Магнитная 3D-биопечать - Magnetic 3D bioprinting

Магнитная 3D-биопечать это методология, в которой используются биосовместимый магнитный наночастицы для печати ячеек в 3D-структурах или 3D клеточные культуры. В этом процессе клетки маркируются магнитными наночастицами (наношатл), которые используются для придания им магнитного поля.[1][2] После намагничивания эти клетки могут быть быстро напечатаны в виде конкретных трехмерных узоров с использованием внешних магнитных сил, имитирующих структуру и функцию ткани.

Основной принцип

Использование магнитного 3D дает несколько преимуществ биопечать по сравнению с другими способами 3D-печати, такими как экструзия, фотолитография, и стереолитография. Это включает в себя быстрый процесс биопечати (15 мин - 1 час) по сравнению с многодневными процессами других;[3][4] то эндогенный синтез внеклеточный матрикс (ECM) без необходимости искусственного протеина субстрат; и точный пространственный контроль.[5][6][7] Используя эту систему, 3D клеточная культура можно быстро распечатать модели, от простых сфероидов и колец до более сложных органотипических моделей, таких как легкое,[5] аортальный клапан,[6] и жир.[7]

История

Первая коммерчески доступная система трехмерной биопечати коммерциализируется компанией Nano3D Biosciences, Inc. Первое применение этой системы предназначено для высокая пропускная способность и скрининг на наркотики с высоким содержанием.[8]

Процесс

Клетки сначала необходимо инкубировать в присутствии магнитных наночастиц, чтобы сделать их более восприимчивыми к манипуляциям с помощью магнитных полей. Система, разработанная Nano3D Biosciences, использует «наношаттл», который представляет собой сборку наночастиц, состоящую из золота, магнитного оксида железа и поли-L-лизина, который способствует адгезии к клеточной мембране за счет электростатических взаимодействий.[5] В этой системе клетки напечатаны магнитным способом в виде трехмерных узоров (колец или точек) с использованием полей, создаваемых постоянными магнитами. Клетки в напечатанной конструкции взаимодействуют с окружающими клетками и ЕСМ для миграции, пролиферации и, в конечном итоге, сжатия структуры, обычно в течение 24 часов.

При использовании в качестве теста на токсичность эта усадка зависит от концентрации лекарственного средства и является безметкой метрикой функции клеток, которую можно легко зафиксировать и измерить с помощью визуализации в светлом поле.[8] В системе, разработанной Nano3D Biosciences, размер рисунка можно зафиксировать с помощью системы на базе iPod, которая запрограммирована с помощью свободно доступного приложения (Experimental Assistant) для изображения целых пластин до 96 структур с небольшими интервалами как 1 с) для эффективного захвата фармакодинамики. Результаты использования магнитной 3D-биопечати были недавно опубликованы в Научные отчеты в октябре 2013 г.[8]

Диамагнетофорез

Клетки можно собирать без использования магнитных наночастиц, используя диамагнетизм. Некоторые материалы сильно притягиваются или чувствительны к магнитам, чем другие. Материалы с более высокой магнитной восприимчивостью будут испытывать более сильное притяжение к магниту и двигаться к нему. Слабо притягивающийся материал с более низкой восприимчивостью перемещается в области с более низким магнитным полем, которые лежат вдали от магнита. Разработав магнитные поля и тщательно скомпонованные магниты, можно использовать разницу в магнитной восприимчивости двух материалов для концентрации только одного в объеме.

Пример можно найти в работе, в которой биочерня была получена путем суспендирования клеток рака груди человека в среде для культивирования клеток, содержащей парамагнитную соль, гидрат дигидрогеновой соли диэтилентриаминпентауксусной кислоты гадолиния (III) (Gd-DTPA). Как и большинство клеток, эти клетки рака груди гораздо слабее притягиваются магнитами, чем Gd-DTPA, который является одобренным FDA контрастным агентом для МРТ для использования у людей. Следовательно, когда было приложено магнитное поле, гидрат соли перемещался к магнитам, смещая клетки в заданную область с минимальной напряженностью магнитного поля, что способствовало формированию кластера трехмерных клеток.[9]

Заявление

Магнитная 3D-биопечать может использоваться для скрининга сердечно-сосудистая токсичность, на который приходится 30% отозванных лекарств. [10] Клетки гладких мышц сосудов напечатаны с помощью магнитной печати в трехмерные кольца, имитирующие кровеносные сосуды, которые могут сжиматься и расширяться. Эта система потенциально может заменить эксперименты с использованием ткани ex vivo, которые являются дорогостоящими и дают мало данных за эксперимент. Кроме того, магнитная 3D-биопечать может использовать человеческие клетки, чтобы приблизиться к человеческим in vivo ответ лучше, чем с моделью на животных. Это было продемонстрировано биоанализ который сочетает в себе преимущества 3D-биопечати в создании тканеподобных структур для исследования со скоростью магнитной печати.

Пользователи

Целевые пользователи магнитной 3D-биопечати находятся в фармацевтике и CRO промышленности, где эта система может быть интегрирована на ранних этапах процесса разработки лекарств в качестве комплексного скрининга на токсичность и эффективность. В будущем магнитная 3D-биопечать может быть применена в области регенеративной медицины и органогенез. В целом, магнитная 3D-биопечать - это эффективный инструмент для создания точных моделей естественных тканей.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Соуза Г. Р., Молина Дж. Р., Рафаэль Р. М., Одзава М. Г., Старк Д. Д., Левин С. С., Бронк Л. Ф., Ананта Дж. С., Манделин Дж., Джорджеску М. М., Бэнксон Дж. А., Геловани Дж. Г., Киллиан Т.С., Арап В., Паскуалини Р. (апрель 2010 г.). «Трехмерная культура тканей на основе магнитной левитации клеток». Природа Нанотехнологии. 5 (4): 291–6. Bibcode:2010НатНа ... 5..291С. Дои:10.1038 / nnano.2010.23. ЧВК  4487889. PMID  20228788.
  2. ^ Хайслер В.Л., Тимм Д.М., Гейдж Дж.А., Ценг Х., Киллиан Т.С., Соуза Г.Р. (октябрь 2013 г.). «Трехмерное культивирование клеток с помощью магнитной левитации». Протоколы природы. 8 (10): 1940–9. Дои:10.1038 / nprot.2013.125. PMID  24030442. S2CID  24247462.
  3. ^ Фридрих Дж., Зайдель С., Эбнер Р., Кунц-Шугарт Л.А. (2009). «Скрининг наркотиков на основе сфероидов: соображения и практический подход». Протоколы природы. 4 (3): 309–24. Дои:10.1038 / nprot.2008.226. PMID  19214182. S2CID  21783074.
  4. ^ Зайлер А.Е., Шпильманн Х. (июнь 2011 г.). «Подтвержденный тест на эмбриональные стволовые клетки для прогнозирования эмбриотоксичности in vitro». Протоколы природы. 6 (7): 961–78. Дои:10.1038 / nprot.2011.348. PMID  21720311. S2CID  5643556.
  5. ^ а б c Ценг Х., Гейдж Дж. А., Рафаэль Р. М., Мур Р. Х., Киллиан Т. К., Гранд-Аллен К. Дж., Соуза Г. Р. (сентябрь 2013 г.). «Сборка трехмерной многотипной модели сокультуры бронхиол с использованием магнитной левитации» (PDF). Тканевая инженерия. Часть C, Методы. 19 (9): 665–75. Дои:10.1089 / ten.tec.2012.0157. HDL:1911/70947. PMID  23301612.
  6. ^ а б Ценг Х., Балаоинг Л.Р., Григорян Б., Рафаэль Р.М., Киллиан Т.К., Соуза Г.Р., Гранд-Аллен К.Дж. (январь 2014 г.). «Трехмерная модель совместного культивирования аортального клапана с использованием магнитной левитации». Acta Biomaterialia. 10 (1): 173–82. Дои:10.1016 / j.actbio.2013.09.003. PMID  24036238.
  7. ^ а б Daquinag AC, Соуза Г.Р., Колонин М.Г. (май 2013 г.). «Инженерия жировой ткани в системе трехмерной левитации тканевой культуры на основе магнитных наночастиц» (PDF). Тканевая инженерия. Часть C, Методы. 19 (5): 336–44. Дои:10.1089 / ten.tec.2012.0198. ЧВК  3603558. PMID  23017116.
  8. ^ а б c Тимм Д.М., Чен Дж., Синг Д., Гейдж Дж. А., Хайслер В. Л., Нили С. К. и др. (Октябрь 2013). «Высокопроизводительный трехмерный анализ миграции клеток для скрининга токсичности с анализом макроскопических изображений на мобильных устройствах». Научные отчеты. 3: 3000. Bibcode:2013НатСР ... 3Э3000Т. Дои:10.1038 / srep03000. ЧВК  3801146. PMID  24141454.
  9. ^ Мишрики С., Абдель Фаттах А.Р., Камманн Т., Саху Р.П., Гэн Ф., Пури И.К. (2019). «Быстрая магнитная 3D-печать ячеистых структур с использованием ячеистых чернил MCF-7». Исследование. 2019: 9854593. Дои:10.34133/2019/9854593. ЧВК  6750075. PMID  31549098.
  10. ^ Гватмей Дж. К., Цайун К., Хаджар Р. Дж. (Июнь 2009 г.). «Кардиономика: новый интегративный подход к скринингу кардиотоксичности кандидатов в лекарства». Мнение эксперта по метаболизму лекарств и токсикологии. 5 (6): 647–60. Дои:10.1517/17425250902932915. PMID  19442031. S2CID  37441896.

дальнейшее чтение

  • Тран Дж (2015). «В Биопринт или не в Биопринт». Журнал права и технологий Северной Каролины. 17: 123–78. SSRN  2562952.
  • Тран Дж (2015). «Патентование биопечати». Harvard Journal of Law and Technology Digest. SSRN  2603693.