In vitro 3D-zellkulierte arterielle Modelle zur Untersuchung des vaskulären Wirkstoff-Targetings unter Flow
Summary
Hier stellen wir ein neues Protokoll vor, um die gezielte Ablagerung von Wirkstoffträgern an Endothelzellen in fabrizierten, realen, dreidimensionalen menschlichen Arterienmodellen unter physiologischem Fluss zu untersuchen und abzubilden. Die vorgestellte Methode könnte als neue Plattform für die Gezielter von Wirkstoffträgern innerhalb des Gefäßsystems dienen.
Abstract
Die Verwendung von dreidimensionalen (3D) Modellen menschlicher Arterien, die mit den richtigen Abmessungen und Anatomie entworfen sind, ermöglicht die korrekte Modellierung verschiedener wichtiger Prozesse im Herz-Kreislauf-System. Obwohl in letzter Zeit mehrere biologische Studien mit solchen 3D-Modellen menschlicher Arterien durchgeführt wurden, wurden sie nicht zur Untersuchung des vaskulären Targetings angewendet. Dieser Artikel stellt eine neue Methode vor, um reale, rekonstruierte menschliche arterielle Modelle mit einer 3D-Drucktechnik herzustellen, sie mit menschlichen Endothelzellen (ECs) auszukleiden und partikelspezifische Ziele unter physiologischem Fluss zu untersuchen. Diese Modelle haben den Vorteil, dass sie die physiologische Größe und den Zustand der Blutgefäße im menschlichen Körper mit kostengünstigen Komponenten replizieren. Diese Technik könnte als neue Plattform für die Untersuchung und das Verständnis von Wirkstoff-Targeting im Herz-Kreislauf-System dienen und das Design neuer injizierbarer Nanomedikamente verbessern. Darüber hinaus kann der vorgestellte Ansatz wichtige Instrumente für die Untersuchung der gezielten Verabreichung verschiedener Wirkstoffe für Herz-Kreislauf-Erkrankungen unter patientenspezifischen Fluss- und physiologischen Bedingungen liefern.
Introduction
In jüngster Zeit wurden mehrere Ansätze unter Verwendung von 3D-Modellen der menschlichen Arterien1,2,3,4,5angewendet. Diese Modelle replizieren die physiologische Anatomie und Umgebung verschiedener Arterien im menschlichen Körper in vitro. Sie wurden jedoch hauptsächlich in zellbiologischen Studien verwendet. Aktuelle Studien zum vaskulären Targeting von Partikeln auf das Endothel umfassen in silico Computersimulationen6,7,8, in vitro mikrofluidische Modelle9,10,11und in vivo Tiermodelle12. Trotz der Erkenntnisse, die sie geliefert haben, haben diese experimentellen Modelle den Targeting-Prozess, der in menschlichen Arterien auftritt, nicht genau simuliert, wobei Blutfluss und Hämodynamik dominante Faktoren darstellen. Zum Beispiel kann die Untersuchung von Partikeln, die auf atherosklerotische Regionen in der Karotisarterienverzweigung abzielen, die für ihr komplexes Rezirkulationsflussmuster und ihren Wandscherspannungsgradienten bekannt sind, die Reise der Partikel beeinflussen, bevor sie das Endothel erreichen13,14,15,16. Daher müssen diese Studien unter Bedingungen durchgeführt werden, die die physiologische Umgebung replizieren, d. H.Größe, Dimension, Anatomie und Strömungsprofil.
Vor kurzem fertigte diese Forschungsgruppe 3D-rekonstruierte menschliche arterielle Modelle, um die Ablagerung und das Targeting von Partikeln auf das Gefäßsystem zu untersuchen17. Die Modelle basierten auf geometrischen 3D-Nachbildungen menschlicher Blutgefäße, die dann mit menschlichen ECs kultiviert wurden, die anschließend ihre Innenwände auskleideten. Darüber hinaus replizierten die Modelle, wenn sie einem Perfusionssystem unterzogen wurden, das einen physiologischen Fluss erzeugt, die physiologischen Bedingungen genau. Das Perfusionssystem wurde entwickelt, um Flüssigkeiten mit einer konstanten Durchflussrate zu perfusionieren, wobei eine Peristaltikpumpe sowohl in geschlossenen als auch in offenen Kreisläufen verwendet wird (Abbildung 1). Das System kann als geschlossener Kreislauf verwendet werden, um die Partikelablagerung und das Targeting auf die Zellen abzubilden, die innerhalb des Carotismodells ausgesät sind. Darüber hinaus kann es als offener Kreislauf verwendet werden, um nicht haftende Partikel am Ende der Experimente auszuwaschen und das System zu reinigen und zu warten. Dieser Artikel stellt Protokolle für die Herstellung von 3D-Modellen der menschlichen Carotisverzweigung, das Design des Perfusionssystems und die Abbildung der Ablagerung von Zielpartikeln innerhalb der Modelle vor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aktuelle Ansätze zur Untersuchung des vaskulären Targetings von Partikeln versagen bei der Replikation der physiologischen Bedingungen im menschlichen Körper. Hier wird ein Protokoll zur Herstellung von 3D-rekonstruierten Modellen menschlicher Arterien vorgestellt, um das Partikel-Targeting auf die ECs zu untersuchen, die die Arterie unter physiologischem Fluss auskleiden, der mit einem maßgeschneiderten Perfusionssystem angewendet wird. Bei der Auswahl des Materials für den 3D-Druck ist es am besten, einen klaren K…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Israel Science Foundation unterstützt (ISF-Stipendium # 902/18). Maria Khourys Stipendium wurde vom Baroness Ariane de Rothschild Women Doctoral Program unterstützt.
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
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