流れの下で標的とする血管薬を研究するためのin Vitro 3D細胞培養動脈モデル
Summary
ここでは、生理学的流れの下で作製された実大の三次元ヒト動脈モデルにおける内皮細胞への薬物キャリアの標的堆積を研究し、マッピングするための新しいプロトコルを提示する。提示された方法は、血管系内の薬剤キャリアを標的とする新しいプラットフォームとして役立つ可能性がある。
Abstract
正しい次元および解剖学と設計されている人の動脈の三次元(3D)モデルの使用は、心血管系の様々な重要なプロセスの適切なモデル化を可能にする。近年、ヒト動脈の3Dモデルを用いていくつかの生物学的研究が行われているが、それらは血管標的化の研究には適用されていない。本論文では、3Dプリンティング技術を用いて、実際の大きさの再構築されたヒト動脈モデルを作製し、ヒト内皮細胞(IC)と一致させ、生理的流れ下での粒子ターゲティングを研究する新しい方法を提示する。これらのモデルは、低コストの成分を使用して、人体の血管の生理学的サイズと条件を複製する利点を有する。この技術は、心血管系における薬物標的化を研究し、理解するための新しいプラットフォームとして役立ち、新しい注射可能なナノ医薬品の設計を改善するかもしれない。さらに、提示されたアプローチは、患者固有の流れおよび生理学的条件下での心血管疾患に対する異なる薬剤の標的送達の研究のための重要なツールを提供し得る。
Introduction
最近、ヒト動脈1、2、3、4、5の3Dモデルを利用して、いくつかのアプローチが適用されている。これらのモデルは、生体内の人体における異なる動脈の生理学的解剖学および環境を複製する。しかし、それらは主に細胞生物学の研究で使用されています。内皮への粒子の血管標的化に関する現在の研究は、インビトロマイクロ流体モデル9、10、11、および生体内動物モデル12におけるインビリコ計算シミュレーション6、7、8に含まれる。彼らが提供した洞察にもかかわらず、これらの実験モデルは、血流と血行力学が支配的な要因を構成するヒト動脈で起こる標的化プロセスを正確にシミュレートすることができなかった。例えば、複雑な再循環流れパターンと壁せん断応力勾配で知られる頸動脈分岐におけるアテローム硬化領域への粒子標的化の研究は、粒子が内皮13、14、15、16に到達する前に粒子が取った旅に影響を与える可能性がある。したがって、これらの研究は、生理的環境、すなわち、サイズ、寸法、解剖学、およびフロープロファイルを複製する条件下で行われなければならない。
近年、この研究グループは、3D再構成されたヒト動脈モデルを作製し、血管系17に対する粒子の堆積および標的化を研究した。モデルは人間の血管の幾何学的な3Dレプリカに基づいており、その後、内壁に並ぶヒトICで培養された。また、生理的な流れを生み出す灌流系を施した場合、モデルは正確に生理的条件を複製した。この灌流システムは、閉回路構成と開放回路構成の両方で蠕動ポンプを使用して、一定の流速で流体を透過するように設計された(図1)。このシステムは、粒子の堆積とターゲットを頸動脈モデルの内側に播種したセルにマッピングするための閉回路として使用できます。また、実験終了時に非付着粒子を洗い流し、システムを洗浄・維持するための開放回路として使用できます。本論文では、ヒト頸動脈分岐の3Dモデルの製作、灌流システムの設計、モデル内の標的粒子の堆積のマッピングに関するプロトコルを紹介する。
Protocol
Representative Results
Discussion
粒子の血管標的を研究するための現在のアプローチは、人体に存在する生理学的状態を複製するのに不足している。ここでは、カスタマイズされた灌流システムを使用して適用される生理学的流れの下で動脈を裏打ちするECに対する粒子ターゲティングを研究するために、ヒト動脈の3D再構成モデルを製造するためのプロトコルです。3D印刷用の材料を選択する場合は、透明なプラスチックを?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、イスラエル科学財団(ISF助成金#902/18)によって支援されました。マリア・クーリーの奨学金は、バロネス・アリアン・ド・ロスチャイルド女性博士課程によって支援されました。
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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