Modelleri ve Hücresel Engeller Arasında İlaç Taşıyıcı Sistemlerin Transport Değerlendirmesinde Yöntemleri
Summary
Birçok terapötik uygulama vücutta hücresel engelleri arasında ilaç taşıyıcıları ve yük güvenli ve etkin taşıma gerektirir. Bu makalede, gastrointestinal (GI) epitel olarak hücresel engelleri genelinde uyuşturucu nanocarriers (NCS), taşıma hızını ve mekanizmasını değerlendirmek amacıyla kurulmuş yöntemlerden bir adaptasyon açıklar.
Abstract
Alt-mikrometre taşıyıcılar (nanocarriers; NC'ler) çözünürlük, istikrar, dolaşım süresi, hedefleme ve salınımını artırarak ilaçların etkinliğini arttırmak. Buna ek olarak, vücuttaki hücre engelleri geçme müdahale gereklidir dokular içine kan dolaşımı ve taşıma içine terapötik NC'ler hem ağız yoluyla verilmesi için çok önemlidir. Komşu hücreler ya da (ii) hücre üzerinden hücre gövdesi üzerinde taşınan malzeme endositoz tarafından içselleştirilir yol, ve salgılanan içiçe birleşme geçici bozulma ile, (i) paraselüler rotası: hücresel engelleri arasında NC taşıma ile elde edilmektedir ters hücre yüzeyinde (transyctosis) at. Hücresel engelleri arasında Gönderme taşıma katılan hücre yüzeyi işaretleri için spesifik olarak bağlanan hedefleyen maddeler ile terapötik ya da taşıyıcıların birleştirilmesi suretiyle kolaylaştırılabilir. Burada, WHI bir model hücre bariyerinden ölçüde ve NC taşıma mekanizması, ölçmek için bir yöntem sağlarch bir Transwell uç bulunan bir gözenekli zar üzerinde yetiştirilen gastrointestinal bir tek tabaka (GI) epitel hücreleri oluşur. Bir geçirgenlik bariyeri oluşumu transepitelyal elektriksel direnci (TEER), bir kontrol maddenin transepitelyal taşıma ve sıkı birleşme bölgesinin immün ölçümü ile teyit edilir. Bir örnek olarak, ~ 200 nm polimer NC'ler terapötik bir yük taşıyan ve bir hücre yüzeyi hedef belirleyici bir antikor ile kaplanmış olan, kullanılmıştır. Antikor ya da terapötik yük radyoizotop izleme için 125 I ile etiketlenir ve etiketlenmiş NC'ler değişen zaman dönemleri için hücre tek tabaka üzerinde, üst bölmeye eklenir. Temel bölmeye taşınan hücreler ve / veya ilişkili NC'ler tespit edilebilir. Ücretsiz 125 I ölçümü bozulmuş fraksiyonu çıkarma sağlar. Paraselüler yol, yukarıda tarif edilen bariyer parametrelere NC taşıma ile neden olduğu potansiyel değişiklikleri saptanmasıyla değerlendirilir. Transsellüler taşıma iendositoz ve yolunu modüle transsitoz etkisini ele belirlenir s.
Introduction
Dış çevre ve iç bölmeleri arasında bir ağ geçidi olarak vücut eyleminde hücresel engelleri. Bu durum, gastrointestinal (GI) sistemi ve kan 1-3 maruz kalan harici bir yüzey ayırma epitel astar için de geçerlidir. Hücresel bariyerleri de kan ve parankimi ve doku ve organların hücresel bileşenleri arasındaki arayüz temsil eder. Vücutta bu hücresel engelleri hareket yeteneği terapötik ve teşhis maddeleri etkili biçimde aktarılması için çok önemlidir 1 Bu, vb kan-akciğer engeli, kan-beyin engeli, kan damarları, endotel iç astar için geçerlidir müdahale gerekli dolaşımı ve dokuların / organların içine.
Tedavi edici veya teşhis edici maddelerin geliştirilmesi için, bu bileşikler, alt mikrometre nanocarriers (NCS) yüklenebilir. Bu ilaç dağıtım araçları, çeşitli ile formüle edilebilirkimyaları ve ilacın çözünürlüğünü koruma, farmakokinetik, serbest ve metabolizma 4,5 optimize yapıları. NC'ler, terapötik etki için gerekli olan, 2,6 vücut bölgelerine yapışmasını kolaylaştırmak için afinite ya da (örn. antikorlar, peptidler, şekerler, aptamerler) hedefleme parçaları ile fonksiyonalize edilebilir. Hücresel engellerin yüzeyinde ifade belirleyicilere NC'ler hedeflenmesi daha fazla 2,6 içine ve / veya bu astarları arasında taşınmasını kolaylaştırır.
Seçici iki ortam arasında madde taşınması rolü hücre katmanları arasında bazı benzersiz özellikleri gerektirir. Boşlukların lümeni bakan apikal zar zar morfoloji ve lipid, taşıyıcılar ve reseptörler 2 bileşimi ile ilgili olarak, doku interstisyumunda yönelik bazolateral zardan değişir ve böylece Böyle bir özellik, hücre kutupludur. Diğer bir özelliği içerir arası junctiokomşu hücreyi birleştiren ns. Sıkı birleşim, özellikle kavşak yapışma molekülleri (Sıkışması), occludins ve klaudin oluşturan proteinlerin düzenlenmesi konusunda bu lumeninden maddelerin geçişine izin veren, seçici paraselüler taşıma olarak bilinen hücrelerin arasında maddelerin taşınmasına olanak veya olmasın bariyer fonksiyonunu modüle basolateral alan 3. Vücutta hücresel bariyerleri için birçok doğal ve sentetik elemanları (lökositler, moleküller, parçacıklar ve ilaç verme sistemleri gibi) bağlanma, bu nedenle, bir erişim güvenli olmayan geçici ve nispeten zararsız ya da daha uzun olabilir ve bu, hücre-bağlantı açıklığı uyarabilir 2,5,7-9 bariyer üzerinde arzu edilmeyen maddeler. Sonuç olarak, bu geçiş yolu, transepitelyal elektrik direnci (TEER) ve moleküllerin pasif difüzyon paraselüler (burada adı paraselüler kaçak) ölçülmesiyle değerlendirilebilir, bu sayede, bir elektrik akımı ya da bir ine artan paraselüler sızıntıya direnci azalmışbazolateral boşluğa rt bileşiği, hücre birleşme açılmasını gösterir sırasıyla 5,10,11. Boyama tüm hücre kenarına 5,10,12 çevresinde hücre-hücre sınırlarının altında konsantre gözükmelidir.Onu burada bu yöntemler tamamlamak üzere, yukarıda listelenen sıkı birleşme proteinlerinin herhangi bütünlüklerini değerlendirmek için boyanmış olabilir.
Alternatif olarak, klatrin kaplı çekirdeklerin veya caveolae olarak adlandırılan bir şişe-şekilli zar invajinasyonları, ilişkili olanlar gibi, spesifik hücre yüzeyi belirleyici, hedef ilaç dağıtım sistemleri, hücre içi bölmelerin 5'e ilaç verilmesi için bir yol sağlayarak, endositoz ile hücre içine alınmasını veziküler tetikleyebilir 13. Buna ek olarak, endositoz bazolateral tarafında serbest, transyctosis olarak bilinen bir olgu ya da hücre üzerinden taşıma için 14 hücre gövdesi boyunca veziküllerin ticareti yol açabilir. Bu nedenle, endositoz kinetiği ve mekanizmasının bilgisi hücre içi a yararlanmak için kullanılabilmektedirnd paraselüler rotaya göre teslimat nispeten güvenli ve kontrollü bir mod sunuyor transsellüler ilaç dağıtım,. Endositoz mekanizması, klasik yolları (klatrin ve caveolin aracılı endositoz ve makropinositoz) ya da klasik olmayan yollarının modülatörleri ile değerlendirilebilmektedir (örneğin, hücre yapışma molekülü durumunda olduğu gibi (CAM) aracılı endositoz) 5,13,15 .
Hücre içi ticaretinin genellikle standart kuyulara veya lamelleri okudu Oysa, bir Bazolateral bölmesinin olmaması hücre kutuplaşmayı ve hücre katmanları arasında ulaşım çalışma yeteneğini engellemektedir. Bu engeli aşmak için, hücre tekli katmanları üzerinde taşıma uzun transwell bir üst (apikal) odası, hücreler takmak ve sıkı bir tek tabaka oluşturan bir gözenekli geçirgen zar oluşur ki, 10,11,16,17 ekler, ve bir alt kullanılarak incelenmiştir (Bazolateral) odası (Şekil 1). Bu yapılandırmada, taşıma ölçülebilirapikal-to-bazolateral, üst bölmesine bir tedavi uygulanmasını hücre mono tabakasında ve altta yatan gözenekli zar içinden taşınmasını takiben, ve son olarak taşınan malzeme miktarının belirlenmesi için, alt bölmede ise orta toplayarak yönü. Bazolateral-apikal yönünde Transport aynı zamanda, üst bölme 5,10,12,16 ikinci alt bölme ve daha sonra toplama ilk uygulanması ile ölçülebilir. Çeşitli teknikler yukarıda tarif edildiği gibi, TEER ve paraselüler taşıma deneyleri de dahil olmak üzere transwells ilgili geçirgenlik bariyeri oluşumunu doğrulamak için vardır. Buna ek olarak, hücreler kültürlenir üzerinde geçirgen filtre (floresan konfokal, elektron mikroskopi ile) görüntüleme analizi için kaldırılabilir ayrıca, hücre tek tabaka modeli doğrulama hem de taşıma mekanizması olarak. Farklı gözenek boyut, malzeme ve yüzey alanları mevcuttur membran türü, seçimi, çeşitli fiili bağlıdırBu tür maddelerin bir boyut veya taşınan nesneler, hücre tipi ve görüntüleme yöntemi 16,18-20 olarak rs. Transwell uçlar da bölmeler ve hücre yüzey alanı hacim sabitleri bilinmektedir kompleks bir memeli sistemleri ile karşılaştırıldığında taşıma kontrollü ve hassas ölçümü kolaylaştırır. In vivo verilmesi dahil birçok faktör gibi bağırsak mukus varlığı, kesme stresi, sindirim enzimleri, bağışıklık hücreleri, aşağıdakileri içeren, elimine edilir olsa da, in vitro modelinde bu küçük çaplı taşıma ilgili yararlı ön bilgiler sağlar.
Hücresel engelleri 10,11,16,17 genelinde NC taşıma çalışma bu yöntemlerin adaptasyonunu göstermek için bir örnek olarak, biz burada GI epitel üzerinden NC taşınması için potansiyel bir model ilaç dağıtım geçişini değerlendirerek modellenmiş bir olgu sunulmuştur insan epitel kolorektal adenokarsinom (Caco-2) hücreleri, bir tek tabaka ile sistemi. Bu amaçla, carşın saydamdır ve mikroskopi görüntüleme için kullanılabilecek bir 0.8 um gözenek polietilen tereftalat (PET) filtre (6.4 mm çap) üzerinde, transwell uçlar kültürlenmiştir. Geçirgenlik bariyeri durumu Teer, bir kontrol madde, albumin ve sıkı birleşme, occludin proteinin bir elemanın floresan mikroskobu görselleştirme apikal-to-bazolateral taşıma ölçülmesiyle doğrulanır. Polimer hedef NC bir model 100 nm, doğada çözülmeyen polistiren nano partiküller oluşan kullanılır. NC'ler yüzey tek bir hedef antikor ile adsorpsiyon ya da bir hedef antikorun bir kombinasyonu ve bileşen ya da radyoizotop izleme boyunca 125 I ile etiketlenebilir terapötik bir kargo ile kaplanmıştır. Seçilen örnek, antikor, hücreler arası yapışma molekülü-1 (ICAM-1) gösterilmiştir, bir protein GI epitel yüzeyinde eksprese (ve diğer) hücre içi ve hücre üzerinden taşıma o kolaylaştırmak gösterilmiştir hücreleri, f ilaç taşıyıcıları ve bunların kargolar 21. Yük alfa-galaktosidaz (α-Gal), Fabry hastalığı, genetik bir lizozomal depo 22 bozukluk tedavisi için kullanılan tedavi edici bir enzimdir.
Boyutu yaklaşık 200 nm kaplanmış NC'ler, değişen zaman dönemleri için hücre mono tabakasında üzerinde apikal bölmeye ilave edilmiş ve 37 ° C'de inkübe edilir ve bundan sonra 125 NCS I hücre mono tabakasında ve / veya ilişkili tespit edilebilir Hücrelerin aşağıdaki bazolateral bölmeye taşınır. Ücretsiz 125 I Ek belirlenmesi kaplanmış NC ulaşım bozulmuş fraksiyonu ve tahmini çıkarma sağlar. Taşıma mekanizması ayrıca hücre üzerinden taşıma endositoz ve transsitoz arasında yolunu modüle zaman taşıma değişiklikler incelenerek belirlenir ise, yukarıda tarif edilen parametreler aracılığıyla, paraselüler yönlendirmek için ilişkin geçirgenlik bariyeri değişiklikler incelenerek değerlendirilir.
"ontent> Bu yöntemler, tamamen hücresel engelleri arasında ilaç verilmesi için potansiyel olarak değerlendirilmesine imkan veren, değerli hücre bariyer modelleri ile ilgili bilgiler, bir ilaç verme sisteminin taşıma oranı ve derecesini, ve bu taşıma mekanizmasını sağlar.Protocol
Representative Results
Discussion
Yukarıda tartışılan yöntemler kullanılarak, hücresel engelleri arasında hedef NCS taşıma çalışmak için bir hücre modeli bu durumda kana GI lümeninden taşıma değerlendirilmesi için uygun olan Caco-2 epitel hücreleri için, verilen örnekte olduğu gibi, kurulabilir ağızdan ilaç verme sistemleri. Transwell ekler GI epitel hücre mono tabakaları kültürleme bir hücre geçirgenliği bariyer oluşumu teyit TEER ölçümü ve sıkı kavşaklar floresan bağışıklık boyamasım sağladı. Daha sonr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Howard Hughes Tıp Enstitüsü ve Ulusal Bilim Vakfı RG ve Sağlık (Hibe R01-HL98416) Ulusal Enstitüleri ve Amerikan Kalp Derneği (Grant 09BGIA2450014) ile SM verilen fonların bir burs ile desteklenmiştir.
Materials
| Transwell inserts | BD Falcon | 353095 | |
| Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM), 1x | Cellgro | 10-013-CM | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Cellgro | 35-015-CV | |
| Pen Strep | Gibco | 15140 | |
| Human epithelial colorectal adenocarcinoma (Caco-2) cells | ATCC | HTB-37TM | |
| 125Iodine | Perkin Elmer | NEZ033H002MC | Radioactive hazard |
| Phosphate Buffer Saline (PBS) | Gibco | 14190-235 | |
| Bovine Serum Albumin (BSA) | Equitech Bio | BAH-66 | |
| Paraformaldehyde (16%) | Fisher Scientific | 15710 | |
| Mouse Immunoglobulin G (IgG) | Jackson ImmunoResearch | 015-000-003 | |
| Mouse monoclonal antibodies to human ICAM-1 (anti-ICAM) | Marlin 1987 | ||
| α-Galactosidase, from green coffee beans | Sigma | G8507-25UN | |
| FITC latex beads, 100 nm | Polysciences, Inc. | 17150 | |
| Triton X-100 | Sigma | 234729-500ML | |
| Trichloroacetic acid (TCA) | Fisher Scientific | SA433-500 | |
| Occludin antibody (Y-12), goat polyclonal anti-human | Santa Cruz Biotechnology | Sc-27151 | |
| Monodansylcadaverine (MDC) | Sigma | D4008 | |
| Filipin | Sigma | F9765 | |
| 5-(N-ethyl-N-isopropyl) amiloride (EIPA) | Sigma | A3085 | |
| Wortmannin | Sigma | W1628 | |
| Gamma counter | Perkin Elmer | Wizard2 | |
| Volt-ohm meter | World Precision Instruments | EVOM2 | |
| TEER electrodes | World Precision Instruments | STX100 | Electrodes available for different well-plates |
| Dynamic Light Scattering (DLS) | Malvern | Nano-ZS90 |
References
- Deli, M. A. Potential use of tight junction modulators to reversibly open membranous barriers and improve drug delivery. Biochim. Biophys. Acta. 1788, 892-910 (2009).
- Mrsny, R. J. Lessons from nature: “Pathogen-Mimetic” systems for mucosal nano-medicines. Adv. Drug Deliv. Rev. 61, 172-192 (2009).
- Turner, J. R. Intestinal mucosal barrier function in health and disease. Nat. Rev. Immunol. 9, 799-809 (2009).
- Torchilin, V. Multifunctional and stimuli-sensitive pharmaceutical nanocarriers. Eur. J. Pharm. Biopharm. 71, 431-444 (2009).
- Sadekar, S., Ghandehari, H. Transepithelial transport and toxicity of PAMAM dendrimers: implications for oral drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 64, 571-588 (2012).
- Muro, S. Challenges in design and characterization of ligand-targeted drug delivery systems. J. Control. Release. , 0168-3659 (2012).
- Volkheimer, G. Persorption of particles: physiology and pharmacology. Adv. Pharmacol. Chemother. 14, 163-187 (1977).
- Dejana, E. Endothelial cell-cell junctions: happy together. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 5, 261-270 (2004).
- Jung, T., et al. Biodegradable nanoparticles for oral delivery of peptides: is there a role for polymers to affect mucosal uptake. Eur. J. Pharm. Biopharm. 50, 147-160 (2000).
- Hubatsch, I., Ragnarsson, E. G., Artursson, P. Determination of drug permeability and prediction of drug absorption in Caco-2 monolayers. Nat. Protoc. 2, 2111-2119 (2007).
- Hidalgo, I. J., Raub, T. J., Borchardt, R. T. Characterization of the human colon carcinoma cell line (Caco-2) as a model system for intestinal epithelial permeability. Gastroenterology. 96, 736-749 (1989).
- Tavelin, S., Grasjo, J., Taipalensuu, J., Ocklind, G., Artursson, P. Applications of epithelial cell culture in studies of drug transport. Methods Mol. Biol. 188, 233-272 (2002).
- Bareford, L. M., Swaan, P. W. Endocytic mechanisms for targeted drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 59, 748-758 (2007).
- Tuma, P. L., Hubbard, A. L. Transcytosis: crossing cellular barriers. Physiol. Rev. 83, 871-932 (2003).
- Muro, S., et al. A novel endocytic pathway induced by clustering endothelial ICAM-1 or PECAM-1. J. Cell Sci. 116, 1599-1609 (2003).
- Shah, P., Jogani, V., Bagchi, T., Misra, A. Role of Caco-2 cell monolayers in prediction of intestinal drug absorption. Biotechnol. Prog. 22, 186-198 (2006).
- Delie, F., Rubas, W. A human colonic cell line sharing similarities with enterocytes as a model to examine oral absorption: advantages and limitations of the Caco-2 model. Crit. Rev. Ther. Drug Carrier Syst. 14, 221-286 (1997).
- Kuhnline Sloan, C. D., et al. Analytical and biological methods for probing the blood-brain barrier. Annu. Rev. Anal. Chem. 5, 505-531 (2012).
- Hatherell, K., Couraud, P. O., Romero, I. A., Weksler, B., Pilkington, G. J. Development of a three-dimensional, all-human in vitro model of the blood-brain barrier using mono-, co-, and tri-cultivation Transwell models. J. Neurosci. Methods. 199, 223-229 (2011).
- Kasper, J., et al. Flotillin-involved uptake of silica nanoparticles and responses of an alveolar-capillary barrier in vitro. Eur. J. Pharm. Biopharm. , 0939-6411 (2012).
- Ghaffarian, R., Bhowmick, T., Muro, S. Transport of nanocarriers across gastrointestinal epithelial cells by a new transcellular route induced by targeting ICAM-1. J. Control. Release. 163, 25-33 (2012).
- Hsu, J., et al. Enhanced endothelial delivery and biochemical effects of alpha-galactosidase by ICAM-1-targeted nanocarriers for Fabry disease. J. Control. Release. 149, 323-331 (2011).
- Schmiedlin-Ren, P., et al. Mechanisms of enhanced oral availability of CYP3A4 substrates by grapefruit constituents. Decreased enterocyte CYP3A4 concentration and mechanism-based inactivation by furanocoumarins. Drug Metab. Dispos. 25, 1228-1233 (1997).
- Hughes, J., Crowe, A. Inhibition of P-glycoprotein-mediated efflux of digoxin and its metabolites by macrolide antibiotics. J. Pharmacol. Sci. 113, 315-324 (2010).
- Wielinga, P. R., de Waal, E., Westerhoff, H. V., Lankelma, J. In vitro transepithelial drug transport by on-line measurement: cellular control of paracellular and transcellular transport. J. Pharm. Sci. 88, 1340-1347 (1999).
- Morris, M. C., Deshayes, S., Heitz, F., Divita, G. Cell-penetrating peptides: from molecular mechanisms to therapeutics. Biol. Cell. 100, 201-217 (2008).
- Kapus, A., Szaszi, K. Coupling between apical and paracellular transport processes. Biochem. Cell Biol. 84, 870-880 (2006).
- Hood, E. D., et al. Antioxidant protection by PECAM-targeted delivery of a novel NADPH-oxidase inhibitor to the endothelium in vitro and in vivo. J. Control. Release. 163, 161-169 (2012).
- Simone, E., et al. Endothelial targeting of polymeric nanoparticles stably labeled with the PET imaging radioisotope iodine-124. Biomaterials. 33, 5406-5413 (2012).
- Vercauteren, D., et al. The use of inhibitors to study endocytic pathways of gene carriers: optimization and pitfalls. Mol. Ther. 18, 561-569 (2010).
