في المختبر 3D نماذج الشرايين الخلية المستزرعة لدراسة استهداف المخدرات الأوعية الدموية تحت التدفق
Summary
هنا، نقدم بروتوكولا جديدا لدراسة وخريطة الترسب المستهدف لناقلي المخدرات للخلايا البطانية في نماذج الشرايين البشرية المصنعة والحقيقية الحجم وثلاثية الأبعاد تحت التدفق الفسيولوجي. وقد تكون الطريقة المعروضة بمثابة منصة جديدة لاستهداف حاملي المخدرات داخل نظام الأوعية الدموية.
Abstract
إن استخدام نماذج ثلاثية الأبعاد (ثلاثية الأبعاد) للشرايين البشرية ، والتي تم تصميمها بالأبعاد الصحيحة والتشريح ، يمكن من النمذجة المناسبة لمختلف العمليات الهامة في نظام القلب والأوعية الدموية. في الآونة الأخيرة ، على الرغم من إجراء العديد من الدراسات البيولوجية باستخدام مثل هذه النماذج ثلاثية الأبعاد من الشرايين البشرية ، إلا أنها لم تطبق لدراسة استهداف الأوعية الدموية. تقدم هذه الورقة طريقة جديدة لتصنيع نماذج شريانية بشرية حقيقية الحجم أعيد بناؤها باستخدام تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد ، وخطها مع الخلايا البطانية البشرية (ECs) ، ودراسة استهداف الجسيمات تحت التدفق الفسيولوجي. هذه النماذج لديها ميزة تكرار الحجم الفسيولوجي وظروف الأوعية الدموية في جسم الإنسان باستخدام مكونات منخفضة التكلفة. قد تكون هذه التقنية بمثابة منصة جديدة لدراسة وفهم استهداف الأدوية في نظام القلب والأوعية الدموية وقد تحسن تصميم الأدوية النانوية الجديدة القابلة للحقن. وعلاوة على ذلك، قد يوفر النهج المقدم أدوات هامة لدراسة الولادة المستهدفة لمختلف العوامل لأمراض القلب والأوعية الدموية في ظل التدفق الخاص بالمرضى والظروف الفسيولوجية.
Introduction
وقد تم مؤخرا تطبيق عدة نهج باستخدام نماذج 3D من الشرايين البشرية1،2،3،4،5. هذه النماذج تكرار التشريح الفسيولوجي والبيئة من الشرايين المختلفة في جسم الإنسان في المختبر. ومع ذلك ، فقد استخدمت أساسا في دراسات بيولوجيا الخلية. وتشمل الدراسات الحالية على استهداف الأوعية الدموية من الجسيمات إلى بطانة الرحم في المحاكاة الحسابية سيليكو 6،7،8، في المختبر نماذج microfluidic9،10،11، وفي نماذج حيوانية فيفو 12. وعلى الرغم من الرؤى التي قدمتها، فشلت هذه النماذج التجريبية في محاكاة عملية الاستهداف التي تحدث في الشرايين البشرية بدقة، حيث يشكل تدفق الدم والديناميكا الدموية عوامل مهيمنة. على سبيل المثال ، دراسة استهداف الجسيمات إلى المناطق تصلب الشرايين في تشعب الشريان السباتي ، والتي تشتهر بنمط تدفق إعادة الدوران المعقد وتدرج إجهاد القص الجداري ، قد تؤثر على الرحلة التي تقوم بها الجسيمات قبل وصولها إلى بطانة الرحم13و14و15و16. لذلك، يجب إجراء هذه الدراسات في ظل ظروف تكرر البيئة الفسيولوجية، أيالحجم والبعد والتشريح وملف التدفق.
في الآونة الأخيرة ، قام هذا الفريق البحثي بتصنيع نماذج شريانية بشرية ثلاثية الأبعاد لدراسة ترسب واستهداف الجسيمات إلى الأوعيةالدموية 17. واستندت النماذج على نسخ هندسية ثلاثية الأبعاد من الأوعية الدموية البشرية، والتي كانت بعد ذلك مثقفة مع ECs الإنسان التي اصطف في وقت لاحق جدرانها الداخلية. بالإضافة إلى ذلك ، عندما تتعرض لنظام التشوه الذي ينتج التدفق الفسيولوجي ، فإن النماذج تكرر بدقة الظروف الفسيولوجية. تم تصميم نظام التشويش لتشويش السوائل بمعدل تدفق ثابت ، وذلك باستخدام مضخة معمومة في كل من تكوينات الدائرة المغلقة والمفتوحة(الشكل 1). يمكن استخدام النظام كدائرة مغلقة لرسم خريطة لترسب الجسيمات واستهداف الخلايا المصنفة داخل النموذج السباتي. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدامه كدائرة مفتوحة لغسل الجسيمات غير الملتصقة في نهاية التجارب وتنظيف النظام وصيانته. تقدم هذه الورقة بروتوكولات لتصنيع نماذج ثلاثية الأبعاد للتشعب السباتي البشري ، وتصميم نظام التشويش ، ورسم خرائط لترسب الجسيمات المستهدفة داخل النماذج.
Protocol
Representative Results
Discussion
النهج الحالية لدراسة استهداف الأوعية الدموية من الجسيمات تقصر في تكرار الظروف الفسيولوجية الموجودة في جسم الإنسان. يقدم هنا بروتوكول لتصنيع نماذج أعيد بناؤها ثلاثية الأبعاد من الشرايين البشرية لدراسة استهداف الجسيمات إلى المركبات المائية بطانة الشريان تحت التدفق الفسيولوجي تطبيقها با…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الإسرائيلية (منحة مؤسسة دعم الدولة رقم 902/18). تم دعم منحة ماريا خوري من قبل برنامج البارونة أريان دي روتشيلد للدكتوراه النسائية.
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).
