Summary

In Vitro 3D-cellekulturerte arterielle modeller for å studere vaskulær legemiddelmålretting under strømning

Published: March 14, 2021
doi:

Summary

Her presenterer vi en ny protokoll for å studere og kartlegge målrettet avsetning av legemiddelbærere til endotelceller i fabrikkerte, tredimensjonale tredimensjonale humane arteriemodeller under fysiologisk strømning. Den presenterte metoden kan fungere som en ny plattform for målretting av legemiddelbærere i det vaskulære systemet.

Abstract

Bruken av tredimensjonale (3D) modeller av menneskelige arterier, som er designet med riktige dimensjoner og anatomi, muliggjør riktig modellering av ulike viktige prosesser i kardiovaskulærsystemet. Nylig, selv om flere biologiske studier har blitt utført ved hjelp av slike 3D-modeller av menneskelige arterier, har de ikke blitt brukt til å studere vaskulær målretting. Dette dokumentet presenterer en ny metode for å fremstille reelle, rekonstruerte humane arterielle modeller ved hjelp av en 3D-utskriftsteknikk, linje dem med menneskelige endotelceller (ECs), og studere partikkelmålretting under fysiologisk strømning. Disse modellene har fordelen av å replikere den fysiologiske størrelsen og forholdene til blodkar i menneskekroppen ved hjelp av billige komponenter. Denne teknikken kan fungere som en ny plattform for å studere og forstå legemiddelmålretting i kardiovaskulærsystemet og kan forbedre utformingen av nye injiserbare nanomedisiner. Videre kan den presenterte tilnærmingen gi betydelige verktøy for studiet av målrettet levering av ulike midler for kardiovaskulære sykdommer under pasientspesifikk strømning og fysiologiske forhold.

Introduction

Flere tilnærminger har nylig blitt brukt ved hjelp av 3D-modeller av menneskelige arterier1,2,3,4,5. Disse modellene gjenskaper den fysiologiske anatomien og miljøet til forskjellige arterier i menneskekroppen in vitro. Imidlertid har de hovedsakelig blitt brukt i cellebiologistudier. Aktuelle studier på vaskulær målretting av partikler til endotelet inkluderer i silico beregningssimuleringer6,7,8, in vitro mikrofluidiske modeller9,10,11og in vivo dyremodeller12. Til tross for innsikten de har gitt, har disse eksperimentelle modellene ikke klart å simulere målrettingsprosessen som oppstår i menneskelige arterier, hvor blodstrøm og hemodynamikk utgjør dominerende faktorer. For eksempel kan studien av partikkelmålretting til aterosklerotiske regioner i halspulsåren bifurkasjon, som er kjent for deres komplekse resirkuleringsflytmønster og veggskjær stressgradient, påvirke reisen tatt av partiklene før de når endotelet13,14,15,16. Derfor må disse studiene utføres under forhold som gjenskaper det fysiologiske miljøet, det vil sistørrelse, dimensjon, anatomi og strømningsprofil.

Nylig produserte denne forskningsgruppen 3D-rekonstruerte menneskelige arterielle modeller for å studere avsetning og målretting av partikler til vaskulaturen17. Modellene var basert på geometriske 3D-kopier av menneskelige blodårer, som deretter ble dyrket med menneskelige ECer som senere foret sine indre vegger. I tillegg, når de blir utsatt for et perfusjonssystem som produserer fysiologisk strømning, replikerte modellene nøyaktig fysiologiske forhold. Perfusjonssystemet ble designet for å parfyme væsker med konstant strømningshastighet ved hjelp av en peristaltisk pumpe i både lukkede og åpne kretskonfigurasjoner (figur 1). Systemet kan brukes som en lukket krets for å kartlegge partikkelavsetning og målretting mot cellene som er sådd inne i halspulsmodellen. I tillegg kan den brukes som en åpen krets for å vaske ut ikke-tilhengerpartikler på slutten av forsøkene og for å rengjøre og vedlikeholde systemet. Dette papiret presenterer protokoller for fabrikasjon av 3D-modeller av den menneskelige karotisbifurkasjonen, utformingen av perfusjonssystemet og kartlegging av avsetning av målrettede partikler inne i modellene.

Protocol

MERK: Denne protokollen beskriver fabrikasjonen av en 3D-modell av halspulsåren og kan brukes til å generere andre arterier av interesse ved ganske enkelt å endre de geometriske parametrene. 1. Design og fabrikasjon av en 3D-bifurkasjon av den menneskelige halspulsåren Velg bilder fra pasienter eller tidligere studerte geometrier av den menneskelige halspulsåren bifurkasjon, og lag en dataassistert designmodell av formen som må skrives ut.MERK: Halspulsåren bifurkasjon har…

Representative Results

Dette dokumentet presenterer en ny protokoll for å kartlegge avsetningen av partikler i virkelige 3D-modeller for menneskelig arterie, noe som kan gi en ny plattform for forskning på legemiddellevering. Ved hjelp av en 3D-utskriftsteknikk ble en modell av den menneskelige karotisbifurkasjonsarterien fremstilt (figur 2). Modellen var laget av silikongummi og frø med humane ECer (Figur 3). Viktigst, denne protokollen aktiverte replikering av fysiologiske forhol…

Discussion

Nåværende tilnærminger for å studere vaskulær målretting av partikler kommer til kort i å gjenskape de fysiologiske forholdene som er tilstede i menneskekroppen. Presentert her er en protokoll for å fremstille 3D-rekonstruerte modeller av menneskelige arterier for å studere partikkelmålretting til EC-ene som fôrer arterien under fysiologisk strømning påført ved hjelp av et tilpasset perfusjonssystem. Når du velger materialet til 3D-utskrift, er det best å bruke en klar plast for å unngå pigmentoverføri…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av Israel Science Foundation (ISF grant # 902/18). Maria Khourys stipend ble støttet av Baronesse Ariane de Rothschild Women Doctoral Program.

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Goldsmith, H. L., Karino, T. Platelets in a region of disturbed flow. Transactions – American Society for Artificial Internal Organs. 23, 632-638 (1977).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Chien, S. Effects of disturbed flow on endothelial cells. Annals of Biomedical Engineering. 36 (4), 554-562 (2008).
  15. Malek, A. M., Alper, S. L., Izumo, S. Hemodynamic shear stress and its role in atherosclerosis. JAMA. 282 (21), 2035-2042 (1999).
  16. 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).
  17. 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).

Play Video

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).

View Video