In vitro 3D-celgekweekte arteriële modellen voor het bestuderen van vasculaire drugtargeting onder stroom
Summary
Hier presenteren we een nieuw protocol om de gerichte afzetting van medicijndragers aan endotheelcellen in gefabriceerde, reële, driedimensionale menselijke slagadermodellen onder fysiologische stroom te bestuderen en in kaart te brengen. De gepresenteerde methode kan dienen als een nieuw platform voor het richten van medicijndragers binnen het vasculaire systeem.
Abstract
Het gebruik van driedimensionale (3D) modellen van menselijke slagaders, die zijn ontworpen met de juiste afmetingen en anatomie, maakt de juiste modellering van verschillende belangrijke processen in het cardiovasculaire systeem mogelijk. Onlangs, hoewel verschillende biologische studies zijn uitgevoerd met behulp van dergelijke 3D-modellen van menselijke slagaders, zijn ze niet toegepast om vasculaire targeting te bestuderen. Dit artikel presenteert een nieuwe methode om echte, gereconstrueerde menselijke arteriële modellen te fabriceren met behulp van een 3D-printtechniek, ze te belijnen met menselijke endotheelcellen (EC’s) en deeltjestargeting onder fysiologische stroom te bestuderen. Deze modellen hebben het voordeel dat ze de fysiologische grootte en omstandigheden van bloedvaten in het menselijk lichaam repliceren met behulp van goedkope componenten. Deze techniek kan dienen als een nieuw platform voor het bestuderen en begrijpen van geneesmiddeltargeting in het cardiovasculaire systeem en kan het ontwerp van nieuwe injecteerbare nanomedicijnen verbeteren. Bovendien kan de gepresenteerde aanpak belangrijke instrumenten bieden voor de studie van gerichte levering van verschillende agentia voor hart- en vaatziekten onder patiëntspecifieke stromings- en fysiologische omstandigheden.
Introduction
Verschillende benaderingen zijn onlangs toegepast met behulp van 3D-modellen van menselijkeslagaders 1,2,3,4,5. Deze modellen repliceren de fysiologische anatomie en omgeving van verschillende slagaders in het menselijk lichaam in vitro. Ze zijn echter voornamelijk gebruikt in celbiologiestudies. De huidige studies naar vasculaire targeting van deeltjes op het endotheel omvatten in silico computationele simulaties6,7,8, in vitro microfluïdische modellen9,10,11, en in vivo diermodellen12. Ondanks de inzichten die ze hebben gegeven, zijn deze experimentele modellen er niet in geslaagd om het targetingproces dat plaatsvindt in menselijke slagaders nauwkeurig te simuleren, waarbij de bloedstroom en hemodynamica dominante factoren vormen. Bijvoorbeeld, de studie van deeltjes gericht op atherosclerotische gebieden in de halsslagader bifurcatie, die bekend staan om hun complexe recirculatie stroompatroon en wandschaar stress gradiënt, kan van invloed zijn op de reis die de deeltjes maken voordat ze het endotheel13,14,15,16bereiken . Daarom moeten deze studies worden uitgevoerd onder omstandigheden die de fysiologische omgeving repliceren, d.w.z.grootte, dimensie, anatomie en stromingsprofiel.
Onlangs heeft deze onderzoeksgroep 3D-gereconstrueerde menselijke arteriële modellen gemaakt om de afzetting en targeting van deeltjes op de vasculatuur17te bestuderen. De modellen waren gebaseerd op geometrische 3D-replica’s van menselijke bloedvaten, die vervolgens werden gekweekt met menselijke EC’s die vervolgens hun binnenwanden bekleedden. Bovendien, wanneer onderworpen aan een perfusiesysteem dat fysiologische stroom produceert, repliceerden de modellen nauwkeurig fysiologische omstandigheden. Het perfusiesysteem is ontworpen om vloeistoffen met een constant debiet te perfuseren, met behulp van een peristaltische pomp in zowel gesloten als open circuitconfiguraties (figuur 1). Het systeem kan worden gebruikt als een gesloten circuit om deeltjesdepositie en targeting in kaart te brengen op de cellen die in het halsslagadermodel zijn gezaaid. Bovendien kan het worden gebruikt als een open circuit om niet-hechtende deeltjes aan het einde van de experimenten uit te wassen en het systeem te reinigen en te onderhouden. Dit artikel presenteert protocollen voor de fabricage van 3D-modellen van de menselijke halsslagadersplitsing, het ontwerp van het perfusiesysteem en het in kaart brengen van de afzetting van gerichte deeltjes in de modellen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De huidige benaderingen voor het bestuderen van vasculaire targeting van deeltjes schieten tekort bij het repliceren van de fysiologische omstandigheden in het menselijk lichaam. Hier wordt een protocol gepresenteerd om 3D-gereconstrueerde modellen van menselijke slagaders te fabriceren om deeltjestargeting te bestuderen op de EC’s die de slagader bekleden onder fysiologische stroom die wordt toegepast met behulp van een aangepast perfusiesysteem. Bij het kiezen van het materiaal voor 3D-printen, is het het beste om een …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Israel Science Foundation (ISF-subsidie # 902/18). Maria Khoury’s beurs werd ondersteund door the Baroness Ariane de Rothschild Women Doctoral Program.
Materials
| 3D printer | FormLabs | PKG-F2-REFURB | |
| Acetone, absolute (AR grade) | |||
| Connectors | Nordson Medical | FTLL013-1 | Female Luer |
| FTLL230-1 | Female Luer | ||
| FTLL360-1 | Female Luer | ||
| LP4-1 | Male Luer Integral Lock | ||
| Damper | Thermo-Fisher Scientific | DS2127-0250 | Nalgene Polycarbonate, Validation Bottle |
| Damper Cover | Thermo-Fisher Scientific | 2162-0531 | Nalgene Filling/Venting Closures |
| Elastosil Elastosil RT 601 A | Wacker | 60003805 | |
| Elastosil RT 601 B | Wacker | 60003817 | The crosslinker |
| Endothelial Cell Media | ScienCell | 1001 | |
| Fibrontectin | Sigma Aldrich | F0895-5mg | |
| HUVEC | Lonza | CC-2519 | |
| Isopropyl alcohol, AR grade 99.5% | Remove plastic dust from the sanded model | ||
| Lacquer | Rust-Oleum | 2X-Ultra cover Gloss Clear | |
| Matlab | Mathworks | https://www.mathworks.com/products/matlab.html | |
| Microscope | Nikon | SMZ25 | |
| Microscope Camera | Nikon | DS-Qi2 | |
| Peristaltic pump | Watson Marlow | 530U IP31 | With 2 pumpheads: 313D |
| Plastic tube clamp | Quickun | 1-2240-stopvalve-2pcs | |
| Polystyrene Particles | Thermo-Fisher Scientific | F8827 | Diameter = 2 µm |
| Printer resin | FormLabs | RS-F2-GPCL-04 | |
| Rotator | ELMI Ltd. | Intelli-Mixer RM-2 | |
| Solidworks | SolidWorks Corp., Dassault Systèmes | https://www.solidworks.com/ | |
| Tubing | Watson Marlow | 933.0064.016 | Tubing for the pump: 6.4 mm ID |
| All the other tubing: Silicon tubing: 4 mm ID |
Referenzen
- Chiu, J. J., et al. Analysis of the effect of disturbed flow on monocytic adhesion to endothelial cells. Journal of Biomechanics. 36 (12), 1883-1895 (2003).
- Martorell, J., et al. Extent of flow recirculation governs expression of atherosclerotic and thrombotic biomarkers in arterial bifurcations. Cardiovascular Research. 103 (1), 37-46 (2014).
- Karino, T., Goldsmith, H. L. Flow behaviour of blood cells and rigid spheres in an annular vortex. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological. 279 (967), 413-445 (1977).
- Goldsmith, H. L., Karino, T. Platelets in a region of disturbed flow. Transactions – American Society for Artificial Internal Organs. 23, 632-638 (1977).
- Farcas, M. A., Rouleau, L., Fraser, R., Leask, R. L. The development of 3-D, in vitro, endothelial culture models for the study of coronary artery disease. Biomedical Engineering Online. 8, 30 (2009).
- Peng, B., et al. Modeling nanoparticle targeting to a vascular surface in shear flow through diffusive particle dynamics. Nanoscale Research Letters. 10 (1), 942 (2015).
- Shah, S., Liu, Y., Hu, W., Gao, J. Modeling particle shape-dependent dynamics in nanomedicine. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 11 (2), 919-928 (2011).
- Hossain, S. S., Hughes, T. J., Decuzzi, P. Vascular deposition patterns for nanoparticles in an inflamed patient-specific arterial tree. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 13 (3), 585-597 (2014).
- Charoenphol, P., Huang, R. B., Eniola-Adefeso, O. Potential role of size and hemodynamics in the efficacy of vascular-targeted spherical drug carriers. Biomaterials. 31 (6), 1392-1402 (2010).
- Ta, H. T., Truong, N. P., Whittaker, A. K., Davis, T. P., Peter, K. The effects of particle size, shape, density and flow characteristics on particle margination to vascular walls in cardiovascular diseases. Expert Opinion on Drug Delivery. 15 (1), 33-45 (2018).
- Cooley, M., et al. Influence of particle size and shape on their margination and wall-adhesion: implications in drug delivery vehicle design across nano-to-micro scale. Nanoscale. 10 (32), 15350-15364 (2018).
- Jiang, X. Y., et al. Quantum dot interactions and flow effects in angiogenic zebrafish (Danio rerio) vessels and human endothelial cells. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine. 13 (3), 999-1010 (2017).
- Zarins, C. K., et al. Carotid bifurcation atherosclerosis. Quantitative correlation of plaque localization with flow velocity profiles and wall shear stress. Circulation Research. 53 (4), 502-514 (1983).
- Chien, S. Effects of disturbed flow on endothelial cells. Annals of Biomedical Engineering. 36 (4), 554-562 (2008).
- Malek, A. M., Alper, S. L., Izumo, S. Hemodynamic shear stress and its role in atherosclerosis. JAMA. 282 (21), 2035-2042 (1999).
- Glagov, S., Zarins, C., Giddens, D. P., Ku, D. N. Hemodynamics and atherosclerosis. Insights and perspectives gained from studies of human arteries. Archives of Pathology & Laboratory Medicine. 112 (10), 1018-1031 (1988).
- Khoury, M., Epshtein, M., Zidan, H., Zukerman, H., Korin, N. Mapping deposition of particles in reconstructed models of human arteries. Journal of Controlled Release. 318, 78-85 (2020).
