In vitro innovation:Test af nanomedicin med blodlegemer på en mikrochip

Design af nanomedicin til bekæmpelse af sygdomme er et varmt område for videnskabelig forskning, primært til behandling af kræft, men meget lidt er kendt i forbindelse med aterosklerotisk sygdom. Forskere har konstrueret en mikrochip belagt med blodkarceller for at lære mere om de betingelser, hvorunder nanopartikler ophobes i de plaquefyldte arterier hos patienter med åreforkalkning, den underliggende årsag til myokardieinfarkt og slagtilfælde.

I forskningen, mikrochips blev overtrukket med et tyndt lag af endotelceller, som udgør den indre overflade af blodkar. I sunde blodkar, endotelceller fungerer som en barriere for at holde fremmedlegemer ude af blodbanen. Men på steder, der er tilbøjelige til åreforkalkning, endotelbarrieren nedbrydes, tillader ting at bevæge sig ind og ud af arterier, der ikke burde.

I en ny undersøgelse, nanopartikler var i stand til at krydse endotelcellelaget på mikrochippen under forhold, der efterligner det permeable lag ved åreforkalkning. Resultaterne på den mikrofluidiske enhed korrelerede godt med nanopartikelakkumulering i arterierne i en dyremodel med åreforkalkning, demonstrere enhedens evne til at hjælpe med at screene nanopartikler og optimere deres design.

"Det er en simpel model - en mikrochip, ikke cellekulturskål - hvilket betyder, at en simpel endoteliseret mikrochip med mikroelektroder kan vise en endnu vigtig forudsigelse af, hvad der sker i en stor dyremodel, "sagde YongTae (Tony) Kim, en adjunkt i bioingeniør i George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Institute of Technology.

Forskningen blev offentliggjort i januar online i tidsskriftet Procedurer fra National Academy of Sciences . Dette arbejde repræsenterer en tværfaglig indsats af forskere, der samarbejder inden for programmet for ekspertise inden for nanoteknologi finansieret af National Heart, Lunge, og Blood Institute, National Institutes of Health (NIH). Teamet omfatter forskere ved David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research ved MIT, Icahn School of Medicine på Mount Sinai, Academic Medical Center i Amsterdam, Kyushu Institute of Technology i Japan, og Boston University School of Medicine og Harvard Medical School.

Kim begyndte arbejdet som sin postdoktor ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i laboratoriet til Robert Langer.

"Dette er et vidunderligt eksempel på at udvikle en ny nanoteknologisk tilgang til at løse et vigtigt medicinsk problem, "sagde Robert Langer, David H. Koch Institute Professor ved Massachusetts Institute of Technology, som er kendt for sit arbejde inden for vævsteknik og lægemiddellevering.

Kim og Langer gik sammen med forskere fra Icahn School of Medicine på Mount Sinai i New York. Mark Lobatto, medlederforfatter arbejder i laboratorierne hos Willem Mulder, en ekspert i kardiovaskulær nanomedicin og Zahi Fayad, direktør for Mount Sinais Translational and Molecular Imaging Institute.

"Arbejdet repræsenterer en unik integration af mikrofluid teknologi, kardiovaskulær nanomedicin, vaskulær biologi og in vivo billeddannelse. Vi forstår nu bedre, hvordan målretning af nanopartikler ved åreforkalkning fungerer. "Siger Lobatto.

Forskerne håber, at deres mikrochip kan fremskynde nanomedicinens udviklingsproces ved bedre at forudsige terapeutiske nanopartiklers ydeevne i større dyremodeller, såsom kaniner. En sådan gratis in vitro -model ville spare tid og penge og kræve færre dyr.

Få nanopartikelbaserede lægemiddelleveringssystemer, sammenlignet med foreslåede undersøgelser, er godkendt af U.S. Food and Drug Administration, Sagde Kim. Hele processen med at udvikle en nanomedicin -platform kan tage 15 år at gå fra idé til syntese til test in vitro til test in vivo til godkendelse.

"Det er en frustrerende proces, "Sagde Kim." Ofte virker det, der fungerer i cellekulturretter, ikke i dyremodeller. "

For at hjælpe med at fremskynde nanomedicinforskning ved at forbedre de forudsigelige muligheder for in vitro -test, Kim og kolleger designet deres mikrochip for at efterligne, hvad der foregår i kroppen bedre, end hvad der i øjeblikket er muligt gennem rutinemæssig cellekultur.

"I fremtiden, vi kan lave mikrochips, der ligner meget mere, hvad der foregår i dyremodeller, eller endda mennesker, sammenlignet med de konventionelle cellekulturskålstudier, "Sagde Kim.

På deres mikrochip, forskere kan kontrollere permeabiliteten af ​​endotelcellelaget ved at ændre hastigheden af ​​blodgennemstrømning over cellerne eller ved at indføre et kemikalie, der frigives af kroppen under betændelse. Forskerne opdagede, at permeabiliteten af ​​cellerne på mikrochippen korrelerede godt med mikrokarrens permeabilitet i en stor dyremodel for åreforkalkning.

Mikrochipsene muliggør præcis kontrol af det mekaniske og kemiske miljø omkring de levende celler. Ved at bruge mikrochippen, forskerne kan skabe fysiologisk relevante betingelser for celler ved at ændre hastigheden af ​​blodgennemstrømning over cellerne eller ved at indføre et kemikalie, der frigives af kroppen under betændelse.

Kim sagde, at mens dette mikrochipbaserede system giver bedre forudsigelighed end nuværende cellekultureksperimenter, det erstatter ikke behovet for dyreforsøg, som giver et relativt mere komplet billede af, hvor godt en bestemt nanomedicin kan virke hos mennesker.

"Dette er bedre end et in vitro -skålforsøg, men det vil ikke perfekt replikere, hvad der foregår inde i kroppen i nær fremtid, "Kim sagde." Det vil hjælpe med at gøre hele denne proces hurtigere og redde en række dyr. "