Modèles artériels 3D cultivés en cellules in vitro pour l’étude du ciblage de médicaments vasculaires sous flux
Summary
Ici, nous présentons un nouveau protocole pour étudier et cartographier le dépôt ciblé de porteurs de drogue aux cellules endothéliales dans les modèles fabriqués, réels, tridimensionnels d’artère humaine sous l’écoulement physiologique. La méthode présentée peut servir de nouvelle plate-forme pour cibler des porteurs de drogue dans le système vasculaire.
Abstract
L’utilisation de modèles tridimensionnels (3D) d’artères humaines, conçus avec les dimensions et l’anatomie correctes, permet la modélisation appropriée de divers processus importants dans le système cardiovasculaire. Récemment, bien que plusieurs études biologiques aient été réalisées à l’aide de tels modèles 3D d’artères humaines, elles n’ont pas été appliquées pour étudier le ciblage vasculaire. Cet article présente une nouvelle méthode pour fabriquer des modèles artériels humains reconstruits de taille réelle à l’aide d’une technique d’impression 3D, les aligner sur des cellules endothéliales humaines (CE) et étudier le ciblage des particules sous flux physiologique. Ces modèles ont l’avantage de reproduire la taille physiologique et les conditions des vaisseaux sanguins dans le corps humain en utilisant des composants à faible coût. Cette technique peut servir de nouvelle plate-forme pour étudier et comprendre le ciblage des médicaments dans le système cardiovasculaire et peut améliorer la conception de nouvelles nanomédecines injectables. De plus, l’approche présentée peut fournir des outils importants pour l’étude de l’administration ciblée de différents agents pour les maladies cardiovasculaires dans des conditions physiologiques et de flux spécifiques au patient.
Introduction
Plusieurs approches ont récemment été appliquées en utilisant des modèles 3D d’artères humaines1,2,3,4,5. Ces modèles reproduisent l’anatomie physiologique et l’environnement de différentes artères dans le corps humain in vitro. Cependant, ils ont été principalement utilisés dans les études de biologie cellulaire. Les études actuelles sur le ciblage vasculaire des particules vers l’endothélium comprennent des simulations informatiques in silico 6,7,8,des modèles microfluidiques in vitro 9,10,11et des modèles animaux in vivo 12. Malgré les informations qu’ils ont fournies, ces modèles expérimentaux n’ont pas réussi à simuler avec précision le processus de ciblage qui se produit dans les artères humaines, dans lesquelles le flux sanguin et l’hémodynamique constituent des facteurs dominants. Par exemple, l’étude du ciblage des particules vers les régions athérosclérotiques dans la bifurcation de l’artère carotide, qui sont connues pour leur schéma d’écoulement de recirculation complexe et leur gradient de contrainte de cisaillement de la paroi, peut avoir un impact sur le trajet effectué par les particules avant qu’elles n’atteignent l’endothélium13,14,15,16. Par conséquent, ces études doivent être effectuées dans des conditions qui reproduisent l’environnement physiologique, c’est-à-direla taille, la dimension, l’anatomie et le profil d’écoulement.
Récemment, ce groupe de recherche a fabriqué des modèles artériels humains reconstruits en 3D pour étudier le dépôt et le ciblage des particules sur la vascularisation17. Les modèles étaient basés sur des répliques géométriques 3D de vaisseaux sanguins humains, qui ont ensuite été cultivés avec des CE humains qui ont ensuite tapoté leurs parois internes. De plus, lorsqu’ils sont soumis à un système de perfusion qui produit un flux physiologique, les modèles reproduisent avec précision les conditions physiologiques. Le système de perfusion a été conçu pour perfuser les fluides à débit constant, à l’aide d’une pompe péristaltique dans les configurations fermées et en circuit ouvert(Figure 1). Le système peut être utilisé comme circuit fermé pour cartographier le dépôt de particules et le ciblage vers les cellules ensemencées à l’intérieur du modèle carotide. En outre, il peut être utilisé comme circuit ouvert pour laver les particules non adhérentes à la fin des expériences et pour nettoyer et entretenir le système. Cet article présente des protocoles pour la fabrication de modèles 3D de la bifurcation carotide humaine, la conception du système de perfusion et la cartographie du dépôt de particules ciblées à l’intérieur des modèles.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les approches actuelles pour étudier le ciblage vasculaire des particules ne parviennent pas à reproduire les conditions physiologiques présentes dans le corps humain. Présenté ici est un protocole pour fabriquer des modèles 3D-reconstruits des artères humaines pour étudier le ciblage de particules aux ECs tapissant l’artère sous le flux physiologique appliqué utilisant un système de perfusion personnalisé. Lors du choix du matériau pour l’impression 3D, il est préférable d’utiliser un plastique tran…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par l’Israel Science Foundation (subvention ISF # 902/18). La bourse de Maria Khoury a été soutenue par le programme doctoral féminin de la baronne Ariane de Rothschild.
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 |
References
- 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).
