Modellering van gennetwerken voor de aansturing van biomimetische productieprocessen in de weefselengineering.

De specialisatie van kraakbeencellen, of chondrogene differentiatie, is een complex en meticuleus gereguleerd proces dat een vitale rol speelt in zowel bot- als kraakbeenregeneratie. Deze doctoraatsthesis focust op de ontwikkeling van computationele modellen om te onderzoeken hoe dit proces op moleculaire schaal gereguleerd wordt. Eerst wordt onderzocht hoe individuele genen en hun defecten bijdragen tot veranderingen van functionaliteit in de groeiplaat, waar chondrogene differentiatie de motor voor botgroei is. Aangezien de expressie van elk gen beïnvloed wordt door een grote hoeveelheid feedback die de expressie binnen een wenselijk bereik houdt, is het voorspellen van wat er gebeurt wanneer een bepaald gen defect is, geen sinecure. Daarom werd een kwalitatief model ontwikkeld dat simuleert hoe de intensieve interregulatie tussen genen resulteert in een functionele groeiplaat morfologie. Dit model kan het effect van specifieke knockouts of overactiveringen in het netwerk, gevormd door de interacties tussen de genen, voorspellen en kan zo het verband leggen tussen defecten op genniveau en afwijkende botvorming op weefselniveau. De resultaten kunnen een belangrijke hulp zijn bij het ontwikkelen en controleren van in vitro weefsel engineering processen.

Een meer uitgebreid model, met een verbeterde tijds- en kwantitatieve resolutie, met deze kwalitatieve verbeteringen werd vervolgens toegepast op kraakbeen hypertrofie. Kraakbeen hypertrofie is een proces waarbij kraakbeencellen vergroten en factoren uitscheiden die bloedvaten en bot vormende cellen aantrekken. Dit proces wordt op moleculaire schaal gecoördineerd door een overgang tussen twee 'genetische programma's'. In deze overgang wordt een groep transcriptiefactoren die aanleiding geven tot kraakbeen proliferatie (celdeling) vervangen door een concurrerende (door mutuele inhibitie) groep die aanleiding geeft tot hypertrofie. Omdat hypertrofie een belangrijke rol speelt in de ontwikkeling van het skelet en verschillende bot gerelateerde ziektes is het proces in detail bestudeerd. De beschikbare kennis over hoe de individuele factoren, die hypertrofie voorkomen of ertoe bijdragen, interageren werd geïntegreerd in een computationeel model met als doel een meer globaal overzicht van het onderliggende regulerende netwerk te verkrijgen. Met behulp van simulaties kan een in silico screening ondernomen worden naar factoren die een grote impact - positief of negatief -  hebben op de beslissing om hypertrofie te ondergaan.

De consistentie van de resultaten van deze screening wordt nagegaan door het genereren van een ensemble van modellen. Dit ensemble van modellen, die enkel van elkaar verschillen in parameterwaarden, wordt gegenereerd door middel van een genetisch algoritme dat verzekert dat het kwalitatieve gedrag van de modellen in het ensemble overeenkomt met het geobserveerde gedrag in de groeiplaat. De invloed van individuele factoren is grotendeels consistent in alle leden van het ensemble. Naast de parameterwaarden wordt ook een deel van de topologie van het netwerk vergeleken met netwerken verkregen door inferentie uit expressieprofielen in de groeiplaat. Inzicht in hoe individuele factoren bijdragen to hypertrofie in de context van een uitgebreid netwerk levert nuttige informatie op voor bot en kraakbeen weefsel engineering. Bovendien levert de screening potentiële doelwitten voor interventie in ziektes waar hypertrofie een rol speelt. Samenvattend rijkt deze thesis een reeks methoden en modellen aan die een eerste stap vormen naar een rigoreus begrip van chondrogene differentiatie op systeemniveau.