研究流动下血管药物靶向的体外3D细胞培养动脉模型
Summary
在这里，我们提出了一个新的协议，研究和绘制药物携带者的目标沉积到内皮细胞在捏造的，真实大小的，三维的人类动脉模型下的生理流动。所呈现的方法可以作为一个新的平台，瞄准血管系统内的药物携带者。
Abstract
使用三维（3D）人体动脉模型，设计具有正确的尺寸和解剖学，能够正确建模心血管系统中的各种重要过程。最近，虽然已经使用这种人类动脉的3D模型进行了一些生物学研究，但这些研究并没有用于研究血管靶向。本文提出了一种利用3D打印技术构建真实尺寸重建的人类动脉模型的新方法，将它们与人体内皮细胞（ECs）对联，并研究生理流动下的粒子靶向。这些模型具有利用低成本成分复制人体血管的生理大小和条件的优势。该技术可以作为研究和理解心血管系统药物靶向的新平台，并可能改进新型注射纳米药物的设计。此外，提出的方法可能为研究在患者特定的流动和生理条件下有针对性地提供心血管疾病的不同药物提供重要工具。
Introduction
最近，利用人类动脉1、2、3、4、5的3D模型应用了几种方法。这些模型在体外复制人体不同动脉的生理解剖学和环境。然而，它们主要用于细胞生物学研究。目前关于血管瞄准内皮粒子的研究包括硅计算模拟6、7、8、体外微流体模型9、10、11和体内动物模型12。尽管他们提供了见解，但这些实验模型未能准确模拟发生在人类动脉中的瞄准过程，其中血流和血液动力学构成主导因素。例如，对胡萝卜动脉分叉中动脉粥样硬化区域的粒子靶向研究，以其复杂的再循环流模式和壁切应力梯度而闻名，可能会影响粒子在到达内皮13、14、15、16之前所走的旅程。因此，这些研究必须在复制生理环境（即大小、尺寸、解剖学和流剖面）的条件下进行。
最近，这个研究小组制作了3D重建的人类动脉模型，以研究粒子对血管17的沉积和定位。这些模型基于人类血管的几何3D复制品，然后用随后排列其内壁的人类EC进行培养。此外，当受制于产生生理流动的灌注系统时，模型会准确地复制生理状况。灌注系统设计用于在闭路和开路配置中使用渗透泵以恒定的流速给液体灌注（图1）。该系统可用作闭路，用于绘制粒子沉积图，并瞄准胡萝卜素模型内的种子细胞。此外，它可用作开放电路，在实验结束时冲洗出非粘附粒子，并清洁和维护系统。本文介绍了制造人体胡萝卜分叉的3D模型、灌注系统设计以及模型内目标颗粒沉积图的方案。
Protocol
注：此协议描述了胡萝卜动脉的 3D 模型的制造，并且可以通过简单地修改几何参数来生成任何其他感兴趣的动脉。 1. 设计和制造人类胡萝卜动脉模型的3D分叉 从患者或以前研究的几何形状中选择图像，并创建需要打印的模具的计算机辅助设计模型。注：胡萝卜动脉分叉有一个入口和两个插座。在框架和动脉模具之间设计一个 3D 模具框架和临时打印支架非常重要（<…
Representative Results
本文提出了一个新的协议，以绘制真实尺寸的3D人类动脉模型内粒子沉积图，这可能为药物输送研究提供一个新的平台。采用3D打印技术，制作了人类胡萝卜分叉动脉模型（图2）。模型由硅橡胶制成，并配以人体ECs（图3）。重要的是，此协议使生理条件得以复制，特别是在流体动力学方面。灌注系统设计用于将颗粒以胡萝卜素的生理波形特征的大小在?…
Discussion
目前研究粒子血管靶向的方法在复制人体存在的生理条件方面不足。这里介绍了一个协议，以建立人类动脉的3D重建模型，研究粒子瞄准在生理流下应用的生理流下动脉的EC应用使用定制的灌注系统。在选择 3D 打印材料时，最好使用透明塑料以避免颜料转移到硅胶模型，硅胶模型应尽可能透明。此外，重要的是要选择一种材料，不溶解在丙酮，而是变得柔软和脆，然后可以很容易地从模型中删除?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了以色列科学基金会（ISF赠款#902/18）的支持。玛丽亚·库里奖学金得到了阿丽亚娜·德·罗斯柴尔德男爵夫人妇女博士计划的支持。
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 |
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Cite This Article
Khoury, M., Epshtein, M., Korin, N. In Vitro 3D Cell-Cultured Arterial Models for Studying Vascular Drug Targeting Under Flow. J. Vis. Exp. (169), e62279, doi:10.3791/62279 (2021).