In Vitro 3D Cell-Cultured Modelos arteriais para estudar a segmentação de drogas vasculares sob fluxo
Summary
Aqui, apresentamos um novo protocolo para estudar e mapear a deposição direcionada dos portadores de drogas para células endoteliais em modelos de artéria humanas fabricadas, de tamanho real, tridimensionais sob fluxo fisiológico. O método apresentado pode servir como uma nova plataforma para o direcionamento de portadores de drogas dentro do sistema vascular.
Abstract
O uso de modelos tridimensionais (3D) de artérias humanas, que são projetados com as dimensões corretas e anatomia, permite a modelagem adequada de vários processos importantes no sistema cardiovascular. Recentemente, embora vários estudos biológicos tenham sido realizados utilizando tais modelos 3D de artérias humanas, eles não foram aplicados para estudar o direcionamento vascular. Este artigo apresenta um novo método para fabricar modelos arteriais humanos reconstruídos de tamanho real usando uma técnica de impressão 3D, forra-los com células endoteliais humanas (CE) e estudar partículas direcionadas sob fluxo fisiológico. Esses modelos têm a vantagem de replicar o tamanho fisiológico e as condições dos vasos sanguíneos no corpo humano usando componentes de baixo custo. Esta técnica pode servir como uma nova plataforma para estudar e entender a segmentação de medicamentos no sistema cardiovascular e pode melhorar o design de novas nanomedicinas injetáveis. Além disso, a abordagem apresentada pode fornecer ferramentas significativas para o estudo da entrega direcionada de diferentes agentes para doenças cardiovasculares sob fluxo específico do paciente e condições fisiológicas.
Introduction
Várias abordagens foram recentemente aplicadas utilizando modelos 3D de artérias humanas1,2,3,4,5. Esses modelos replicam a anatomia fisiológica e o ambiente de diferentes artérias do corpo humano in vitro. No entanto, eles têm sido usados principalmente em estudos de biologia celular. Estudos atuais sobre direcionamento vascular de partículas para o endotélio incluem em simulações computacionais silico 6,7,8, modelos microfluidos in vitro 9,10,11, e in vivo modelos animais12. Apesar dos insights que eles forneceram, esses modelos experimentais falharam em simular com precisão o processo de segmentação que ocorre nas artérias humanas, onde o fluxo sanguíneo e a hemodinâmica constituem fatores dominantes. Por exemplo, o estudo de partículas direcionadas a regiões ateroscleróticas na bifurcação da artéria carótida, conhecida por seu complexo padrão de fluxo de recirculação e gradiente de estresse de cisalhamento de parede, pode impactar a viagem tomada pelas partículas antes de atingirem o endotélio13,14,15,16. Portanto, esses estudos devem ser realizados em condições que replicam o ambiente fisiológico, ou seja,tamanho, dimensão, anatomia e perfil de fluxo.
Recentemente, este grupo de pesquisa fabricou modelos arteriais humanos reconstruídos em 3D para estudar a deposição e direcionamento de partículas para a vasculatura17. Os modelos foram baseados em réplicas geométricas 3D de vasos sanguíneos humanos, que foram então cultivadas com CEs humanos que posteriormente forraram suas paredes internas. Além disso, quando submetidos a um sistema de perfusão que produz fluxo fisiológico, os modelos replicaram com precisão as condições fisiológicas. O sistema de perfusão foi projetado para perfumar fluidos a uma taxa de fluxo constante, utilizando uma bomba peristáltica em configurações de circuito fechado e aberto(Figura 1). O sistema pode ser usado como um circuito fechado para mapear a deposição de partículas e direcionar para as células semeadas dentro do modelo carótida. Além disso, pode ser usado como um circuito aberto para lavar partículas não aderentes no final dos experimentos e para limpar e manter o sistema. Este artigo apresenta protocolos para a fabricação de modelos 3D da bifurcação carótida humana, design do sistema de perfusão e mapeamento da deposição de partículas-alvo dentro dos modelos.
Protocol
Representative Results
Discussion
As abordagens atuais para estudar o direcionamento vascular de partículas ficam aquém na replicação das condições fisiológicas presentes no corpo humano. Apresentado aqui é um protocolo para fabricar modelos reconstruídos em 3D de artérias humanas para estudar partículas direcionadas às CES que revestem a artéria sob fluxo fisiológico aplicado usando um sistema de perfusão personalizado. Ao escolher o material para impressão 3D, é melhor usar um plástico transparente para evitar a transferência de pigm…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Israel Science Foundation (isf grant # 902/18). A bolsa de estudos de Maria Khoury foi apoiada pelo Programa de Doutorado feminino da Baronesa 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
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