Att designa nanomedicin för att bekämpa sjukdomar är ett hett område inom vetenskaplig forskning, främst för behandling av cancer, men mycket lite är känt inom ramen för aterosklerotisk sjukdom. Forskare har konstruerat ett mikrochip belagt med blodkärlsceller för att lära sig mer om de förhållanden under vilka nanopartiklar ackumuleras i de plackfyllda artärerna hos patienter med åderförkalkning, den bakomliggande orsaken till hjärtinfarkt och stroke.

I forskningen, mikrochips belades med ett tunt lager av endotelceller, som utgör blodkärlens inre yta. I friska blodkärl, endotelceller fungerar som en barriär för att hålla främmande föremål borta från blodomloppet. Men på platser som är benägna att åderförkalkning, endotelbarriären bryts ner, låta saker röra sig in och ut ur artärer som inte borde.

I en ny studie, nanopartiklar kunde korsa endotelcellskiktet på mikrochipet under förhållanden som efterliknar det permeabla skiktet vid åderförkalkning. Resultaten på den mikrofluidiska enheten korrelerade väl med nanopartikelackumulering i artärerna i en djurmodell med åderförkalkning, visar enhetens förmåga att hjälpa till att skärma nanopartiklar och optimera deras design.

"Det är en enkel modell - ett mikrochip, inte cellodlingsrätt - vilket innebär att ett enkelt endoteliserat mikrochip med mikroelektroder kan visa några men ändå viktiga förutsägelser om vad som händer i en stor djurmodell, "sa YongTae (Tony) Kim, en biträdande professor i bioteknik vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Institute of Technology.

Forskningen publicerades i januari online i tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences . Detta arbete representerar en tvärvetenskaplig insats av forskare som samarbetar inom programmet för spetskompetens inom nanoteknik som finansieras av National Heart, Lunga, och Blood Institute, National Institutes of Health (NIH). Teamet inkluderar forskare vid David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research vid MIT, Icahn School of Medicine på Mount Sinai, Academic Medical Center i Amsterdam, Kyushu Institute of Technology i Japan, och Boston University School of Medicine och Harvard Medical School.

Kim började arbetet som sin postdoktor vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Robert Langers laboratorium.

"Detta är ett underbart exempel på att utveckla ett nytt nanoteknologiskt tillvägagångssätt för att ta itu med ett viktigt medicinskt problem, "sa Robert Langer, David H. Koch Institute Professor vid Massachusetts Institute of Technology, som är känd för sitt arbete inom vävnadsteknik och läkemedelsleverans.

Kim och Langer samarbetade med forskare från Icahn School of Medicine vid Mount Sinai i New York. Mark Lobatto, medledande författare arbetar i laboratorierna hos Willem Mulder, en expert på kardiovaskulär nanomedicin och Zahi Fayad, direktören för Mount Sinais Translational and Molecular Imaging Institute.

"Arbetet representerar en unik integration av mikrofluid teknik, kardiovaskulär nanomedicin, kärlbiologi och in vivo -avbildning. Vi förstår nu bättre hur nanopartikelinriktning vid åderförkalkning fungerar. "Säger Lobatto.

Forskarna hoppas att deras mikrochip kan påskynda utvecklingsprocessen för nanomedicin genom att bättre förutsäga terapeutiska nanopartiklarnas prestanda i större djurmodeller, som kaniner. En sådan gratis in vitro -modell skulle spara tid och pengar och kräva färre djur.

Få nanopartikelbaserade läkemedelsleveranssystem, jämfört med föreslagna studier, har godkänts av U.S. Food and Drug Administration, Sa Kim. Hela processen med att utveckla en nanomedicinplattform kan ta 15 år att gå från idé till syntes till testning in vitro till testning in vivo till godkännande.

"Det är en frustrerande process, "Kim sa." Ofta fungerar det som fungerar i cellodlingsrätter inte i djurmodeller. "

För att påskynda nanomedicinforskning genom att förbättra förutsägbarhet vid in vitro -testning, Kim och kollegor utformade sitt mikrochip för att efterlikna vad som händer i kroppen bättre än vad som för närvarande är möjligt genom rutinmässig cellodling.

"I framtiden, vi kan göra mikrochips som liknar mycket mer vad som händer i djurmodeller, eller till och med människor, jämfört med de konventionella cellodlingsskålstudierna, "Sa Kim.

På deras mikrochip, forskare kan kontrollera permeabiliteten hos endotelcellskiktet genom att ändra blodflödeshastigheten över cellerna eller genom att introducera en kemikalie som frigörs av kroppen under inflammation. Forskarna upptäckte att permeabiliteten hos cellerna på mikrochipet korrelerade väl med permeabiliteten för mikrokärl i en stor djurmodell av åderförkalkning.

Mikrochipen möjliggör exakt kontroll av den mekaniska och kemiska miljön runt de levande cellerna. Genom att använda mikrochipet, forskarna kan skapa celler fysiologiskt relevanta genom att ändra blodflödeshastigheten över cellerna eller genom att introducera en kemikalie som frigörs av kroppen under inflammation.

Kim sa att även om detta mikrochipbaserade system erbjuder bättre förutsägbarhet än nuvarande cellkulturförsök, det kommer inte att ersätta behovet av djurstudier, som ger en relativt mer fullständig bild av hur väl en viss nanomedicin kan fungera hos människor.

"Detta är bättre än ett in vitro -skålförsök, men det kommer inte att perfekt replikera vad som händer inuti kroppen inom en snar framtid, "Kim sa." Det kommer att göra hela processen snabbare och rädda ett antal djur. "