一种用于体外缺氧平台的建模方法，以支持针对患者个体特征的分析

《Annals of Biomedical Engineering》：A Modeling Approach to Inform In Vitro Hypoxia Platforms for Patient-Specific Analyses

摘要

目的

缺氧是阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）等疾病的一种后果，会对组织功能造成损害，通常使用体外平台来研究其相关影响。然而，为了创建一个真实的缺氧实验模拟，体外细胞层中的溶解氧浓度必须模拟体内的值。考虑到标准缺氧舱在质量传递和连续氧监测方面的局限性，可以利用数学建模来指导实验设计，以实现更准确且具有临床意义的体外表征。

方法

使用实验数据校准并验证了标准缺氧舱中氧气传输的模型，并结合细胞培养装置进行了验证。为了展示其与临床数据的直接应用，将经过验证的模型与一种新颖的优化方法相结合，创建了一种“患者特定”的气体控制协议，能够在体外细胞层再现基于模型的OSA患者状况。

结果

经过验证的模型成功独立捕捉到了培养基中内皮细胞耗氧的影响。此外，预测的“患者特定”气体控制协议产生的体外氧浓度曲线模拟了OSA患者模型预测的动脉氧模式中的氧值和波动时间。综合本研究分析，培养基的高度、蒸发作用和空间位置被确定为实验设计中的重要因素。

结论

这项工作展示了将数学建模应用于实验设计的实用性，并提出了一种通过“从临床到实验室”的方法来弥合临床与实验领域之间的差距。