SubjectsSubjects(version: 898)
Course, academic year 2021/2022
  
System bioengineering - B409017
Title: Systémové bioinženýrství
Guaranteed by: Department of Chemical Engineering (409)
Actual: from 2021
Semester: summer
Points: summer s.:4
E-Credits: summer s.:4
Examination process: summer s.:
Hours per week, examination: summer s.:2/1 C+Ex [hours/week]
Capacity: unlimited / unlimited (unknown)
Min. number of students: unlimited
Language: Czech
Teaching methods: full-time
Level:  
For type: Bachelor's
Note: course can be enrolled in outside the study plan
enabled for web enrollment
Guarantor: Přibyl Michal prof. Ing. Ph.D.
Kašpar Ondřej Ing. Ph.D.
Schreiber Igor prof. Ing. CSc.
Annotation - Czech
Last update: Přibyl Michal prof. Ing. Ph.D. (12.11.2018)
Systémové bioinženýrství si klade za cíl aplikovat chemicko-inženýrské přístupy na analýzu reakčních a transportních jevů v biologických systémech a na navrhování a vývoj biomedicínských a farmaceutických technologií. V rámci předmětu se studenti seznámí s inženýrským přístupem k popisu složitých buněčných soustav (více-kompartmentové modely), bilancováním biochemických reakčních sítí, biologickými senzory, moderními zobrazovacími technikami a s metodami návrhu lékových forem se speciálními vlastnostmi. Zmíněna bude též problematika pěstování tkání in vitro a přístup k přípravě umělých a hybridních orgánů. Předmět navazuje na základní předměty Biochemie I, Chemické inženýrství I a rozvíjí bioinženýrskou tématiku, jejíž základ je probírán v předmětu Inženýrství biologických procesů. Náplň předmětu zohledňuje moderní trendy v oblasti bioinženýrství. Je spjat s vědeckým zaměřením několika výzkumných skupin na Fakultě chemicko-inženýrské a připravuje budoucí absolventy pro navazující magisterský studijní program Chemické inženýrství a bioinženýrství.
Aim of the course - Czech
Last update: Přibyl Michal prof. Ing. Ph.D. (09.11.2018)

Studenti budou umět:

Bilancovat biochemické reakční sítě.

Sestavovat a řešit kompartmentové matematické modely funkčních biologických systémů.

Identifikovat a popsat látkové toky mezi součástmi biologických systémů.

Popsat principy fungování a navrhování umělých a hybridních orgánů.

Literature - Czech
Last update: Přibyl Michal prof. Ing. Ph.D. (09.11.2018)

Z Saltzman W. M., Biomedical Engineering, Bridging Medicine and Technology. Cambridge University Press; 2nd edition (2015), ISBN: 978-1107037199

D Enderle J., Bronzino J., Introduction to Biomedical Engineering. Academic Press, 3rd edition (2012), ISBN: 978-0-12-374979-6

D Palsson, B. O., Systems Biology: Constraint-based Reconstruction and Analysis. Cambridge University Press, (2015), ISBN 978-1-107-03885-1

Learning resources - Czech
Last update: Přibyl Michal prof. Ing. Ph.D. (09.11.2018)

http://uchi.vscht.cz/index.php/cs/studium/bakalarske-studium

Syllabus - Czech
Last update: Přibyl Michal prof. Ing. Ph.D. (12.11.2018)

Přednášky:

1. Úvod. Buněčný cyklus a jeho regulace, dělení buněk a buněčná smrt, transport látek přes cytoplasmatickou membránu.

2. Bilancování biochemických reakčních sítí a metabolických drah, výběr optimální dráhy, metabolické inženýrství.

3. Ligand-receptorová kinetika. Mezibuněčná komunikace, endokrinní, autokrinní, parakrinní. Pozitivní a negativní zpětná vazba v mezibuněčné komunikaci.

4. Neurony a jejich struktura, synapse, axony. Membránový a akční potenciál. Model šíření akčního potenciálu založený na ekvivaletním elektrickém obvodu.

5. Vícekompartmentové modely biologických systémů, difúze a osmóza v biologických systémech.

6. Distribuce kyslíku a oxidu uhličitého v organizmech, rozpustnost plynů, kinetika respirace, transport rozpuštěných plynů, dýchací soustava.

7. Kinetika trávení, vstřebání živin střevní stěnou, model střevního epitelu, trávicí systém.

8. Oběhový systém jako složitý potrubní systém, spotřeba energie a tlakové ztráty, model šíření akčního potenciálu v srdci.

9. Činnost ledvin jako membránový separační proces, kinetika separace, filtrační kapacita ledvin.

10. Senzory a biosenzory pro snímání pH, koncentrace O2 a glukózy. Princip, konstrukce, vlastnosti. Mikrofluidní biosenzory.

11. Techniky zobrazování tkání, mikroskopie, CT, MRI, PET, ultrazvuk, využití Dopplerova jevu pro zobrazování toku, princip generování 2D a 3D snímků.

12. Podávání léčiv, lékové formy, polymerní matrice, implantáty s řízeným uvolňováním léčiv.

13. Tkáňové inženýrství, podpůrné struktury (scaffolds), biomateriály, umělá kůže, cévy, kosti, kinetika buněčného růstu (osídlování).

14. Umělé a biohybridní orgány: umělé srdce, plíce, slinivka, ledvina, játra.

Cvičení:

1. Matematický model sodíko-draslíkové pumpy – model aktivního transportu přes buněčnou membránu.

2. Sestavení stechiometrické matice biochemické reakční sítě včetně omezujících nerovností, nalezení optimální dráhy.

3. Vznik vybrané Turingovy struktury.

4. Hodgkinův-Huxleyův model propagace signálu v neuronech.

5. Vícekompartmentový model distribuce hormonu štítné žlázy v organizmu.

6. Návrh membránového oxygenátoru.

7. Dvoukompartmentový model trávení stopovací látky/živiny.

8. Šíření akčního potenciálu v srdeční tkáni, excitabilita srdečních buněk.

9. Umělá ledvina, kinetika dialýzy, návrh dialyzéru.

10. Návrh biosenzoru pro detekci obsahu glukózy v krvi s využitím enzymu glukóza oxidázy.

11. Laboratorní demonstrace použití MRI a CT pro zobrazování tkání a procesu rozpouštění lékových forem.

12. Návrh režimu dávkování léčiva, farmakokinetický model uvolňování léčiva a kinetika odbourávání aktivní látky.

13. Model osídlování podpůrných struktur buňkami (buněčný růst, náhodný pohyb a chemotaxe)

14. Matematický model umělé slinivky vytvářené na bázi membránových modulů s dutými vlákny.

Registration requirements - Czech
Last update: Přibyl Michal prof. Ing. Ph.D. (09.11.2018)

B320001 Biochemie I

B409001 Chemické inženýrství I

B409009 Inženýrství biologických procesů

Course completion requirements - Czech
Last update: Přibyl Michal prof. Ing. Ph.D. (09.11.2018)

K udělení zápočtu je nutno absolvovat dva kontrolní testy. Z každého je nutno získat alespoň 50% z maximálního počtu bodů. Pro splnění ústní zkoušky musí student úspěšně zodpovědět dvě otázky ze seznamu otázek. Výsledná známka je vypočítána z úspěšnosti kontrolního testu a ústní části zkoušky.

Teaching methods
Activity Credits Hours
Účast na přednáškách 1 28
Příprava na přednášky, semináře, laboratoře, exkurzi nebo praxi 1,5 42
Příprava na zkoušku a její absolvování 1 28
Účast na seminářích 0,5 14
4 / 4 112 / 112
 
VŠCHT Praha