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Article de méthode

In Vitro perméation de ferritines FITC-chargés sur un Rat barrière hémato-encéphalique: un modèle pour l' étude de la prestation de Nanoformulated Molecules

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DOI :

10.3791/54279

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22 août 2016

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Dans cet article

Résumé

Une méthode permettant d’établir un modèle in vitro de la barrière hémato-encéphalique basée sur une co-culture de cellules endothéliales microvasculaires et d’astrocytes de cerveau de rat est décrite et validée. Ce système s’est avéré être un outil valable pour étudier l’effet de la nanoformulation sur la perméation trans-barrière des molécules fluorescentes.

Résumé

Les cellules endothéliales microvasculaires cérébrales, soutenues par les péricytes et les astrocytes aux extrémités, sont responsables de la faible perméation des grands médicaments hydrosolubles à travers la barrière hémato-encéphalique (BHE), ce qui rend difficiles l’efficacité des thérapies pharmacologiques. Au cours des dernières années, différentes stratégies visant à promouvoir le ciblage du cerveau ont visé à améliorer l’administration et l’activité des médicaments sur ce site, y compris des nanosystèmes innovants pour l’administration de médicaments à travers la BHE. Dans ce contexte, une approche in vitro basée sur un modèle cellulaire simplifié de la BHE fournit un outil utile pour étudier l’effet des nanoformulations sur la perméation trans-BHE des molécules. Cette étude décrit le développement d’une BHE à double couche, composée de cellules endothéliales microvasculaires et d’astrocytes primaires de cerveau de rat disponibles dans le commerce. Une approche multiparamétrique pour la validation du modèle, basée sur la mesure de la résistance électrique transendothéliale et de la perméabilité apparente d’un dextran de haut poids moléculaire, est également décrite. Comme preuve de concept pour l’utilisation de ce modèle BBB pour étudier l’effet de différentes nanoformulations sur la translocation des molécules fluorescentes à travers la barrière, nous décrivons l’utilisation de l’isothiocyanate de fluorescéine (FITC), chargé dans des nanoparticules de ferritine. La capacité des ferritines à améliorer la perméation trans-BHE de la FITC a été démontrée par des mesures de flux et des analyses de microscopie confocale. Les résultats suggèrent qu’il s’agit d’un système utile pour valider les nanosystèmes pour l’administration de médicaments à travers la BHE.

Introduction

La résistance du système nerveux central (SNC) , des maladies ( par exemple. Le cancer, l' épilepsie, la dépression, la schizophrénie et le trouble neurologique associée au VIH) à des thérapies pharmacologiques est due à divers mécanismes, y compris la perméation du médicament difficile à travers la barrière hémato-encéphalique (BBB) . La BHE est la limite qui permet d'isoler les tissus cérébraux des substances qui circulent dans le sang. Au sein de cette barrière, une couche de cellules endothéliales microvasculaires cérébrales (BMECs), soutenus par péricytes et astrocytes endfeet, est responsable de la grande sélectivité de la BHE à ces médicaments hydrosolubles avec un poids moléculaire supérieur à 400 Da 1. Un autre mécanisme de résistance liée à la drogue est liée à la présence sur BMECs des transporteurs à efflux (protéines P-glycoprotéine et de résistance multidrogue), qui coopèrent pour réduire la pénétration du médicament dans le système nerveux central et faciliter leur extrusion du cerveau 2.

Dans la dernière décennie, Un grand nombre d'approches nanotechnologiques ont été développés pour relever le défi clinique et biologique de fournir des médicaments à travers le 3-6 BBB. Dans ce contexte, nanosphères ferritine (FNN) représentent une solution totalement innovante et prometteuse. FNN sont des sphères 12 nm de 24 ferritine auto-assemblage (Fn) des monomères qui sont disposés dans une structure sphérique creuse de diamètre intérieur 8 nm. les sous-unités de ferritine peuvent être démontées à pH acide et réassemblés de façon à mémoire de forme en amenant le pH à la neutralité, ce qui permet diverses molécules organiques à encapsuler. Par conséquent, FNN représente un modèle intéressant pour le développement de l' administration de médicaments multifonctionnels systèmes 7,8. En outre, FNN peut interagir avec BMECs grâce à la reconnaissance spécifique du récepteur de la transferrine (TfR) 1, qui est exprimé sur la membrane luminale de ces cellules 9.

Jusqu'à présent, différents modèles in vitro du BBB ont été développés en order pour élucider trans-BBB perméabilité à divers médicaments, toxicité vers le BBB, ou l'interaction des molécules avec des transporteurs d'efflux. En effet, ces modèles sont considérés comme valides des approches in vitro pour un dépistage rapide de molécules actives avant de procéder à des études in vivo. Ces modèles sont constitués d'une seule couche endothéliale de BMECs ou BMECs et astrocytes co-culture (plus rarement péricytes), obtenu à partir d' animaux (rat, souris, porcs et bovins) ou des lignées cellulaires humaines 10,11,12. La résistance électrique transendothéliale (TEER) et la perméabilité apparente (P app) des traceurs avec un poids moléculaire défini représentent deux paramètres critiques qui sont utilisés pour déterminer la qualité du modèle in vitro. Ici , nous décrivons l'emploi d'un modèle BBB in vitro, sur la base d' une co-culture de rat BMECs (RBMECs) et le rat astrocytes corticales (OIEC) pour étudier la pénétration trans-BBB de nanocages ferritine encapsuler isothi fluorescéineocyanate (FITC).

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Protocole

1. Mise en place du modèle BBB

Remarque: Pour établir le modèle BBB, nous vous suggérons d'utiliser RBMECs primaires disponibles dans le commerce et RCAs. Toutes les étapes doivent être effectuées avec des réactifs et consommables stériles, manipulés dans une hotte à flux laminaire.

  1. Culture de cellules
    1. Manteau des flacons de culture cellulaire avec poly-L-lysine 100 pg / ml (1 h à température ambiante) ou fibronectine 50 pg / ml (1 heure à 37 ° C) afin de promouvoir l'attachement des RCAs ou RBMECs, respectivement. Ensuite, décongeler 1 x 10 6 et 5 x CR 10 5 RBMECs dans des cellules endothéliales supplémenté avec 5% de sérum de fœtus bovin, le supplément de croissance cellulaire endothélial à 1% et 1% de pénicilline / streptomycine (SecM). RCAs de semences dans un flacon T175 dans 20 ml SECM et RBMECs dans un flacon T75 dans 10 ml SECM.
      Note: La décongélation et passages d'ensemencement de RCAs et RBMECs doivent être ajustés, en termes de densité et de temps dans la culture cellulaire, en fonction du nombre de conditions expérimentales à tester avec le modèle du Bureau. En débutment avec une fiole de 1 x 10 6 et CR 1 flacon de 5 x 10 5 RBMECs, il est possible d'obtenir jusqu'à 20 plaquettes BBB roulement.
    2. Maintenir les cellules à 37 ° C et 5% de CO2 dans une atmosphère humidifiée pendant environ 6 jours, jusqu'à environ 80% de confluence pour RCAs et plus de 90% de confluence pour RBMECs. Détacher les cellules en utilisant une solution de trypsine-EDTA (trypsine 1: 250) pendant 5 min (1 ml de trypsine pour les flacons T75 et de 2 ml pour les flacons T175). Arrêtez l'activité de la trypsine avec SECM (2: 1), les suspensions cellulaires de centrifugation à 750 g pendant 5 min et remettre les pastilles dans 60 ml SECM.
    3. Divisez les RBMECs dans 3 flacons T175 et la culture en SECM pendant encore 3 jours avant le semis sur inserts. Compter le nombre total de la vie RCAs, en observant une suspension cellulaire diluée 1: 1 avec le bleu trypan sous un microscope optique dans une chambre Burker.
  2. Cellule Semis sur Inserts
    1. Traiter un côté du polyéthylène téréphtalate (PET) membrane de transpa 6 multi-puitsinserts ent de poly-L-lysine 100 pg / ml et de l'autre côté de fibronectine à 50 ug / ml, pour permettre la fixation de RCAs et BMECs. Manipuler les inserts avec des pinces afin d'éviter tout contact avec la membrane PET.
      1. Placez les inserts dans une plaque à 6 puits et ajouter la solution de fibronectine (minimum 500 pi) dans la chambre supérieure. Après 1 heure d'incubation à 37 ° C, retirer la solution de fibronectine, prendre les inserts au large de la plaque multi-puits et mettez - les à l' envers sur le fond d'un 150 cm plat 2 Petri, qui est utilisé ici comme un support stérile pour la déjà revêtu des inserts.
      2. Ajouter doucement 800 ul de poly-L-lysine sur la face inférieure de l'insert (comme représenté sur la figure 1A, dénommé CR ensemencement), et maintenir la solution sur les inserts pendant 1 heure à température ambiante.
      3. Aspirer la solution et laisser les inserts sécher à température ambiante pendant 15-30 min. Les inserts sont maintenant prêts pour l'ensemencement des cellules, mais ils peuvent également être stockés dans la plaque multi-puits pour plusieursjours à 4 ° C, avant de procéder à la construction BBB.
        Note: Rappelez-vous de garder au moins 3 inserts enrobés exempts de cellules, pour être utilisés comme témoins pour valider BBB établissement par FD40 mesures de flux.
    2. RCAs graines (35 000 / cm 2) sur le côté inférieur des plaquettes de poly-L-lysine, en déposant 800 pl de suspension cellulaire sur la plaquette à l' envers (figure 1A). Laisser la suspension RCA sur les inserts pendant 4 heures à la température ambiante, afin de permettre la fixation efficace des cellules à la membrane.
    3. Aspirer la solution résiduelle, on place les inserts dans les puits contenant 2 ml de SecM et de maintenir la plaque multi-puits à 37 ° C et 5% de CO2 dans une atmosphère humidifiée, en changeant la SecM tous les 2 jours.
    4. Après 3 jours, lorsque les RCAs ont revêtu la face inférieure de l'insert, RBMECs de semences sur la face supérieure de l'insert, suivant ces étapes:
      1. Détachez RBMECs de flacons T175 et compter leles cellules vivantes totales, tel que rapporté dans les étapes 1.1.2 et 1.1.3.
      2. RBMECs de graines (60,000 / cm 2) sur la surface supérieure de l'insert dans SECM (1000 pi) (figure 1B), laissant 3 inserts avec seulement les astrocytes, à utiliser comme TEER fond. Placer la plaque multi-puits dans des conditions de culture standard. Maintenir le système à la culture pendant au moins 3 jours, en changeant la SecM dans la chambre intérieure inférieure et tous les 2 jours.

2. BBB Validation

  1. TEER mesure
    1. Sur le 3 ème jour de co-culture, vérifiez la TEER en insérant les inserts BBB portant dans une chambre appropriée (qui a une casquette et où à la fois la chambre et le bouchon contiennent une paire de tension de détection et électrodes de courant), rempli de 4 ml de SECM. Se connecter à un épithéliale volts de tissu / ohmmètre.
    2. Ensemble avec les mesures de TEER des cellules BBB-systèmes, enregistrer les valeurs TEER des 3 inserts portant les RCAs eà sera soustrait des valeurs obtenues avec le BBBs. Multipliez les valeurs TEER résultant par la surface de l'insert (4,2 cm 2) afin d'exprimer les résultats sous forme de Ω x cm 2.
    3. De la 3 ème jour de co-culture, mesurer la TEER chaque jour. Remarque: Après une première période où le TEER augmente, les valeurs enregistrées devraient rester stables pendant au moins deux jours consécutifs (généralement entre le 5 e et le 7 e jour de co-culture). À ce stade, le BBB est prêt pour la deuxième étape de validation (section 2.2) et / ou pour les expériences trans-BBB.
      Remarque: La procédure décrite dans la section 2.1 peut être effectuée sur les mêmes BBB-systèmes dédiés aux expériences de perméabilité suivantes (section 3). Faire fonctionner dans des conditions stériles.
  2. Trans-BBB Flux de FITC-dextran 40 (FD40)
    1. Mesurer le flux FD40 de la partie supérieure à la chambre inférieure des modèles BBB par rapport à celle sur 3 inserts vides(Voir la note de la section 1.2.1) selon les étapes suivantes:
      1. Ajouter 1 mg / ml FD40 (dilué dans SECM) dans le compartiment supérieur du BBBs, et après 1, 2 et 3 h retirer 200 pi SECM de la chambre inférieure et de mesurer l'intensité de fluorescence par spectrofluorimètre (λ ex 488 nm, λ em 515 nm, fente 5).
      2. Obtenir les valeurs de SECM fond fluorescenceby mesurant 500 pi de milieu vierge en utilisant les mêmes paramètres analytiques. Soustraire la SECM fluorescence de fond de toutes les valeurs de fluorescence FD40.
      3. Déterminer la quantité de FD40 pénétrée par comparaison des valeurs de fluorescence observée avec une courbe d'étalonnage réalisée avec des concentrations connues (p. 0,312, 0,625, 1,25, 2,5 pg / ml) du traceur fluorescent dissous dans 500 ul de SecM.
      4. Calculer le coefficient de perméabilité apparente (P APP) à partir des valeurs moyennes de flux selon l' équation :
        P app = J / AC
        Où J est le flux de la molécule (mole / s), A est la surface de perméation (cm 2) et C est la concentration de la molécule dans le compartiment supérieur (mole / cm 3).
        Note: Trois ou plus BBB-systèmes qui ont atteint des valeurs TEER appropriées, doivent être exclusivement consacrés à cette procédure de validation, et ne doivent pas être utilisés pour les expériences de perméabilité suivantes (section 3). Stérilité est pas obligatoire.

3. Trans-BBB perméation de FITC-chargé ferritines (FNN)

Remarque: Une variante recombinante de ferritine humaine (Fn), produite dans Escherichia coli et assemblé en nanocages (FNN) pour l'encapsulation de différentes molécules fluorescentes, est disponible à partir du NanoBioLab du Prof. Prosperi (Université de Milan-Bicocca, Italie). FNN sont chargés avec FITC, selon un protocole décrit précédemment 13 et les concentrations des deux Fn et les molécules chargées sont exactement détermined.

  1. Trans-BBB Flux de FITC et FITC-FNN
    1. Mesurer le flux FITC FNN de la partie supérieure à la chambre inférieure de modèles BBB validés (habituellement au 5 ème - 7 ème jour de co-culture), par rapport à celle du colorant libre après 7 et 24 heures d'incubation, selon les étapes suivantes:
      1. Ajouter FITC-FNN (50 pg / ml FNN, 1,1 uM FITC) ou un montant égal à la libre FITC dans la chambre supérieure d'au moins 6 systèmes BBB pour chaque formulation, afin de retirer 2 ml de solution SECM de la chambre basse du au moins 3 inserts après 7 h, et de la chambre basse du 3 autres inserts après 24 h.
      2. Mesurer l'intensité de la fluorescence de 500 ul des échantillons prélevés par spectrofluorimètre (λ ex 488 nm, λ em 515 nm, fente 5).
      3. Obtenir la fluorescence de fond SECM en mesurant 500 pi de milieu en utilisant les mêmes paramètres analytiques. Soustraire la fluorescence de fond SECMde toutes les valeurs de fluorescence FITC ou FITC FNN.
      4. Déterminer la concentration de FITC infiltrée ou FITC FNN en comparant les valeurs de fluorescence obtenues avec deux courbes d'étalonnage différentes produites avec des concentrations connues (p. 6,87, 13,75, 27,5, 55 nm) du colorant libre ou nanoformulated dissous dans 500 SecM ul.
  2. FITC-FNN Localisation dans RBMECs
    1. Retirer SECM de la chambre supérieure des systèmes BBB, se laver les inserts avec PBS et fixer les RBMECs sur au moins deux inserts pour chaque groupe expérimental en ajoutant 500 ul paraformaldéhyde (4% dans un tampon phosphate salin-PBS) dans le compartiment supérieur pour 10 min à température ambiante.
    2. Laver les inserts trois fois avec du PBS pour éliminer le paraformaldehyde résiduel.
      Remarque: A partir de ce point, la stérilité est pas nécessaire.
    3. Coupez des morceaux appropriés de la membrane PET, et procéder à la immunodecoration des cellules selon les étapes suivantes:
      1. PermeabiRBMECs liser avec 0,1% de Triton X-100 dans du PBS pendant 10 minutes. Effectuer une étape de blocage pendant 1 heure à température ambiante avec une solution contenant 2% d'albumine de sérum bovin (BSA), le sérum de chèvre à 2% dans du PBS. Incuber les échantillons avec un anticorps anti-facteur Von Willebrand (VWF), à une dilution 1:20, pendant 2 heures à la température ambiante.
      2. Après trois lavages avec du PBS, exposer les cellules pendant 2 heures à température ambiante à une BSA 2%, une solution de sérum de chèvre à 2% contenant un anticorps secondaire approprié à une dilution 1: 300 dans le but de mettre en évidence l'anticorps anti-REO, et DAPI à 1: 1500 dilution pour la détection des noyaux.
    4. Monter les pièces d'insertion sur des lames de microscope en utilisant une solution de antifade de montage (une goutte par fragment d'insert), puis fermez l'échantillon avec une lamelle. Analyser par microscopie confocale en utilisant une lentille à immersion d'huile à un grossissement de 40X, 1,5 zoom et 1,024 x 1,024 pixels de résolution.

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Résultats

Au cours de la mise en place du modèle de BBB, l'attachement et la croissance cellulaire sur les inserts peuvent être surveillés à l'aide d'un microscope optique grâce à la nature transparente de la membrane en PET. RCAs, ensemencées à une densité de 35.000 cellules / cm2, fixer efficacement à la face inférieure de l'insert après 4 heures d'incubation à la température ambiante (figure 2A) et se développer pour couvrir la surface de la membr...

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Discussion

La méthode in vitro décrite ici représente une approche validée utile d'étudier la livraison trans-BBB de molécules fluorescentes sur nanoformulation avec des nanoparticules. Ici, nous utilisons FNN, ce qui représente un bon candidat pour étudier la translocation de molécules de fret à travers la BHE. FNN est considéré comme le nanovecteur d'or trans-BBB fourniture de médicaments / agents puisqu'il est spécifiquement reconnu par le récepteur TfR1, qui est exprimé sur la membrane luminale des BMECs e...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

Remerciements

Les auteurs remercient Assessorato alla Sanità, Regione Lombardia et l’hôpital Sacco (projet NanoMeDia) pour le financement de la recherche.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Cellules endothéliales microvasculaires du cerveau du rat  ;InnoprotP10308isolé à partir de tissu cérébral de rat Sprague Dawley, cryoconservé au premier passage et délivré
astrocytes corticaux congelés  ;InnoprotP10202isolé à partir de tissu cérébral de rat de 2 jours, cryoconservé au premier passage et livré congelé.
Kit de milieu de cellules endothélialesInnoprotP60104ECM (500 ml) et sérum de bovin fœtal (25 ml), supplément de croissance des cellules endothéliales (5 ml) et pénicilline/streptomycine (5 ml). Chaud en 37 ° ; C bain-marie avant utilisation et protéger de la lumière
Trypsine-EDTA sans Rouge de PhénolEuroCloneECM0920DChaud en 37 ° ; C bain-marie avant utilisation
Fluorescéine isothiocyanate-dextran 40 000SigmaFD40Sprotègent de la lumière
paraformaldéhyde  ;Sigma158127diluition dans la cagoule chimique
Tampon phosphate salin de Dulbecco sans Ca et MgEuroCloneECB4004L
Triton  ; X-100SigmaT8787
albumine sérique bovineSigmaA7906
sérum de chèvre  ;EuroCloneECS0200D
souris monoclonale anti-facteur de von WillebrandDakoM0616
Anticorps conjugué à AlexaFluor 546 contre les IgG de sourisThermoFischer ScientificA-11003protègent de
la lumière DAPI (4' ,6-diamidino-2-phénylindole)  ;ThermoFischer ScientificD1306protéger de la lumière
ProLong Gold Antifade MountantThermoFischer ScientificP36934
Poly-L-lysine HydrobromideSigmaP1274la même solution peut être utilisée plusieurs fois
fibronectine à partir de plasma bovinSigmaF1141la même solution peut être utilisée plusieurs fois Inserts
en polyéthylène téréphtalate (PET) FalconF3090Membranes transparentes en polyéthylène téréphtalate (PET) ; surface : 4,2 cm2 ; taille des pores 0,4 & micro ; m/surface
T75 Primo TC flaconEuroCloneET7076
T175 Primo TC flaconEuroCloneET7181
EVOM2 Tissu épithélial Volt/Ohmmètre  ;   ;   ;World Precision Instruments AllemagneEVOM2
Endohm- 24SNAP cupWorld Precision Instruments AllemagneENDOHM-24SNAP
Microscope à lumière/fluorescence avec caméraLeica MicrosystemsDM IL LED Fluo/ ICC50 W Module de caméra  ; Microscope inversé pour cellules vivantes avec caméra  ;
Microscope confocalLeica MicrosystemsTCS SPE
SpectrofluorimètreJascoFP-8000
des .

Références

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Réimpressions et autorisations

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