In Vitro 3D-cellkulturerade arteriella modeller för studier av vaskulär läkemedelsinriktning under flöde
Summary
Här presenterar vi ett nytt protokoll för att studera och kartlägga den riktade nedfallet av läkemedelsbärare till endotelceller i tillverkade, verkliga, tredimensionella mänskliga artärmodeller under fysiologiskt flöde. Den presenterade metoden kan fungera som en ny plattform för att rikta in sig på läkemedelsbärare inom kärlsystemet.
Abstract
Användningen av tredimensionella (3D) modeller av mänskliga artärer, som är utformade med rätt dimensioner och anatomi, möjliggör korrekt modellering av olika viktiga processer i hjärt-kärlsystemet. Nyligen, även om flera biologiska studier har utförts med hjälp av sådana 3D-modeller av mänskliga artärer, har de inte tillämpats för att studera vaskulär inriktning. Detta dokument presenterar en ny metod för att tillverka verkliga, rekonstruerade mänskliga kranskärlsmodeller med hjälp av en 3D-utskriftsteknik, fodra dem med mänskliga endotelceller (ECs) och studera partikelinriktning under fysiologiskt flöde. Dessa modeller har fördelen att replikera den fysiologiska storleken och förhållandena hos blodkärl i människokroppen med hjälp av billiga komponenter. Denna teknik kan fungera som en ny plattform för att studera och förstå läkemedelsinriktning i hjärt-kärlsystemet och kan förbättra utformningen av nya injicerbara nanomediciner. Dessutom kan det presenterade tillvägagångssättet ge betydande verktyg för studier av riktad leverans av olika medel för hjärt-kärlsjukdomar under patientspecifikt flöde och fysiologiska förhållanden.
Introduction
Flera metoder har nyligen tillämpats med hjälp av 3D-modeller av mänskligaartärer 1,2,3,4,5. Dessa modeller replikerar den fysiologiska anatomin och miljön hos olika artärer i människokroppen in vitro. De har dock främst använts i cellbiologistudier. Aktuella studier på vaskulär inriktning av partiklar till endotel ingår i silico beräkningssimuleringar6,7,8, in vitro mikrofluidiska modeller9,10,11, och in vivo djurmodeller12. Trots de insikter de har gett har dessa experimentella modeller misslyckats med att exakt simulera den inriktningsprocess som sker i mänskliga artärer, där blodflöde och hemodynamik utgör dominerande faktorer. Till exempel kan studien av partikel som riktar sig till åderförkalkningsregioner i halsartärens bifurcation, som är kända för sitt komplexa recirkulationsflödesmönster och väggskjuvningsspänningsgradient, påverka den resa som partiklarna tar innan de når endotel13,14,15,16. Därför måste dessa studier utföras under förhållanden som replikerar den fysiologiskamiljön, dvs. storlek, dimension, anatomi och flödesprofil.
Nyligen tillverkade denna forskargrupp 3D-rekonstruerade mänskliga arteriella modeller för att studera nedfall och inriktning av partiklar till vaskulaturen17. Modellerna baserades på geometriska 3D-kopior av mänskliga blodkärl, som sedan odlades med mänskliga ECs som därefter fodrade sina inre väggar. Dessutom, när de utsätts för ett perfusionssystem som producerar fysiologiskt flöde, replikerade modellerna noggrant fysiologiska förhållanden. Perfusionssystemet utformades för att genomsväxla vätskor med konstant flödeshastighet, med hjälp av en peristaltisk pump i både slutna och öppna kretskonfigurationer (figur 1). Systemet kan användas som sluten krets för att kartlägga partikeldeposition och inriktning på de celler som sås inuti halspulsådermodellen. Dessutom kan den användas som en öppen krets för att tvätta bort icke-vidhäftande partiklar i slutet av experimenten och för att rengöra och underhålla systemet. Detta dokument presenterar protokoll för tillverkning av 3D-modeller av den mänskliga halsartären bifurcation, design av perfusion systemet och kartläggning av nedfall av riktade partiklar inuti modellerna.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nuvarande metoder för att studera vaskulär inriktning av partiklar misslyckas med att replikera de fysiologiska förhållandena i människokroppen. Presenteras här är ett protokoll för att tillverka 3D-rekonstruerade modeller av mänskliga artärer för att studera partikel inriktning på ECs foder artären under fysiologiskt flöde tillämpas med hjälp av ett anpassat perfusionssystem. När du väljer materialet för 3D-utskrift är det bäst att använda en klar plast för att undvika pigmentöverföring till sil…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Israel Science Foundation (ISF-anslag # 902/18). Maria Khourys stipendium stöddes av Baronessan 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
- 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).
