition rates? // Nat. Rev. Drug Discov. 2004. Vol. 3, № 8. P. 711-715.

28. Pless G., Sauer I.M., Rauen U. Improvement of the Cold Storage of Isolated Human Hepatocytes // Cell Transplant. 2012. Vol. 21, № 1. P. 23-37.

29. Graaf I.A., Groothuis G.M., Olinga P. Precision-cut tissue slices as a tool to predict metabolism of novel drugs // Expert Opin. Drug Metab. Toxicol. 2007. Vol. 3, № 6. P. 879-898.

30. Godoy P., Hewitt N.J., Albrecht U., et al. Recent advances in 2D and 3D in vitro systems using primary hepatocytes, alternative hepatocyte sources and non-parenchymal liver cells and their use in investigating mechanisms of hepatotoxicity, cell signaling and ADME // Arch. Toxicol. 2013. Vol. 87, № 8. P. 1315-1530.

31. Dumont J., Josse R., Lambert C., et al. Differential toxicity of heterocyclic aromatic amines and their mixture in metabolically competent HepaRG cells // Toxicol. Appl. Pharmacol. 2010. Vol. 245, № 2. P. 256-263.

32. Guillouzo A., Corlu A., Aninat C., et al. The human hepatoma HepaRG cells: A highly differentiated model for studies of liver metabolism and toxicity of xenobiotics // Chem. Biol. Interact. 2007. Vol. 168, № 1. P. 66-73.

33. Jennen D.G.J., Magkoufopoulou C., Ketelslegers H.B., et al. Comparison of HepG2 and HepaRG by Whole-Genome Gene Expression Analysis for the Purpose of Chemical Hazard Identification // Toxicol. Sci. 2010. Vol. 115, № 1. P. 66-79.

34. Сабурина И.Н., Репин В.С. 3d-культивировaние: от отдельных клеток к

регенерационной ткани // Гены Клетки Т. V. 2010. № 2. С. 75-86.

35. Lin R.-Z., Chang H.-Y. Recent advances in three-dimensional multicellular spheroid culture for biomedical research // Biotechnol. J. 2008. Vol. 3, № 9-10. P. 1172-1184.

36. Sung J.H., Shuler M.L. A micro cell culture analog (^CCA) with 3-D hydrogel culture of multiple cell lines to assess metabolism-dependent cytotoxicity of anticancer drugs // Lab Chip. 2009. Vol. 9, № 10. P. 1385.

37. Marx U., Walles H., Hoffmann S., et al. «Human-on-a-chip» developments: a translational cutting-edge alternative to systemic safety assessment and efficiency evaluation of substances in laboratory animals and man? // Altern. Lab. Anim. 2012. Vol. 40, № 5. P. 235-257.

38. Esch M.B., Sung J.H., Yang J., et al. On chip porous polymer membranes for integration of gastrointestinal tract epithelium with microfluidic «body-on-a-chip» devices // Biomed. Microdevices. 2012. Vol. 14, № 5. P. 895-906.

39. Caplin J.D., Granados N.G., James M.R., et al. Microfluidic Organ-on-a-Chip Technology for Advancement of Drug Development and Toxicology // Adv. Healthc. Mater. 2015. Vol. 4, № 10. P. 1426-1450.

40. Toh Y.-C.C., Lim T.C., Tai D., et al. A microfluidic 3D hepatocyte chip for drug toxicity testing // Lab Chip. 2009. Vol. 9, № 14. P. 2026-2035.

41. Kane B.J., Zinner M.J., Yarmush M.L., et al. Liver-specific functional studies in a microfluidic array of primary mammalian hepatocytes // Anal. Chem. 2006. Vol. 78, № 13. P. 4291-4298.

42. Lee P.J., Hung P.J., Lee L.P. An artificial liver sinusoid with a microfluidic endothelial-like barrier for primary hepatocyte culture // Biotechnol. Bioeng. 2007. Vol. 97, № 5. P. 1340-1346.

43. Mao S., Gao D., Liu W., et al. Imitation of drug metabolism in human liver and cytotoxicity assay using a microfluidic device coupled to mass spectrometric detection // Lab Chip. 2012. Vol. 12, № 1. P. 219-226.

44. Zhang J., Wu J., Li H., et al. An in vitro liver model on microfluidic device for analysis of capecitabine metabolite using mass spectrometer as detector // Biosens.

Bioelectron. Elsevier, 2015. Vol. 68, № June. P. 322-328.

45. Domansky K., Inman W., Serdy J., et al. Perfused multiwell plate for 3D liver tissue engineering // Lab Chip. 2010. Vol. 10, № 1. P. 51-58.

46. Kim H.J., Huh D., Hamilton G., et al. Human gut-on-a-chip inhabited by microbial flora that experiences intestinal peristalsis-like motions and flow. // Lab Chip. 2012. Vol. 12, № 12. P. 2165-2174.

47. Ramadan Q., Jafarpoorchekab H., Huang C., et al. NutriChip: nutrition analysis meets microfluidics // Lab Chip. 2013. Vol. 13, № 2. P. 196-203.

48. Yeon J.H., Park J.K. Drug permeability assay using microhole-trapped cells in a microfluidic device // Anal. Chem. 2009. Vol. 81, № 5. P. 1944-1951.

49. Shah P., Fritz J. V., Glaab E., et al. A microfluidics-based in vitro model of the gastrointestinal human-microbe interface // Nat Commun. 2016. Vol. 7, № May. P. 11535.

50. Ferrell N., Desai R.R., Fleischman A.J., et al. A microfluidic bioreactor with integrated transepithelial electrical resistance (TEER) measurement electrodes for evaluation of renal epithelial cells // Biotechnol. Bioeng. 2010. Vol. 107, № 4. P. 707-716.

51. Douville N.J., Zamankhan P., Tung Y.-C., et al. Combination of fluid and solid mechanical stresses contribute to cell death and detachment in a microfluidic alveolar model // Lab Chip. 2011. Vol. 11, № 4. P. 609-619.

52. Kniazeva T., Hsiao J.C., Charest J.L., et al. A microfluidic respiratory assist device with high gas permeance for artificial lung applications // Biomed. Microdevices. 2011. Vol. 13, № 2. P. 315-323.

53. Huh D., Matthews B.D., Mammoto A., et al. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. // Science. 2010. Vol. 328, № 5986. P. 1662-1668.

54. Jang K.-J., Suh K.-Y. A multi-layer microfluidic device for efficient culture and analysis of renal tubular cells // Lab Chip. 2010. Vol. 10, № 1. P. 36-42.

55. Jang K.-J., Mehr A.P., Hamilton G. a, et al. Human kidney proximal tubule-on-a-chip for drug transport and nephrotoxicity assessment // Integr. Biol. 2013. Vol. 5, № 9. P. 1119.

56. Choucha-Snouber L., Aninat C., Grsicom L., et al. Investigation of ifosfamide nephrotoxicity induced in a liver-kidney co-culture biochip // Biotechnol. Bioeng. 2013. Vol. 110, № 2. P. 597-608.

57. Shin M., King K., Matsuda K., et al. Endothelialized Networks with a Vascular Geometry in Microfabricated Poly(dimethyl siloxane)// Biomed. Microdevices. 2006. Vol. 8, № 3. P. 271-271.

58. Cukierman E. Taking Cell-Matrix Adhesions to the Third Dimension // Science. 2001. Vol. 294, № 5547. P. 1708-1712.

59. Nelson C.M., Bissell M.J. Of Extracellular Matrix, Scaffolds, and Signaling: Tissue Architecture Regulates Development, Homeostasis, and Cancer // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2006. Vol. 22, № 1. P. 287-309.

60. Pickl M., Ries C.H. Comparison of 3D and 2D tumor models reveals enhanced HER2 activation in 3D associated with an increased response to trastuzumab // Oncogene. 2009. Vol. 28, № 3. P. 461-468.

61. Grodzinsky A.J., Levenston M.E., Jin M., et al. Cartilage Tissue Remodeling in Response to Mechanical Forces // Annu. Rev. Biomed. Eng. 2000. Vol. 2, № 1. P. 691-713.

62. Levick J.R. Flow through interstitium and other fibrous matrices // Q. J. Exp. Physiol. 1987. Vol. 72, № 4. P. 409-437.

63. Swartz M.A., Fleury M.E. Interstitial Flow and Its Effects in Soft Tissues // Annu. Rev. Biomed. Eng. 2007. Vol. 9, № 1. P. 229-256.

64. Chary S.R., Jain R.K. Direct measurement of interstitial convection and diffusion of albumin in normal and neoplastic tissues by fluorescence photobleaching. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1989. Vol. 86, № 14. P. 5385-5389.

65. Ng C.P., Helm C.-L.E., Swartz M.A. Interstitial flow differentially stimulates blood and lymphatic endothelial cell morphogenesis in vitro // Microvasc. Res. 2004. Vol. 68, № 3. P. 258-264.

66. Wang S., Tarbell J.M. Effect of Fluid Flow on Smooth Muscle Cells in a 3-Dimensional Collagen Gel Model // Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 2000. Vol. 20, № 10. P. 2220-2225.

67. Ethier C.R., Johnson M., Ruberti J. Ocular Biomechanics and Biotransport // Annu. Rev. Biomed. Eng. 2004. Vol. 6, № 1. P. 249-273.

68. Rutkowski J.M., Swartz M.A. A driving force for change: interstitial flow as a morphoregulator. // Trends Cell Biol. 2007. Vol. 17, № 1. P. 44-50.

69. LeCluyse E.L., Witek R.P., Andersen M.E., et al. Organotypic liver culture models: Meeting current challenges in toxicity testing // Crit. Rev. Toxicol. 2012. Vol. 42, № 6. P. 501-548.

70. Lalor P.F., Adams D.H. Adhesion of lymphocytes to hepatic endothelium. // Mol. Pathol. 1999. Vol. 52, № 4. P. 214-219.

71. Koutsiaris A.G., Tachmitzi S. V., Batis N., et al. Volume flow and wall shear stress quantification in the human conjunctival capillaries and post-capillary venules in vivo // Biorheology. 2007. Vol. 44, № 5-6. P. 375-386.

72. Siggers J.H., Leungchavaphongse K., Ho C.H., et al. Mathematical model of blood and interstitial flow and lymph production in the liver // Biomech. Model. Mechanobiol. 2014. Vol. 13, № 2. P. 363-378.

73. Wells R.G. Tissue mechanics and fibrosis // Biochim. Biophys. Acta - Mol. Basis Dis. 2013. Vol. 1832, № 7. P. 884-890.

74. Moran E.C., Baptista P.M., Evans D.W., et al. Evaluation of parenchymal fluid pressure in native and decellularized liver tissue. // Biomed. Sci. Instrum. 2012. Vol. 48. P. 303-309.

75. Tamayol A., Bahrami M. Laminar Flow in Microchannels With Noncircular Cross Section // J. Fluids Eng. 2010. Vol. 132, № 11. P. 111201.

76. Pfahler J., Harley J., Bau H., et al. Liquid Transport in Micron and Submicron Channels // Sensors Actuators, A Phys. 1990. Vol. 21, № November. P. 431-434.

77. Harley J.C. Gas flow in microchannels // J. Fluid Mech. 1995. Vol. 28. P. 257274.

78. Serizawa A., Feng Z., Kawara Z. Two-phase flow in microchannels // Exp. Therm. Fluid Sci. 2002. Vol. 26, № 6-7. P. 703-714.

79. Gao P., Le Person S., Favre-Marinet M. Scale effects on hydrodynamics and heat transfer in two-dimentsional mini and microchannels // Int. J. Therm. Sci. 2002.

Vol. 41. P. 1017-1027.

80. Weilin Q., Mohiuddin Mala G., Dongqing L. Pressure-driven water flows in trapezoidal silicon microchannels // Int. J. Heat Mass Transf. 2000. Vol. 43, № 3. P. 353-364.

81. Koutsiaris A.G. Digital micro PIV (^PIV) and velocity profiles in vitro and in vivo [Electronic resource] // Particle image velocimetry. 2012. URL: http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/37161.pdf.

82. Harley J., Bau H., Zemel J.N., et al. Fluid flow in micron and submicron size channels // IEEE Micro Electro Mechanical Systems. IEEE, 1989. P. 25-28.

83. Choi S.B., Barren R.R., Warrington R.O. Fluid flow and heat transfer in micro tubes // ASME DSC. 1991. Vol. 40. P. 89-93.

84. Wu H.Y., Cheng P. Friction factors in smooth trapezoidal silicon microchannels with different aspect ratios // Int. J. Heat Mass Transf. 2003. Vol. 46, № 14. P. 2519-2525.

85. Tretheway D.C., Meinhart C.D. Apparent fluid slip at hydrophobic microchannel walls // Phys. Fluids. 2002. Vol. 14, № 3. P. 9-12.

86. Peng X.F., Peterson G.P., Wang B.X. Frictional flow characteristics of water flowing through rectangular microchannels // Exp. Heat Transf. 1994. Vol. 7, № 4. P. 249-264.

87. Papautsky I., Gale B.K., Mohanty S.K., et al. Effects of rectangular microchannel aspect ratio on laminar friction constant // Microfluid. Devices Syst. II. - Int. Soc. Opt. Photonics / ed. Ahn C.H., Frazier A.B. 1999. Vol. 3877. P. 147-159.

88. Purday H.F.P. An introduction to the mechanics of viscous flow: film lubrication, the flow of heat by conduction and heat transfer by convection // Dover Publications. New York, 1949. 185 p.

89. Truskey G.A., Yuan F., Katz D.E. Transport Phenomena in Biological Systems. NJ: Duke University, Durham, 2004. 773 p.

90. Bruus H. Theoretical Microfluidics. Oxford: Oxford University Press, 2007.363 p.

91. Holden M., Kumar S., Beskok A., et al. Microfluidic diffusion diluter: bulging of PDMS microchannels under pressure-driven flow // J. Micromechanics

Microengineering. 2003. Vol. 13, № 3. P. 412-418.

92. Gervais T., El-Ali J., Günther A., et al. Flow-induced deformation of shallow microfluidic channels // Lab Chip. 2006. Vol. 6, № 4. P. 500.

93. Chakraborty D., Prakash J.R., Friend J., et al. Fluid-structure interaction in deformable microchannels // Phys. Fluids. 2012. Vol. 24, № 10. P. 102002.

94. Ullmann A., Fono I. The piezoelectric valve-less pump - improved dynamic model // J. Microelectromechanical Syst. 2002. Vol. 11, № 6. P. 655-664.

95. Kar S., McWhorter S., Ford S.M., et al. Piezoelectric mechanical pump with nanoliter per minute pulse-free flow delivery for pressure pumping in microchannels // Analyst. 1998. Vol. 123, № 7. P. 1435-1441.

96. Robinson S. Driving Piezoelectric Actuators // Power Electron. Technol. 2006. Vol. 32. № 4. P. 40-44.

97. Takahiro Yamada, Shinji Ando Y.N. Pneumatically driven micro-pump: pat. US5499909 A USA. Japan, 1996.

98. Flaherty J.C., Harrington F.P., Gorman W.J., et al. Peristaltic infusion pump with removable cassette and mechanically keyed tube set: pat. US5213483 A USA. USA, 1993.

99. Zamir M. The Physics of Coronary Blood Flow // Biological and Medical Physics - Biomedical Engineering. 2007. 417 p.

100. Goh J. Effects of wall compliance on pulsatile flow attenuation in microchannels. Master of Science Thesis. San Jose State University. UMI. 2009. 119 p.

101. Петров В.А., Герасименко Т.Н., Киндеева О.В., и др. Определение закона изменения управляющего давления над клапанами микронасоса с пневматическим приводом // Инженерный журнал наука и инновации. 2017. Т. 7, № 67. С. 14.

102. Gerasimenko T.N., Kindeeva O.V., Petrov V.A., et al. Modelling and characterization of a pneumatically actuated peristaltic micropump // Appl. Math. Model. 2017. Vol. 52. P. 590-602.

103. Слёзкин Н.А. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. Москва: Технико-теоретической литературы, 1955. 520 с.

104. Wunderlich B.K., Klessinger U.A., Bausch A.R. Diffusive spreading of time-dependent pressures in elastic microfluidic devices. // Lab Chip. 2010. Vol. 10, № 8. P. 1025-1029.

105. Hardy B.S., Uechi K., Zhen J., et al. The deformation of flexible PDMS microchannels under a pressure driven flow. // Lab Chip. 2009. Vol. 9, № 7. P. 935-938.

106. Gervais T., El-Ali J., Günther A., et al. Flow-induced deformation of shallow microfluidic channels // Lab Chip. 2006. Vol. 6, № 4. P. 500.

107. Reddy J.N. Theory and analysis of elastic plates and shells. Danvers: CRC press, 2006. 547 p.

108. Nedelcu O.T., Morelle J.-L., Tibeica C., et al. Modelling and Simulation of a Pneumatically Actuated Micropump // 2007 International Semiconductor Conference. IEEE, 2007. P. 77-80.

109. Busek M., Nötzel M., Polk C., et al. Characterization and simulation of peristaltic micropumps // J. Sensors Sens. Syst. 2013. Vol. 2, № 2. P. 165-169.

110. Berthier E., Young E.W., Beebe D. Engineers are from PDMS-land, Biologists are from Polystyrenia // Lab Chip. 2012. Vol. 12, № 7. P. 1224-1237.

111. Kim T.K., Kim J.K., Jeong O.C. Measurement of nonlinear mechanical properties of PDMS elastomer // Microelectron. Eng. Elsevier B.V., 2011. Vol. 88, № 8. P. 1982-1985.

112. Fincan M. Assessing Viscoelastic Properties of Polydimethylsiloxane ( PDMS ) Using Loading and Unloading of the Macroscopic Compression Test. Master of Science Thesis. University of South Florida. 2015. 80 p.

113. Huang R.C., Anand L. Non-linear mechanical behavior of the elastomer polydimethylsiloxane (PDMS) used in the manufacture of microfluidic devices [Electronic resource]. Cambridge, USA, 2005. P. 8. URL: http://hdl.handle.net/172L1/7456.

114. Peterson S.L., McDonald A., Gourley P.L., et al. Poly(dimethylsiloxane) thin films as biocompatible coatings for microfluidic devices: Cell culture and flow studies with glial cells // J. Biomed. Mater. Res. 2005. Vol. 72A, № 1. P. 10-18.

115. Eric L., Yasuyuki S., Teruo F. Cell Culture in 3-Dimensional Microfluidic Structure of PDMS (polydimethylsiloxane) // Biomed. Microdevices. 2003. Vol. 5, № 2. P. 109-114.

116. Skaalure S.C. Characterization of Sterilization Techniques on a Microfluidic Oxygen Delivery Device // J. Undergrad. Res. 2008. Vol. 2. P. 1-4.

117. Mata A., Fleischman A.J., Roy S. Characterization of Polydimethylsiloxane (PDMS) Properties for Biomedical Micro/Nanosystems // Biomed. Microdevices. 2005. Vol. 7, № 4. P. 281-293.

118. Jo B.H., Van Lerberghe L.M., Motsegood K.M., et al. Three-dimensional microchannel fabrication in polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer // J. Microelectromechanical Syst. 2000. Vol. 9, № 1. P. 76-81.

119. Eddings M., Johnson M., Gale B. Determining the optimal PDMS-PDMS bonding technique for microfluidic devices // J. Micromechanics Microengineering. 2008. Vol. 18, № 6. P. 67001.

120. Mazzeo A.D., Schrauth A.J., Hardt D.E. Fast curable liquid resin procedure for the manufacture of micro/nano featured parts. Patent US 20110254199 A1. United States, 2011. P. 9.

121. Chakraborty D., Prakash J.R., Friend J., et al. Fluid-structure interaction in deformable microchannels // Phys. Fluids. 2012. Vol. 24, № 10. P. 102002.

122. Посмитная Я.С., Букатин А.С., Макаров Д.А., и др. Альтернативные подходы при создании мастер-форм для изготовления микрофлюидных чипов методом «мягкой» литографии // Научное приборостроение. 2017. Т. 27, № 2. С. 13-20.

123. Петров В.А., Герасименко Т.Н., Киндеева О.В., и др. Микронасосы для микрофлюидных устройств: особенности выбора материалов и технология изготовления // Машиностроение и инженерное образование. 2017. Т. 2, № 51. С. 44-50.

124. Семёнова О.В., Петров В.А., Трушкин Е.В., и др. Разработка метода определения расхода питательной жидкости в замкнутом микроканале биореактора на орбитальной станции // Биотехносфера. 2014. Т. 4. С. 49-54.

125. Петров В.А., Семёнова О.В., Тоневицкая С.А., и др. Определение параметров пульсирующего течения жидкости в замкнутом микроканале биореактора на орбитальной станции // Труды МАИ. 2015. Т. 81. 19 с.

126. Van Dyke M., Widnall S. An Album of Fluid Motion // J. Appl. Mech. 1983. Vol. 50, № 2. 475 p.

127. Kind R.J., Tobin M.G. Flow in a centrifugal fan of the squirrel cage type // ASME Int. Gas Turbine Aeroengine Congr. Expo. 1989. P. 1-9.

128. Stutz B., Reboud J.L. Experiments on unsteady cavitation // Exp. Fluids. 1997. Vol. 22, № 3. P. 191-198.

129. Erf R.K. Application of laser speckle to measurement // Laser Appl. 1980. Vol. 4, № 1. P. 69.

130. Barker D.B., Fourney M.E. Measuring fluid velocities with speckle patterns // Opt. Lett. 1977. Vol. 1, № 4. P. 135.

131. Simpkins P.G., Dudderar T.D. Laser speckle measurements of transient Benard convection // J. Fluid Mech. 1978. Vol. 89, № 4. P. 665.

132. Adrian R.J. Scattering particle characteristics and their effect on pulsed laser measurements of fluid flow: speckle velocimetry vs particle image velocimetry // Appl. Opt. 1984. Vol. 23, № 11. P. 1690.

133. Adrian R.J. Particle-image techniques for experimental fluid mechanics // Annu. Rev. Fluid Mech. 1991. Vol. 23. P. 261-304.

134. Willert C.E., Gharib M. Digital particle image velocimetry // Exp. Fluids. 1991. Vol. 10, № 4. P. 181-193.

135. Burch J.M., Tokarski J.M.J. Production of Multiple Beam Fringes from Photographic Scatterers // J. Mod. Opt. 1968. Vol. 15, № 2. P. 101-111.

136. Meinhart C.D., Prasad A.K., Adrian R.J. A parallel digital processor system for particle image velocimetry // Meas. Sci. Technol. 1993. Vol. 4, № 5. P. 619-626.

137. Huang H.T., Fiedler H.E., Wang J.J. Limitation and improvement of PIV - Part I: Limitation of conventional techniques due to deformation of particle image patterns // Exp. Fluids. 1993. Vol. 15, № 3. P. 168-174.

138. Lindken R., Rossi M., Große S., et al. Micro-Particle Image Velocimetry (^PIV):

Recent developments, applications, and guidelines // Lab Chip. 2009. Vol. 9, № 17. P. 2551.

139. Olsen M.G., Adrian R.J. Brownian motion and correlation in particle image velocimetry // Opt. Laser Technol. 2000. Vol. 32, № 7-8. P. 621-627.

140. Adrian J.G., Santiago S.T., Wereley C.D., et al. A particle image velocimetry system for microfluidics // Exp. Fluids. 1998. Vol. 25, № 4. P. 316-319.

141. Minakov А. V., Yagodnitsyna A.A., Lobasov A.S., et al. Micro-Lif and Numerical Investigation of Mixing in Microchannel // J. Sib. Fed. Univ. Eng. Technol. 2013. Vol. 6. P. 15-27.

142. Карчевский М.Н., Токарев М.П., Ягодницына А.А., и др. Корреляционный алгоритм расчета полей скорости в микроканальных течениях с высокой разрешающей способностью // Теплофизика и аэромеханика. 2015. Т. 22, № 6. С. 775-784.

143. Meinhart C.D., Wereley S.T., Santiago J.G. PIV measurements of a microchannel flow // Exp. Fluids. 1999. Vol. 27, № 5. P. 414-419.

144. Liu C., Hu G., Jiang X., et al. Inertial focusing of spherical particles in rectangular microchannels over a wide range of Reynolds numbers // Lab Chip. Royal Society of Chemistry, 2015. Vol. 15, № January 2015. P. 1168-1177.

145. Ku D.N., Giddens D.P., Zarins C.K., et al. Pulsatile flow and atherosclerosis in the human carotid bifurcation. Positive correlation between plaque location and low oscillating shear stress // Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 1985. Vol. 5, № 3. P. 293-302.

146. Reneman R.S., Arts T., Hoeks A.P.G. Wall shear stress - An important determinant of endothelial cell function and structure - In the arterial system in vivo: Discrepancies with theory // J. Vasc. Res. 2006. Vol. 43, № 3. P. 251-269.

147. Koller A., Kaley G. Shear Stress Dependent Regulation of Vascular Resistance in Health and Disease: Role of Endothelium // Endothelium. 1996. Vol. 4, № 4. P. 247-272.

148. Vennemann P. Particle Image Velocimetry for Microscale Blood Flow Measurement. Gildeprint, Enschede, 2008. 117 p.

149. Madoff D.C., Vauthey J.-N. Indications and Contraindications for Portal Vein Embolization // Venous Embolization of the Liver. London: Springer London, 2011. P. 123-128.

150. LeCluyse E.L., Witek R.P., Andersen M.E., et al. Organotypic liver culture models: meeting current challenges in toxicity testing. // Crit. Rev. Toxicol. 2012. Vol. 42, № 6. P. 501-548.

151. Polacheck W.J., Li R., Uzel S.G.M., et al. Microfluidic platforms for mechanobiology // Lab Chip. 2013. Vol. 13, № 12. P. 2252.

152. Kerdok E.A. Characterizing the Nonlinear Mechanical Response of Liver to Surgical Manipulation. PhD Thesis. Harvard University, 2006. 164 p.

153. Maltseva D. V, Khaustova N.A., Fedotov N.N., et al. High-throughput identification of reference genes for research and clinical RT-qPCR analysis of breast cancer samples // J. Clin. Bioinforma. 2013. Vol. 3, № 1. P. 13.

154. Семёнова О.В., Петров В.А., Герасименко Т.Н., и др. Анализ влияния режимов циркуляции на функциональное состояние сфероидов HepaRG, культивируемых в микробиореакторе // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2016. Т. 161, № 3. С. 405-410.

155. Shi J., Wu X., Surma M., et al. Distinct roles for ROCK1 and ROCK2 in the regulation of cell detachment // Cell Death Dis. 2013. Vol. 4, № 2. P. 483.

отзыв

научного руководителя, доктора технических наук, профессора кафедры 614 «Экология, системы жизнеобеспечения и безопасность жизнедеятельности» Института «Аэрокосмический» ФГБОУ ВО «МАИ (НИУ)» Александра Ивановича Хаустова на диссертационную работу Ольги Владимировны Киндеевой «Разработка микрофлюидной биотехнической системы для исследования процессов биотрансформации лекарственных веществ in vitro», представленную на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - «Приборы, системы и изделия медицинского назначения».

Киндеева Ольга Владимировна начала заниматься научной работой с 3-го курса Московского авиационного института (НИУ) (МАИ). В 2014 году с отличием закончила МАИ, защитила дипломный проект и получила квалификацию инженера по специальности «Системы жизнеобеспечения и защиты ракетно-космических аппаратов». В том же году поступила в очную аспирантуру МАИ, которую успешно окончила в 2018 году, во время обучения в аспирантуре полностю подготовила диссертацию.

Диссертационная работа Киндеевой Ольги Владимировны посвящена актуальной задаче по разработке и проектированию микрофлюидных биотехнических систем (МБТС) для проведения медико-биологических исследований in vitro. Работа соискателя чрезвычайно актуальна в настоящее время, когда все ведущие компании и исследовательские центры стремятся к минимизации экспериментов на животных, что требует создания технических средств для испытаний новых лекарственных веществ, предшествующих доклиническим испытаниям.

Основной целью работы являлась - разработка МБТС, в которой создавались бы условия жизнедеятельности клеток физиологически подобные условиям в реальном биологическом объекте.

В ходе работы Киндеева О.В. проанализировала условия течения жидкости в биологических объектах. Выявила особенности и параметры, которые определяют жизнедеятельность клеток в биологическом объекте, тем самым определила критерии качества, которые должны выполняться при создании любого МБТС.

На каждом этапе работы над диссертацией соискатель демонстрировала отличное владение современными теоретическими и экспериментальными методами исследований.

Киндеева О.В. самостоятельно разработала математическую модель нестационарного течения вязкой жидкости в микроканалах сложной геометрической формы с учетом податливости стенок канала, что позволило достоверно определять параметры течения жидкости, омывающей модели клеток, близкие физиологическим. Разработанная теоретическая модель течения вязкой жидкости в микроканалах МБТС отличается от известных в мировой практике моделей максимальной приближенностью к физиологически подобным явлениям, имеющим место в биологических объектах.

Соискателем был разработан метод изготовления МБТС, отвечающий требованиям, предъявляемым к устройствам медицинского назначения. Кроме того Киндеева О.В. спроектировала и изготовила испытательный стенд, с помощью которого она провела сложнейшие комплексные экспериментальные исследования разных вариантов МБТС. Результаты экспериментов были тщательно собраны и обработаны, данный подход к обработке эксперимента позволил Киндеевой О.В. получить достоверные данные, которые были включены в диссертационную работу и используются коллегами для дальнейших исследований.

За время работы над диссертацией О.В. Киндеева проявила себя инициативным, грамотным, высококвалифицированным специалистом, использующим последние достижения науки в области разработки микрофлюидных систем, их применения и апробации. Она является исполнителем научно-исследовательских работ кафедры 614 «Экология, системы жизнеобеспечения и безопасность жизнедеятельности» МАИ и творчески работает в составе трудового коллектива.

Свидетельством высокой квалификации автора являются многочисленные публикации в ведущих научных журналах. Основные результаты работы соискателя опубликованы в 13 печатных работах в рецензируемых научных изданиях: 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 2 статьи в журналах, входящих в международную реферативную базу данных Scopus, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 6 в тезисах конференций.

Представленная к защите кандидатская диссертация Киндеевой О.В. является завершенной научно-квалификационной работой, в которой решена актуальная, отвечающая современным требованиям науки научно-техническая задача создания микрофлюидной биотехнической системы для проведения исследований биотрансформации новых лекарственных веществ.

Диссертационная работа Ольги Владимировны Киндеевой полностью соответствует требованиям специальности 05.11.17 - «Приборы, системы и изделия медицинского назначения».

Автор диссертационной работы Киндеева Ольга Владимировна заслуживает присуждения ученой степени кандидата технических наук.

Хаустов А.И.

Подпись Хаустова А.И. заверяю директор Института «Аэрокосм ФГБОУ ВО МАИ (НИУ)

Тушавина О.В.

Научный руководитель д.т.н., профессор каф. 61