Информационная система для подбора условий и оборудования при культивировании клеток млекопитающих

Актуальным направлением развития в биотехнологии является культивирование клеток млекопитающих, нашедшее свое применение в области фармацевтической промышленности и медицины.

В последние годы в России задействован ряд инструментов государственной поддержки развития биотехнологий с целью совершенствования основных отраслей промышленности. Летом 2016 года Правительством Российской Федерации был принят закон «О биомедицинских клеточных продуктах».

В мировом масштабе проводятся исследования, открываются новые стороны терапевтического действия используемых клеточных культур. Объем исследований в данной области увеличивается с каждым годом.

В связи с этим, возрастает потребность в создании информационной системы в области культивирования клеток млекопитающих, объединяющей в себе основные элементы процесса: клеточную линию, условия культивирования, матрикс и оборудование. Основным назначением данной системы является подбор условий для культивирования клеток млекопитающих на этапе проведения научно-исследовательских работ, что позволит значительно сократить время и стоимость проведения работ, а также ранжировать рекомендуемые технологические и аппаратные решения.

Реализация базы данных в программном пакете MS Access

Информационная система включает в себя базу данных и алгоритм поиска по параметрам [1]. База данных (БД) состоит из 7 таблиц. Структурная схема базы данных представлена на рисунке 1.

Equipment

IdEquipment NameEquipment

Mode

IdMethod

ScaleOfProduction

Workingvolume Matrix

M ethod Of Cu Itivati on

V IdMethod

Cells

Treated Surface

Method

UntreatedSurface

Materi a I Surface

Disspossable Reusable

Manufacturer

У ID

Comments

System

Matrix

V IdMatrix

Material

TypeMatrix

TiterOfCelt

PoreSizeMin

Thickness

Diameter

Info rm ati о n Ma nufa ctu rer

Comments

Origin IdType IdMethod

IdMethod

NameEquipment IdMatrix

Cu Itivati о n_co n d iti о n s

viability_cryo contamination_control

species_control caryology tumorigenicity

TypeofCell

Рисунок 1. Структурная схема базы данных

IdField

collections

FieldOfApp

9 IdField

Field

• Figure 1. Structural scheme of database

Таблица «Оборудование» содержит информацию об основных типах аппаратов для культивирования. Выделены такие параметры, как: тип перемешивания, рабочий объем аппарата, возможность использования одноразового или многоразового варианта конструкции, указана информация о производителях. В таблице «Клетки» отражена морфология клеток, способ и условия культивирования, возможности пересева и область применения. Данные о материалах и об особенностях матриксов сосредоточены в таблице «Матрикс». В данной части БД рассматриваются различные виды подложек (мембраны, микроносители 2D и 3D структуры), их геометрические параметры, материал, наличие пор, а также максимальный титр. Рассмотрены такие материалы, как: желатин, хитозан, полимолочная кислота и др. При заполнении данных учитывались не только популярные промышленные матриксы, но и варианты матриксов, разработанные различными исследователями. С помощью таблицы «Область применения»

осуществляется связь между системой культивирования и соответствующей культурой клеток. Здесь рассмотрены основные направления применения продуктов, получаемых в результате культивирования клеток: тканевая и клеточная инженерия, вирусология, регенеративная медицина и биофармацевтика.

Данная БД является основой для информационной системы, которая, в свою очередь, позволит получить информацию о процессе культивирования клеток млекопитающих при планировании и проведении научно-исследовательских работ.

Реализация информационной системы в программном продукте Visual Studio

Структура Информационной системы (ИС) представлена на рисунке 2.

Для создания ИС использовался программный продукт Microsoft Visual Studio 2015 ОС Windows 10, который содержит все современные технологии в области программирования [2–5].

Информационная система

Интерфейс

Модуль «Клетки»

Название и тип клетки Происхождение Способ и парам етры кул ьтивиро вания Биологические параметры

Область применения

параметры Одноразовые / Многоразовые Производитель

Материал Тип матрикса Титр клеток Структурные параметры Произодитель

Тип оборудования Способ кул ьтивиро в ан ия

Модуль «Матрикс»

Модуль «Оборудова ние»

Рисунок 2. Структура Информационной системы

Figure 2. Structure of the Information system

Модуль

Название клетки

Характеристики клетки

Оборудование

Матрикс

Система реализована в виде приложения с дружественным интерфейсом. Она содержит следующие модули:

• •    «База данных» – с помощью данной функции осуществляется переход в базу данных, где можно вносить и изменять данные;

• •    «Поиск по параметрам» – позволяет отсортировывать информацию по необходимым параметрам;

• •    «Онтология культивирования» – эта вкладка содержит алгоритм подбора системы культивирования;

• •    «О программе» – описание приложения.

На рисунке 3 представлена главная страница ИС.

Модуль «Поиск по параметрам» представлен на рисунке 4 и имеет следующие элементы: «Название клетки», «Тип клетки», «Способ культивирования», «Оборудование», «Область культивирования», «Матрикс».

Рисунок 3. Главная страница Информационной системы

Figure 3. The main page of Information system

Рисунок 4. Поиск по параметру «Название клетки» Figure 4. Search for parameters «Name of cell»

Каждый элемент поиска имеет выпадающий список выбираемых данных по указанному параметру. Для удобства пользователя на странице располагаются две кнопки «Назад» и «Поиск». При нажатии на кнопку «Назад», система возвращает на предыдущую страницу. При нажатии кнопки «Поиск» на текущей вкладке пользователь получает результат по выбранному критерию. Результаты поиска представляются в виде таблицы со столбцами

(рисунок 5) . Кроме того, предусмотрена возможность быстрого переключения вкладок [3, 4].

В основе модуля подбора системы культивирования лежит алгоритм (рисунок 6) , разработанный по рекомендациям из технических документаций различных производителей оборудования и матриксов. Кроме того, были приняты во внимание многочисленные исследования в области культивирования клеток млекопитающих.

Система культивирования

Введите название клетки:

Слайд-камеры

• О ОО

ОО ОО

Поиск по параметрам

Св-во	Значение
Название	293
origin	человек, почка эмбриона, клетки, трансформированные ДНК аденовируса типа
Тип	эпителиопсдобная
метод	адгезивный
Условия культивации	среда - ЕМЕМ или DMEM (ИНЦ РАН) сыворотка -эмбриональная бычья (или по АТСС инактивированная лошадиная) -10% др. компоненты - NEAA 1% (ЕМЕМ) процедура пересева - снятие клеток, используя трипсин 0.25%: версен 0.02% (12-1:3), кратность рассева 1:2 - 1:3 , оптимальная плотность 3.0-5.0x104 кл/см2, клетки прикрепляются к субстрату в течение нескольких дней, криоконсервация - ростовая среда, 10% DMSO, 1.0x106 клеток/мл в ампуле
Сфера применения	биотехнология
Коллекции	АТСС CRL 1573; ЕСАСС 85120502; ИНЦ РАН.

Роллерные бутыли

Многолуночные планшеты

Флаконы

Тройные флаконы

Слайд-флаконы

Клеточные фабрики

Планшеты

Роторно-перфузионный биореактор

Культуральные системы OptillCell

Пробирки

Материал	Матриксы
Полистирол	Матрикс
Коллаген	Пористый скаффолд
PLGA-коллаген	Пористый трубчатый скаффолд
Поли-О-лизин	Пластина
Керамика	Диск
Полистирол	Матрикс
Поли-О-лизин	Пластина
Полистирол	Матрикс
Полистирол	Матрикс
Колла ген-хитозан	Пористый скаффолд
Коллаген	Пористый скаффолд
PLGA-коллаген	Пористый трубчатый скаффолд
ПАпи.П-птии	И „„-„из

Рисунок 5. Результат поиска по параметру «Название клетки»

• Figure 5. Result of search for «Name of cell»

  Оборудование

  

  среда

  Адгезивный с матриксом

  Суспензионный без матрикса

  Рисунок 6. Алгоритм работы модуля «Онтология культивирования»

  
  

  • -    Колбы

  - Слайд-камсры -Чашки Потри - Культуральные мешки

  • -    Пробирки

  • -    Клеточные фабрики

  • -    Планшеты

  - С лайд-фла коны

  
  
  

  Способ культивирования

  
  

  - Роторноперфузионный биореактор - Ферментер - Волновой биореактор

  - Культуральне мешки с мешалкой - Роллерные бутыли

  
  
  
  
  
  

  - Эпителиоподобные

  - Фибробласте подобные

  -Лимфоидные

  - Нейробластопсдобные - Л имфобластоподобн ые -Округлые клетки - Пол игонал ьная - Глиальная

  - Эритромиело подобная - Миело подобная

  - Нейробластоидная ИТ.Д.

  - Декстран -Хитозан -Коллаген - Целлюлоза - Полистирол - Желатин - Керамика - Титановолоконные сетки

  трикалыдийфосфат ит.д.

  
  

  АдгезивноСуспензионный матрикс

  
  
  

  Figure 6. The algorithm of module «Ontology of cultivation»

  
  

  С помощью данного алгоритма система позволяет осуществить подбор условий проведения процесса по необходимым параметрам.

  При наличии исходных данных, таких как оборудование и тип клетки млекопитающего, происходит пошаговый опрос системы. Онтология культивирования представлена на рисунке 7.

  Логические вопросы, содержащиеся в данном алгоритме, подобраны таким образом, что, переходя к новому шагу, система отсортировывает данные из БД, в результате которого пользователь получает достоверную информацию о процессе культивирования клетки. Если в итоговом результате нет данных о проведении процесса, то значит, что по таким параметрам культивирование клеток невозможно и пользователю необходимо изменить параметры поиска.

  
  

  На рисунке 8 представлен результат подбора системы культивирования.

  
  

  • •    • ео

  • •    О ОО ОО ОО

  
  

  О Шаг №1

  
  

  Шаг №2

  
  

  Шаг №3

  
  

  Шаг №4

  
  

  Шаг №5

  
  

  Шаг №6

  
  

  Результат

  
  

  Рисунок

  
  

  Система культивирования

  Онтология культивирования Q

  
  

  Выберите режим работы оборудования:

  
  

  * Статический режим - Динамический режим

  
  

  спраага:

  
  
  
  

  Модуль

  
  

  подбора

  
  

  системы

  
  

  культивирования

  
  

  Figure 7. The selection module of the system cultivation

  
  
  

  Рисунок 8. Результат подбора системы культивирования

  Figure 8. The result of selection of cultivation system

  
  

Заключение

С помощью предложенной системы эксперт может выполнить поиск необходимых условий проведения процесса, выбрать решения среди известных экспериментальных данных и осуществить поддержку проектных работ по культивированию клеток млекопитающих.

Система обладает функциональной полнотой, то есть в рамках конкретной предметной