Het ontwerpen van nanogeneeskunde om ziekten te bestrijden is een hot gebied van wetenschappelijk onderzoek, voornamelijk voor de behandeling van kanker, maar er is heel weinig bekend in de context van atherosclerotische ziekte. Wetenschappers hebben een microchip ontwikkeld die is bedekt met bloedvatcellen om meer te weten te komen over de omstandigheden waaronder nanodeeltjes zich ophopen in de met plaque gevulde slagaders van patiënten met atherosclerose, de onderliggende oorzaak van een hartinfarct en beroerte.

In het onderzoek, microchips werden gecoat met een dunne laag endotheelcellen, die het binnenoppervlak van bloedvaten vormen. In gezonde bloedvaten endotheelcellen fungeren als een barrière om vreemde voorwerpen uit de bloedbaan te houden. Maar op plaatsen die vatbaar zijn voor atherosclerose, de endotheelbarrière breekt af, dingen in en uit slagaders laten bewegen die dat niet zouden moeten.

In een nieuwe studie, nanodeeltjes waren in staat om de endotheelcellaag op de microchip te passeren onder omstandigheden die de permeabele laag bij atherosclerose nabootsen. De resultaten op het microfluïdische apparaat correleerden goed met de accumulatie van nanodeeltjes in de slagaders van een diermodel met atherosclerose, het demonstreren van het vermogen van het apparaat om nanodeeltjes te screenen en hun ontwerp te optimaliseren.

"Het is een eenvoudig model - een microchip, geen celkweekschaal - wat betekent dat een eenvoudige endotheliale microchip met micro-elektroden een belangrijke voorspelling kan laten zien van wat er gebeurt in een groot diermodel, " zei YongTae (Tony) Kim, een assistent-professor in bio-engineering aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering aan het Georgia Institute of Technology.

Het onderzoek werd in januari online gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences . Dit werk vertegenwoordigt een multidisciplinaire inspanning van onderzoekers die samenwerken binnen het Program of Excellence in Nanotechnology, gefinancierd door het National Heart, Long, en Bloedinstituut, de National Institutes of Health (NIH). Het team omvat onderzoekers van het David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research aan het MIT, de Icahn School of Medicine op de berg Sinaï, het Academisch Medisch Centrum te Amsterdam, Kyushu Instituut voor Technologie in Japan, en de Boston University School of Medicine en de Harvard Medical School.

Kim begon het werk als zijn postdoctoraal onderzoeker aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in het laboratorium van Robert Langer.

"Dit is een prachtig voorbeeld van het ontwikkelen van een nieuwe nanotechnologische benadering om een ​​belangrijk medisch probleem aan te pakken, " zei Robert Langer, de David H. Koch Institute Professor aan het Massachusetts Institute of Technology, die bekend staat om zijn werk in tissue engineering en medicijnafgifte.

Kim en Langer werkten samen met onderzoekers van de Icahn School of Medicine op Mount Sinai in New York. Mark Lobatto, co-lead auteur werkt in de laboratoria van Willem Mulder, een expert in cardiovasculaire nanogeneeskunde en Zahi Fayad, de directeur van Mount Sinai's Translational and Molecular Imaging Institute.

"Het werk vertegenwoordigt een unieke integratie van microfluïdische technologie, cardiovasculaire nanogeneeskunde, vasculaire biologie en in vivo beeldvorming. We begrijpen nu beter hoe het richten op nanodeeltjes bij atherosclerose werkt", zegt Lobatto.

De onderzoekers hopen dat hun microchip het ontwikkelingsproces van nanomedicijnen kan versnellen door de prestaties van therapeutische nanodeeltjes in grotere diermodellen beter te voorspellen. zoals konijnen. Zo'n complementair in-vitromodel zou tijd en geld besparen en minder dieren vereisen.

Weinig op nanodeeltjes gebaseerde medicijnafgiftesystemen, vergeleken met voorgestelde studies, zijn goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration, zei Kim. Het hele proces van het ontwikkelen van één nanomedicijnplatform kan 15 jaar duren om van idee naar synthese naar in vitro testen naar in vivo testen naar goedkeuring te gaan.

"Dat is een frustrerend proces, "Zei Kim. "Vaak werkt wat in celcultuurschalen werkt niet in diermodellen."

Om nanomedicijnonderzoek te helpen versnellen door de voorspellende mogelijkheden van in vitro testen te verbeteren, Kim en collega's ontwierpen hun microchip om beter na te bootsen wat er in het lichaam gebeurt dan wat momenteel mogelijk is door middel van routinematige celcultuur.

"In de toekomst, we kunnen microchips maken die veel meer lijken op wat er in diermodellen gebeurt, of zelfs mensen, vergeleken met de conventionele celkweekschaalstudies, ' zei Kim.

Op hun microchip wetenschappers kunnen de permeabiliteit van de endotheelcellaag regelen door de snelheid van de bloedstroom door de cellen te veranderen of door een chemische stof te introduceren die door het lichaam wordt afgegeven tijdens een ontsteking. De onderzoekers ontdekten dat de doorlaatbaarheid van de cellen op de microchip goed correleerde met de doorlaatbaarheid van microvaten in een groot diermodel van atherosclerose.

De microchips zorgen voor een nauwkeurige controle van de mechanische en chemische omgeving rond de levende cellen. Door gebruik te maken van de microchip, de onderzoekers kunnen fysiologisch relevante omstandigheden voor cellen creëren door de snelheid van de bloedstroom door de cellen te veranderen of door een chemische stof te introduceren die door het lichaam wordt afgegeven tijdens een ontsteking.

Kim zei dat hoewel dit op microchips gebaseerde systeem een ​​betere voorspelbaarheid biedt dan de huidige celcultuurexperimenten, het zal de noodzaak van dierstudies niet vervangen, die een relatief completer beeld geven van hoe goed een bepaald nanomedicijn bij mensen zou kunnen werken.

"Dit is beter dan een in vitro gerechtexperiment, maar het zal niet perfect nabootsen wat er in de nabije toekomst in het lichaam gebeurt, "Zei Kim. "Het zal helpen om dit hele proces sneller te laten verlopen en een aantal dieren te redden."