Modelli arteriosi in vitro coltivati in cellule 3D per lo studio del targeting vascolare del farmaco sotto flusso
Summary
Qui presentiamo un nuovo protocollo per studiare e mappare la deposizione mirata dei portatori di farmaci alle cellule endoteliali in modelli di arteria umana fabbricati, di dimensioni reali e tridimensionali sotto flusso fisiologico. Il metodo presentato può servire come una nuova piattaforma per colpire i portatori di farmaci all’interno del sistema vascolare.
Abstract
L’utilizzo di modelli tridimensionali (3D) di arterie umane, progettati con le dimensioni e l’anatomia corrette, consente la corretta modellazione di vari processi importanti nel sistema cardiovascolare. Recentemente, sebbene diversi studi biologici siano stati eseguiti utilizzando tali modelli 3D di arterie umane, non sono stati applicati allo studio del targeting vascolare. Questo articolo presenta un nuovo metodo per fabbricare modelli arteriosi umani di dimensioni reali e ricostruiti utilizzando una tecnica di stampa 3D, allinearli alle cellule endoteliali umane (EC) e studiare il targeting delle particelle sotto flusso fisiologico. Questi modelli hanno il vantaggio di replicare le dimensioni fisiologiche e le condizioni dei vasi sanguigni nel corpo umano utilizzando componenti a basso costo. Questa tecnica può servire come una nuova piattaforma per lo studio e la comprensione del targeting farmacologico nel sistema cardiovascolare e può migliorare la progettazione di nuove nanomedicine iniettabili. Inoltre, l’approccio presentato può fornire strumenti significativi per lo studio della somministrazione mirata di diversi agenti per le malattie cardiovascolari in condizioni fisiologiche e di flusso specifiche del paziente.
Introduction
Diversi approcci sono stati recentemente applicati utilizzando modelli 3D di arterie umane1,2,3,4,5. Questi modelli replicano l’anatomia fisiologica e l’ambiente delle diverse arterie del corpo umano in vitro. Tuttavia, sono stati utilizzati principalmente negli studi di biologia cellulare. Gli attuali studi sul targeting vascolare delle particelle all’endotelio comprendono simulazioni computazionali silico 6,7,8, modelli microfluidici in vitro 9,10,11e modelli animali in vivo 12. Nonostante le intuizioni che hanno fornito, questi modelli sperimentali non sono riusciti a simulare accuratamente il processo di targeting che si verifica nelle arterie umane, in cui il flusso sanguigno e l’emodinamica costituiscono fattori dominanti. Ad esempio, lo studio del targeting delle particelle verso le regioni aterosclerotiche nella biforcazione dell’arteria carotide, note per il loro complesso modello di flusso di ricircolo e il gradiente di sollecitazione di taglio della parete, può influire sul viaggio intrapreso dalle particelle prima che raggiungano l’endotelio13,14,15,16. Pertanto, questi studi devono essere eseguiti in condizioni che replicano l’ambiente fisiologico, cioèdimensioni, dimensione, anatomia e profilo di flusso.
Recentemente, questo gruppo di ricerca ha fabbricato modelli arteriosi umani ricostruiti in 3D per studiare la deposizione e il targeting delle particelle alla vascucolatura17. I modelli erano basati su repliche geometriche 3D di vasi sanguigni umani, che venivano poi coltivati con HC umani che successivamente fiancheggiavano le loro pareti interne. Inoltre, se sottoposti a un sistema di perfusione che produce flusso fisiologico, i modelli hanno replicato accuratamente le condizioni fisiologiche. Il sistema di perfusione è stato progettato per perfondere fluidi a una portata costante, utilizzando una pompa peristaltica sia in configurazioni a circuito chiuso che a circuito aperto(Figura 1). Il sistema può essere utilizzato come circuito chiuso per mappare la deposizione di particelle e mirare alle cellule sementi all’interno del modello carotide. Inoltre, può essere utilizzato come circuito aperto per lavare le particelle non aderenti alla fine degli esperimenti e per pulire e mantenere il sistema. Questo documento presenta protocolli per la fabbricazione di modelli 3D della biforcazione carotide umana, la progettazione del sistema di perfusione e la mappatura della deposizione di particelle mirate all’interno dei modelli.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gli attuali approcci per studiare il targeting vascolare delle particelle non sono all’altezza della replicazione delle condizioni fisiologiche presenti nel corpo umano. Qui è presentato un protocollo per fabbricare modelli di arterie umane ricostruiti in 3D per studiare il targeting delle particelle verso gli EC che rivestono l’arteria sotto flusso fisiologico applicato utilizzando un sistema di perfusione personalizzato. Quando si sceglie il materiale per la stampa 3D, è meglio utilizzare una plastica trasparente per…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla Israel Science Foundation (sovvenzione ISF # 902/18). La borsa di studio di Maria Khoury è stata sostenuta dal programma di dottorato femminile della baronessa 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).
