В ходе исследования микрочипы были покрыты тонким слоем эндотелиальных клеток, которые составляют внутреннюю поверхность кровеносных сосудов. В здоровых кровеносных сосудах эндотелиальные клетки действуют как барьер, не позволяющий посторонним предметам попадать в кровоток.
Но в местах, склонных к атеросклерозу, эндотелиальный барьер разрушается, позволяя вещам входить и выходить из артерий, чего не должно быть.В новом исследовании наночастицы смогли пересечь слой эндотелиальных клеток на микрочипе в условиях, имитирующих проницаемый слой при атеросклерозе. Результаты микрожидкостного устройства хорошо коррелировали с накоплением наночастиц в артериях модели животного с атеросклерозом, демонстрируя способность устройства помогать фильтровать наночастицы и оптимизировать их конструкцию.
«Это простая модель — микрочип, а не чаша для культивирования клеток — что означает, что простой эндотелиализированный микрочип с микроэлектродами может показать некоторые, но важные предсказания того, что происходит в модели на большом животном», — сказал ЙонгТэ (Тони) Ким, помощник профессор биоинженерии в Школе машиностроения Джорджа В. Вудраффа Технологического института Джорджии.Исследование было опубликовано в январе онлайн в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Эта работа представляет собой междисциплинарные усилия исследователей, которые сотрудничают в рамках Программы передового опыта в области нанотехнологий, финансируемой Национальным институтом сердца, легких и крови, Национальными институтами здоровья (NIH). В команду входят исследователи из Института интегративных исследований рака Дэвида Х. Коха при Массачусетском технологическом институте, Медицинской школы Икана на горе Синай, Академического медицинского центра в Амстердаме, Технологического института Кюсю в Японии и Школы медицины Бостонского университета и Гарварда.
Медицинская школа.Ким начал работу в качестве своего научного сотрудника в Массачусетском технологическом институте (MIT) в лаборатории Роберта Лангера.«Это прекрасный пример разработки нового нанотехнологического подхода для решения важной медицинской проблемы», — сказал Роберт Лангер, профессор Института Дэвида Х. Коха в Массачусетском технологическом институте, известный своей работой в области тканевой инженерии и доставки лекарств.Ким и Лангер объединились с исследователями из Медицинской школы Икана на горе Синай в Нью-Йорке.
Марк Лобатто, со-ведущий автор, работает в лабораториях Виллема Малдера, эксперта в области сердечно-сосудистой наномедицины, и Захи Файада, директора Института трансляционной и молекулярной визуализации на горе Синай.«Работа представляет собой уникальную интеграцию микрофлюидных технологий, сердечно-сосудистой наномедицины, биологии сосудов и визуализации in vivo. Теперь мы лучше понимаем, как работает нацеливание наночастиц при атеросклерозе». — говорит Лобатто.
Исследователи надеются, что их микрочип может ускорить процесс разработки наномедицины за счет более точного прогнозирования эффективности терапевтических наночастиц на более крупных моделях животных, таких как кролики. Такая дополнительная модель in vitro сэкономит время и деньги и потребует меньшего количества животных.По словам Ким, немногие системы доставки лекарств на основе наночастиц, по сравнению с предлагаемыми исследованиями, были одобрены Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США.
Весь процесс разработки одной платформы для наномедицины может занять 15 лет — от идеи до синтеза, тестирования in vitro, тестирования in vivo и утверждения.«Это разочаровывающий процесс», — сказала Ким. «Часто то, что работает в чашках для культивирования клеток, не работает на животных моделях».Чтобы ускорить исследования в области наномедицины за счет улучшения прогностических возможностей тестирования in vitro, Ким и его коллеги разработали свой микрочип, который имитирует то, что происходит в организме, лучше, чем то, что в настоящее время возможно при обычном культивировании клеток.
«В будущем мы сможем делать микрочипы, которые будут намного больше похожи на то, что происходит на животных моделях или даже на людях, по сравнению с традиционными исследованиями на чашках для культивирования клеток», — сказал Ким.На своем микрочипе ученые могут контролировать проницаемость слоя эндотелиальных клеток, изменяя скорость кровотока через клетки или вводя химическое вещество, которое выделяется организмом во время воспаления.
Исследователи обнаружили, что проницаемость клеток на микрочипе хорошо коррелирует с проницаемостью микрососудов в модели атеросклероза на крупных животных.Микрочипы позволяют точно контролировать механическую и химическую среду вокруг живых клеток.
Используя микрочип, исследователи могут создавать физиологически релевантные условия для клеток, изменяя скорость кровотока через клетки или вводя химическое вещество, которое выделяется организмом во время воспаления.Ким сказал, что, хотя эта система на основе микрочипов обеспечивает лучшую предсказуемость, чем текущие эксперименты с культурами клеток, она не заменяет необходимости в исследованиях на животных, которые дают относительно более полную картину того, насколько хорошо конкретная наномедицина может работать на людях.«Это лучше, чем эксперимент в чашке in vitro, но в ближайшем будущем он не сможет полностью воспроизвести то, что происходит внутри тела», — сказал Ким. «Это поможет ускорить весь этот процесс и спасти большое количество животных».
Это исследование поддерживается Национальным институтом сердца, легких и крови в качестве награды за выдающиеся достижения в области нанотехнологий (HHSN268201000045C), Национальным институтом рака (NCI) (CA151884); Премия Фонда Дэвида Х. Коха по борьбе с раком простаты в области нанотерапевтических средств и Национальные институты здравоохранения (NIH) (R01 EB009638 и R01CA155432).