Магнитная 3D-биопечать

Магнитная 3D-биопечать — это методология, которая использует биосовместимые магнитные наночастицы для печати клеток в 3D-структурах или 3D-культурах клеток . В этом процессе клетки помечаются магнитными наночастицами ( наночелноками ), которые используются для придания им магнитных свойств. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Будучи магнитными, эти клетки можно быстро напечатать в виде конкретных трехмерных рисунков с использованием внешних магнитных сил, которые имитируют структуру и функцию ткани.

Общий принцип

Магнитная 3D- биопечать может использоваться в качестве альтернативы другим методам 3D-печати, таким как экструзия , фотолитография и стереолитография . Преимущества этого метода включают быстрый процесс биопечати (15 минут – 1 час) по сравнению с другими процессами, занимающими несколько дней; ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} эндогенный внеклеточного синтез матрикса (ECM) без необходимости использования искусственного белкового субстрата и тонкого пространственного контроля. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Используя эту систему, можно быстро распечатать 3D-модели клеточных культур : от простых сфероидов и колец до более сложных органотипических моделей, таких как легкие, ^{[ 5 ]} аортальный клапан, ^{[ 6 ]} и белый жир. ^{[ 7 ]}

История

Первая коммерчески доступная система 3D-биопечати выводится на рынок компанией Nano3D Biosciences, Inc. Первое применение этой системы будет предназначено для высокопроизводительного скрининга лекарств с высоким содержанием. ^{[ 8 ]}

Процесс

Сначала клетки необходимо инкубировать в присутствии магнитных наночастиц, чтобы сделать их более восприимчивыми к манипуляциям с помощью магнитных полей. Система, разработанная Nano3D Biosciences, использует «наночелнок», который представляет собой сборку наночастиц, состоящую из золота, магнитного оксида железа и поли-L-лизина, который способствует адгезии к клеточной мембране посредством электростатических взаимодействий. ^{[ 5 ]} В этой системе клетки магнитно печатаются в трехмерные узоры (кольца или точки) с использованием полей, генерируемых постоянными магнитами. Клетки внутри напечатанной конструкции взаимодействуют с окружающими клетками и ЕСМ, мигрируя, пролиферируя и, в конечном итоге, сжимая структуру, обычно в течение 24 часов.

При использовании в качестве анализа токсичности это сокращение зависит от концентрации лекарственного средства и представляет собой немаркированный показатель клеточной функции, который можно легко зафиксировать и измерить с помощью изображений в светлом поле. ^{[ 8 ]} В системе, разработанной Nano3D Biosciences, размер паттерна можно фиксировать с помощью системы на базе iPod, которая запрограммирована с помощью бесплатно доступного приложения (Experimental Assistant) для получения изображений целых пластинок, содержащих до 96 структур, с небольшими интервалами (с небольшими интервалами). как одна секунда) для эффективного сбора фармакодинамики.

Диамагнитофорез

Клетки можно собирать без использования магнитных наночастиц, используя диамагнетизм . Некоторые материалы сильнее притягиваются или восприимчивы к магнитам, чем другие. Материалы с более высокой магнитной восприимчивостью будут испытывать более сильное притяжение к магниту и двигаться к нему. Слабо притянутый материал с меньшей восприимчивостью смещается в области более низкого магнитного поля, находящиеся вдали от магнита. Разработав магнитные поля и тщательно расположив магниты, можно использовать различия в магнитной восприимчивости двух материалов для концентрации только одного в объеме.

Примером может служить создание биочернил путем суспендирования клеток рака молочной железы человека в среде для культивирования клеток, содержащей парамагнитную соль, гидрат дигидрогенной соли диэтилентриаминпентауксусной кислоты гадолиния (III) (Gd-DTPA). Как и большинство клеток, эти клетки рака молочной железы гораздо слабее притягиваются магнитами, чем Gd-DTPA, который является одобренным FDA контрастным веществом для МРТ для использования у людей. Таким образом, при приложении магнитного поля гидрат соли двигался к магнитам, смещая клетки в заранее определенную область минимальной напряженности магнитного поля, что приводило к образованию трехмерного кластера клеток. ^{[ 9 ]}

Приложение

Магнитную 3D-биопечать можно использовать для выявления сердечно-сосудистой токсичности , на долю которой приходится 30% случаев отмены лекарств. ^{[ 10 ]} Клетки гладких мышц сосудов напечатаны с помощью магнита в виде трехмерных колец, имитирующих кровеносные сосуды, которые могут сокращаться и расширяться. Эта система потенциально может заменить эксперименты с использованием тканей ex vivo, которые являются дорогостоящими и дают мало данных за эксперимент. Кроме того, магнитная 3D-биопечать может использовать клетки человека для более точной имитации реакции человека in vivo, чем на животной модели. Это было продемонстрировано биоанализом, который сочетает в себе преимущества 3D-биопечати в создании тканеподобных структур для изучения со скоростью магнитной печати.

См. также

Ссылки

^ Соуза Г.Р., Молина Дж.Р., Рафаэль Р.М., Озава М.Г., Старк Д.Д., Левин К.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» . Природные нанотехнологии . 5 (4): 291–6. Бибкод : 2010НатНа...5..291С . дои : 10.1038/nnano.2010.23 . ПМЦ 4487889 . ПМИД 20228788 .
^ Хейслер В.Л., Тимм Д.М., Гейдж Дж.А., Ценг Х., Киллиан Т.К., Соуза Г.Р. (октябрь 2013 г.). «Трехмерное культивирование клеток методом магнитной левитации». Протоколы природы . 8 (10): 1940–9. дои : 10.1038/nprot.2013.125 . ПМИД 24030442 . S2CID 24247462 .
^ Фридрих Дж., Зайдель С., Эбнер Р., Кунц-Шугхарт Л.А. (2009). «Скрининг наркотиков на основе сфероидов: соображения и практический подход». Протоколы природы . 4 (3): 309–24. дои : 10.1038/nprot.2008.226 . ПМИД 19214182 . S2CID 21783074 .
^ Зайлер А.Э., Шпильманн Х. (июнь 2011 г.). «Утвержденный тест эмбриональных стволовых клеток для прогнозирования эмбриотоксичности in vitro». Протоколы природы . 6 (7): 961–78. дои : 10.1038/nprot.2011.348 . ПМИД 21720311 . S2CID 5643556 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Ценг Х., Гейдж Дж.А., Рафаэль Р.М., Мур Р.Х., Киллиан Т.К., Гранде-Аллен К.Дж., Соуза Г.Р. (сентябрь 2013 г.). «Сборка трехмерной мультитиповой модели совместной культуры 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 . ПМИД 23301612 . Архивировано из оригинала (PDF) 11 января 2014 г. Проверено 10 января 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б Ценг Х., Балаоин Л.Р., Григорян Б., Рафаэль Р.М., Киллиан Т.С., Соуза Г.Р., Гранде-Аллен К.Дж. (январь 2014 г.). «Трёхмерная совместная модель аортального клапана с использованием магнитной левитации» . Акта Биоматериалы . 10 (1): 173–82. дои : 10.1016/j.actbio.2013.09.003 . ПМЦ 10593146 . ПМИД 24036238 .
^ Jump up to: ^а ^б Дакинаг А.С., Соуза Г.Р., Колонин М.Г. (май 2013 г.). «Инженерия жировой ткани в системе трехмерной левитации культуры тканей на основе магнитных наночастиц» (PDF) . Тканевая инженерия. Часть C. Методы . 19 (5): 336–44. дои : 10.1089/ten.tec.2012.0198 . ПМЦ 3603558 . ПМИД 23017116 . Архивировано из оригинала (PDF) 11 января 2014 г. Проверено 11 января 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б Тимм Д.М., Чен Дж., Синг Д., Гейдж Дж.А., Хейслер В.Л., Нили С.К. и др. (октябрь 2013 г.). «Высокопроизводительный трехмерный анализ миграции клеток для скрининга токсичности с использованием макроскопического анализа изображений на мобильных устройствах» . Научные отчеты . 3 : 3000. Бибкод : 2013NatSR...3E3000T . дои : 10.1038/srep03000 . ПМЦ 3801146 . ПМИД 24141454 .
^ Мишрики С., Абдель Фаттах А.Р., Камманн Т., Саху Р.П., Гэн Ф., Пури И.К. (2019). «Быстрая магнитная 3D-печать клеточных структур клеточными чернилами MCF-7» . Исследовать . 2019 : 9854593. doi : 10.34133/2019/9854593 . ПМК 6750075 . ПМИД 31549098 .
^ Гватми Дж. К., Цаюн К., Хаджар Р. Дж. (июнь 2009 г.). «Кардиономика: новый интегративный подход к скринингу кардиотоксичности кандидатов в лекарства». Экспертное заключение по метаболизму и токсикологии лекарственных средств . 5 (6): 647–60. дои : 10.1517/17425250902932915 . ПМИД 19442031 . S2CID 37441896 .

Дальнейшее чтение

Тран Дж (2015). «Биопринт или не биопринт». Журнал права и технологий Северной Каролины . 17 : 123–78. ССНН 2562952 .
Тран Дж (2015). «Патентование биопечати». Дайджест Гарвардского журнала права и технологий . ССНН 2603693 .

[ref1-1] Соуза Г.Р., Молина Дж.Р., Рафаэль Р.М., Озава М.Г., Старк Д.Д., Левин К.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» . Природные нанотехнологии . 5 (4): 291–6. Бибкод : 2010НатНа...5..291С . дои : 10.1038/nnano.2010.23 . ПМЦ 4487889 . ПМИД 20228788 .

[ref2-2] Хейслер В.Л., Тимм Д.М., Гейдж Дж.А., Ценг Х., Киллиан Т.К., Соуза Г.Р. (октябрь 2013 г.). «Трехмерное культивирование клеток методом магнитной левитации». Протоколы природы . 8 (10): 1940–9. дои : 10.1038/nprot.2013.125 . ПМИД 24030442 . S2CID 24247462 .

[ref3-3] Фридрих Дж., Зайдель С., Эбнер Р., Кунц-Шугхарт Л.А. (2009). «Скрининг наркотиков на основе сфероидов: соображения и практический подход». Протоколы природы . 4 (3): 309–24. дои : 10.1038/nprot.2008.226 . ПМИД 19214182 . S2CID 21783074 .

[ref4-4] Зайлер А.Э., Шпильманн Х. (июнь 2011 г.). «Утвержденный тест эмбриональных стволовых клеток для прогнозирования эмбриотоксичности in vitro». Протоколы природы . 6 (7): 961–78. дои : 10.1038/nprot.2011.348 . ПМИД 21720311 . S2CID 5643556 .

[TsengGage2013-5] Jump up to: ^а ^б ^с Ценг Х., Гейдж Дж.А., Рафаэль Р.М., Мур Р.Х., Киллиан Т.К., Гранде-Аллен К.Дж., Соуза Г.Р. (сентябрь 2013 г.). «Сборка трехмерной мультитиповой модели совместной культуры 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 . ПМИД 23301612 . Архивировано из оригинала (PDF) 11 января 2014 г. Проверено 10 января 2014 г.

[ref6-6] Jump up to: ^а ^б Ценг Х., Балаоин Л.Р., Григорян Б., Рафаэль Р.М., Киллиан Т.С., Соуза Г.Р., Гранде-Аллен К.Дж. (январь 2014 г.). «Трёхмерная совместная модель аортального клапана с использованием магнитной левитации» . Акта Биоматериалы . 10 (1): 173–82. дои : 10.1016/j.actbio.2013.09.003 . ПМЦ 10593146 . ПМИД 24036238 .

[DaquinagSouza2013-7] Jump up to: ^а ^б Дакинаг А.С., Соуза Г.Р., Колонин М.Г. (май 2013 г.). «Инженерия жировой ткани в системе трехмерной левитации культуры тканей на основе магнитных наночастиц» (PDF) . Тканевая инженерия. Часть C. Методы . 19 (5): 336–44. дои : 10.1089/ten.tec.2012.0198 . ПМЦ 3603558 . ПМИД 23017116 . Архивировано из оригинала (PDF) 11 января 2014 г. Проверено 11 января 2014 г.

[ref8-8] Jump up to: ^а ^б Тимм Д.М., Чен Дж., Синг Д., Гейдж Дж.А., Хейслер В.Л., Нили С.К. и др. (октябрь 2013 г.). «Высокопроизводительный трехмерный анализ миграции клеток для скрининга токсичности с использованием макроскопического анализа изображений на мобильных устройствах» . Научные отчеты . 3 : 3000. Бибкод : 2013NatSR...3E3000T . дои : 10.1038/srep03000 . ПМЦ 3801146 . ПМИД 24141454 .

[9] Мишрики С., Абдель Фаттах А.Р., Камманн Т., Саху Р.П., Гэн Ф., Пури И.К. (2019). «Быстрая магнитная 3D-печать клеточных структур клеточными чернилами MCF-7» . Исследовать . 2019 : 9854593. doi : 10.34133/2019/9854593 . ПМК 6750075 . ПМИД 31549098 .

[ref9-10] Гватми Дж. К., Цаюн К., Хаджар Р. Дж. (июнь 2009 г.). «Кардиономика: новый интегративный подход к скринингу кардиотоксичности кандидатов в лекарства». Экспертное заключение по метаболизму и токсикологии лекарственных средств . 5 (6): 647–60. дои : 10.1517/17425250902932915 . ПМИД 19442031 . S2CID 37441896 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]