Magnetický 3D biotisk - Magnetic 3D bioprinting

Magnetický 3D biotisk je metodika, která využívá biologicky kompatibilní magnetický nanočástice tisknout buňky do 3D struktur nebo 3D buněčné kultury. V tomto procesu jsou buňky označeny magnetickými nanočásticemi (nanoshuttle), které se používají k jejich magnetizaci.[1][2] Jakmile jsou tyto buňky magnetické, lze je rychle vytisknout do konkrétních 3D vzorů pomocí vnějších magnetických sil, které napodobují tkáňovou strukturu a funkci.

Obecná zásada

Použití magnetického 3D má několik výhod bioprinting oproti jiným modalitám 3D tisku, jako je vytlačování, fotolitografie, a stereolitografie. To zahrnuje proces rychlého bioprotisku (15 min - 1 h) ve srovnání s celodenními procesy ostatních;[3][4] the endogenní syntéza extracelulární matrix (ECM) bez potřeby umělého proteinu Podklad; a jemné prostorové ovládání.[5][6][7] Pomocí tohoto systému 3D buněčná kultura modely lze rychle tisknout, od jednoduchých sféroidů a prstenů, až po složitější organotypické modely, jako jsou plíce,[5] aortální chlopně,[6] a tlustý.[7]

Dějiny

První komerčně dostupný 3D bioprinting systém komercializuje společnost Nano3D Biosciences, Inc. První aplikace tohoto systému je pro vysoká propustnost a screening drog s vysokým obsahem.[8]

Proces

Buňky je nejprve nutné inkubovat v přítomnosti magnetických nanočástic, aby byly náchylnější k manipulaci magnetickými poli. Systém vyvinutý společností Nano3D Biosciences používá „nanoshuttle“, což je sestava nanočástic sestávající ze zlata, magnetického oxidu železa a poly-L-lysinu, který napomáhá adhezi k buněčné membráně elektrostatickými interakcemi.[5] V tomto systému jsou buňky magneticky vytištěny do 3D vzorů (prstenů nebo teček) pomocí polí generovaných permanentními magnety. Buňky v tištěném konstruktu interagují s okolními buňkami a ECM, aby migrovaly, proliferovaly a nakonec zmenšily strukturu, obvykle do 24 hodin.

Když se použije jako test toxicity, toto smrštění se mění s koncentrací léčiva a je metrikou buněčné funkce bez označení, kterou lze snadno zachytit a měřit zobrazením ve světlém poli.[8] V systému vyvinutém společností Nano3D Biosciences lze velikost vzoru zachytit pomocí systému založeného na přehrávači iPod, který je programován pomocí volně dostupné aplikace (Experimentální pomocník) k zobrazování celých desek až 96 struktur v malých intervalech (jako malé jako 1 s) k efektivnímu zachycení farmakodynamiky. Výsledky využívající magnetický 3D bioprinting byly nedávno publikovány v Vědecké zprávy v říjnu 2013.[8]

Diamagnetoforéza

Buňky lze sestavit bez použití magnetických nanočástic použitím diamagnetismus. Některé materiály jsou silně přitahovány nebo náchylné k magnetům než jiné. Materiály s vyšší magnetickou citlivostí budou silněji přitahovány k magnetu a budou se pohybovat směrem k němu. Slabě přitahovaný materiál s nižší citlivostí je přemístěn do oblastí nižšího magnetického pole, které leží od magnetu. Návrhem magnetických polí a pečlivě uspořádaných magnetů je možné použít rozdíly v magnetické susceptibilitě dvou materiálů ke koncentraci pouze jednoho v objemu.

Příklad lze nalézt v práci, kde byl bioink formulován suspendováním buněk lidského karcinomu prsu v médiu pro buněčnou kulturu, které obsahovalo paramagnetickou sůl, hydrát dihydrogenové soli gadolinium (III) dihylenetriaminpentaoctové kyseliny (Gd-DTPA). Stejně jako většina buněk jsou tyto buňky rakoviny prsu přitahovány magnety mnohem slaběji než Gd-DTPA, což je kontrastní látka MRI schválená FDA pro použití u lidí. Proto, když bylo aplikováno magnetické pole, hydrát soli se pohyboval směrem k magnetům a přemístil buňky do předem určené oblasti s minimální intenzitou magnetického pole, což zažehlo vznik 3D buněčného klastru.[9]

aplikace

K screeningu lze použít magnetický 3D biotisk kardiovaskulární toxicita, což představuje 30% stažení drog. [10] Buňky hladkého svalstva cév jsou magneticky vytištěny do 3D kroužků, aby napodobily cévy, které se mohou stahovat a dilatovat. Tento systém by mohl potenciálně nahradit experimenty s použitím tkáně ex vivo, které jsou nákladné a přinášejí málo dat na experiment. Kromě toho může magnetický 3D biotisk využívat lidské buňky k přiblížení člověka in vivo reakce lepší než u zvířecího modelu. To prokázal biotest který kombinuje výhody 3D bioprintingu při budování tkáňových struktur pro studium s rychlostí magnetického tisku.

Uživatelé

Cíloví uživatelé pro magnetický 3D bioprinting jsou ve farmaceutickém a CRO průmyslová odvětví, kde lze tento systém integrovat v rané fázi procesu objevování léků jako směsný test toxicity a účinnosti. V budoucnu by mohl být magnetický 3D bioprinting použit v oblasti regenerativní medicíny a organogeneze. Celkově je magnetický 3D bioprinting účinným nástrojem k vytváření věrných modelů nativní tkáně.

Viz také

Reference

  1. ^ Souza GR, Molina JR, Raphael RM, Ozawa MG, Stark DJ, Levin CS, Bronk LF, Ananta JS, Mandelin J, Georgescu MM, Bankson JA, Gelovani JG, Killian TC, Arap W, Pasqualini R (duben 2010). „Trojrozměrná tkáňová kultura založená na magnetické levitaci buněk“. Přírodní nanotechnologie. 5 (4): 291–6. Bibcode:2010NatNa ... 5..291S. doi:10.1038 / nnano.2010.23. PMC  4487889. PMID  20228788.
  2. ^ Haisler WL, Timm DM, Gage JA, Tseng H, Killian TC, Souza GR (říjen 2013). "Trojrozměrná kultivace buněk magnetickou levitací". Přírodní protokoly. 8 (10): 1940–9. doi:10.1038 / nprot.2013.125. PMID  24030442. S2CID  24247462.
  3. ^ Friedrich J, Seidel C, Ebner R, Kunz-Schughart LA (2009). „Screening drog na základě sféroidů: úvahy a praktický přístup“. Přírodní protokoly. 4 (3): 309–24. doi:10.1038 / nprot.2008.226. PMID  19214182. S2CID  21783074.
  4. ^ Seiler AE, Spielmann H (červen 2011). "Ověřený test embryonálních kmenových buněk k předpovědi embryotoxicity in vitro". Přírodní protokoly. 6 (7): 961–78. doi:10.1038 / nprot.2011.348. PMID  21720311. S2CID  5643556.
  5. ^ A b C Tseng H, Gage JA, Raphael RM, Moore RH, Killian TC, Grande-Allen KJ, Souza GR (září 2013). „Sestavení trojrozměrného multikulturního modelu bronchiolové kokultury pomocí magnetické levitace“ (PDF). Tkáňové inženýrství. Část C, Metody. 19 (9): 665–75. doi:10.1089 / ten.tec.2012.0157. hdl:1911/70947. PMID  23301612.
  6. ^ A b Tseng H, Balaoing LR, Grigoryan B, Raphael RM, Killian TC, Souza GR, Grande-Allen KJ (leden 2014). „Trojrozměrný kokultivační model aortální chlopně využívající magnetickou levitaci“. Acta Biomaterialia. 10 (1): 173–82. doi:10.1016 / j.actbio.2013.09.003. PMID  24036238.
  7. ^ A b Daquinag AC, Souza GR, Kolonin MG (květen 2013). „Tukové tkáňové inženýrství v trojrozměrném systému levitace tkáňových kultur založeném na magnetických nanočásticích“ (PDF). Tkáňové inženýrství. Část C, Metody. 19 (5): 336–44. doi:10.1089 / ten.tec.2012.0198. PMC  3603558. PMID  23017116.
  8. ^ A b C Timm DM, Chen J, Sing D, Gage JA, Haisler WL, Neeley SK a kol. (Říjen 2013). „Vysoce výkonný trojrozměrný test migrace buněk pro screening toxicity pomocí makroskopické analýzy obrazu na mobilním zařízení“. Vědecké zprávy. 3: 3000. Bibcode:2013NatSR ... 3E3000T. doi:10.1038 / srep03000. PMC  3801146. PMID  24141454.
  9. ^ Mishriki S, Abdel Fattah AR, Kammann T, Sahu RP, Geng F, Puri IK (2019). „Rychlý magnetický 3D tisk buněčných struktur s buněčnými inkousty MCF-7“. Výzkum. 2019: 9854593. doi:10.34133/2019/9854593. PMC  6750075. PMID  31549098.
  10. ^ Gwathmey JK, Tsaioun K, Hajjar RJ (červen 2009). „Cardionomics: new integrative approach for screening cardiotoxicity of drug candidate“. Názor odborníka na metabolismus a toxikologii drog. 5 (6): 647–60. doi:10.1517/17425250902932915. PMID  19442031. S2CID  37441896.

Další čtení

  • Tran J (2015). "Na bioprint nebo ne na bioprint". North Carolina Journal of Law and Technology. 17: 123–78. SSRN  2562952.
  • Tran J (2015). "Patentování Bioprintingu". Harvard Journal of Law and Technology Digest. SSRN  2603693.