In Vitro 3D клеточные модели артерий для изучения сосудистых препаратов, нацеленных на поток
Summary
Здесь мы представляем новый протокол для изучения и отображения целевого осаждения носителей лекарств в эндотелиальные клетки в изготовленных, реальных, трехмерных моделях артерий человека в физиологическом потоке. Представленный способ может служить новой платформой для таргетирования носителей лекарственного средства в сосудистой системе.
Abstract
Использование трехмерных (3D) моделей артерий человека, которые спроектированы с правильными размерами и анатомией, позволяет правильно моделировать различные важные процессы в сердечно-сосудистой системе. В последнее время, хотя было проведено несколько биологических исследований с использованием таких 3D-моделей артерий человека, они не были применены для изучения сосудистого таргетирования. В этой статье представлен новый метод изготовления реконструированных моделей артерий человека реального размера с использованием метода 3D-печати, их линии с эндотелиальными клетками человека (ЭК) и изучения нацеливания частиц в физиологическом потоке. Эти модели имеют преимущество в воспроизведении физиологических размеров и состояния кровеносных сосудов в организме человека с использованием недорогих компонентов. Этот метод может служить новой платформой для изучения и понимания нацеливания лекарств в сердечно-сосудистой системе и может улучшить дизайн новых инъекционных наномедицин. Кроме того, представленный подход может обеспечить значительные инструменты для изучения адресной доставки различных агентов при сердечно-сосудистых заболеваниях в специфических для пациента течении и физиологических условиях.
Introduction
В последнее время было применено несколько подходов с использованием 3D-моделей артерий человека1,2,3,4,5. Эти модели воспроизводят физиологическую анатомию и окружающую среду различных артерий в организме человека in vitro. Тем не менее, они в основном использовались в исследованиях клеточной биологии. Текущие исследования сосудистого нацеливания частиц на эндотелий включают в себя в silico вычислительное моделирование6,7,8, in vitro микрофлюидные модели9,10,11и in vivo животные модели12. Несмотря на понимание, которое они предоставили, эти экспериментальные модели не смогли точно смоделировать процесс нацеливания, который происходит в артериях человека, где кровоток и гемодинамика являются доминирующими факторами. Например, изучение нацеливания частиц на атеросклеротические области в бифуркации сонной артерии, которые известны своей сложной схемой рециркуляционного потока и градиентом напряжения сдвига стенки, может повлиять на путешествие, предпринятое частицами до того, как они достигнут эндотелия13,14,15,16. Поэтому эти исследования должны выполняться в условиях, которые воспроизводят физиологическую среду, то естьразмер, размер, анатомию и профиль потока.
Недавно эта исследовательская группа сфабриковала 3D-реконструированные модели артерий человека для изучения осаждения и нацеливания частиц на сосудистую17. Модели были основаны на геометрических 3D-копиях кровеносных сосудов человека, которые затем культивировались с человеческими ЭК, которые впоследствии выстилали их внутренние стенки. Кроме того, при воздействии перфузионной системы, которая производит физиологический поток, модели точно воспроизводили физиологические условия. Перфузионная система была разработана для перфузии жидкостей с постоянной скоростью потока, используя перистальтический насос как в замкнутой, так и в открытой конфигурациях(рисунок 1). Система может быть использована в качестве замкнутого контура для отображения осаждения частиц и нацеливания на клетки, засеянные внутри модели сонной артерии. Кроме того, его можно использовать в качестве разомкнутого контура для вымывания неприлипших частиц в конце экспериментов, а также для очистки и обслуживания системы. В данной работе представлены протоколы изготовления 3D-моделей бифуркации сонной артерии человека, проектирования перфузионной системы и картирования осаждения целевых частиц внутри моделей.
Protocol
Representative Results
Discussion
Современные подходы к изучению сосудистого нацеливания частиц не воспроизводят физиологические условия, присутствующие в организме человека. Здесь представлен протокол для изготовления 3D-реконструированных моделей артерий человека для изучения нацеливания частиц на ЭК, выстилающи…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Израильским научным фондом (грант ISF No 902/18). Стипендия Марии Хури была поддержана Докторской программой баронессы Ариан де Ротшильд.
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).
