In Vitro 3D-cellekulturerte arterielle modeller for å studere vaskulær legemiddelmålretting under strømning
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
Representative Results
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
- 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).
