बहु के लिए एक झिल्ली डालने प्रणाली में पारगम्यता का निर्धारण करने के लिए एक विधि-अच्छी तरह से प्लेटें और सिमुलेशन का उपयोग कर प्रसार गुणांक की गणना के लिए silico पैरामीटर अनुकूलन में प्रस्तुत कर रहे हैं.
इन विट्रो में खेती की त्वचा मॉडल तेजी से दवा और कॉस्मेटिक अनुप्रयोगों के लिए प्रासंगिक हो गए हैं, और भी दवा के विकास में इस्तेमाल के रूप में के रूप में अच्छी तरह से पदार्थ का परीक्षण । इन मॉडलों ज्यादातर झिल्ली डालने प्रणालियों में खेती कर रहे हैं, विभिंन पदार्थों की ओर उनकी पारगम्यता एक आवश्यक कारक जा रहा है । आमतौर पर, इन पैरामीटर्स के निर्धारण के लिए लागू विधियों में आमतौर पर बड़े नमूना आकारों (उदा., फ्रांज प्रसार सेल) या श्रमसाध्य उपकरण (उदा., प्रतिदीप्ति रिकवरी के बाद photobleaching (frap है)) की आवश्यकता होती है । यह अध्ययन ४.२६ मिमी और १२.२ मिमी (खेती क्षेत्र) के व्यास आकार के साथ झिल्ली डालने प्रणालियों में सीधे पारगम्यता गुणांक का निर्धारण करने के लिए एक विधि प्रस्तुत करता है. विधि agarose और कोलेजन जैल के साथ ही एक कोलेजन सेल त्वचा मॉडल का प्रतिनिधित्व मॉडल के साथ मांय किया गया । विभिंन आणविक आकार और विभिंन सेल मॉडल के माध्यम से permeation के साथ पदार्थों की permeation प्रक्रियाओं (कोलेजन जेल, fibroblast, और HaCaT से मिलकर) सही बताया गया ।
इसके अलावा, ऊपर प्रयोगात्मक विधि का समर्थन करने के लिए, एक अनुकरण स्थापित किया गया था । सिमुलेशन छोटे आणविक आकार के साथ पदार्थों के लिए अच्छी तरह से प्रयोगात्मक डेटा फिट बैठता है, अप करने के लिए 14 x 10-10 एम स्टोक्स त्रिज्या (४,००० मेगावाट), और इसलिए एक आशाजनक उपकरण प्रणाली का वर्णन करने के लिए है । इसके अलावा, सिमुलेशन काफी प्रयोगात्मक प्रयासों को कम करने और काफी मजबूत करने के लिए विस्तारित या अधिक जटिल setups के लिए अनुकूलित किया जा सकता है ।
Organo-ठेठ 3 डी संस्कृतियों दवा के विकास और पदार्थ के परीक्षण के लिए शक्तिशाली उपकरण बन गए है1। इस संबंध में, मानव त्वचा मॉडल विशेष रुचि के कारण इस तरह के सौंदर्य प्रसाधन उद्योग में उन के रूप में विनियामक आवश्यकताओं, के हैं । वे बाद में कई 3d त्वचा मॉडल के विकास के लिए नेतृत्व किया है, या तो बहु में एकल अंग संस्कृतियों के रूप में अपने दम पर अच्छी तरह से प्लेटें, या बहु में अंग-चिप्स अतिरिक्त अंग मॉडल के साथ संयोजन में, जैसे, जिगर2.
एक त्वचा के बराबर की खेती के संबंध में, हवा तरल इंटरफेस (अली) उचित एपिडर्मल भेदभाव के लिए एक आवश्यक तत्व है3। कोशिका संस्कृति आवेषण एक तरल-तल पर पारगंय झिल्ली के साथ एक पोत की रचना आमतौर पर एक अली स्थापित करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं । ALIs व्यापक रूप से ऐसे EpiDerm4के रूप में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध त्वचा मॉडल में उपयोग किया जाता है, Phenion5, और Episkin6, ९६ से आकार के साथ त्वचा मॉडल की संस्कृति के लिए अच्छी तरह से (व्यास में ४.२६ मिमी) 12-अच्छी तरह से (१२.२ मिमी व्यास में) प्लेटों । यहां वर्णित विधि एक झिल्ली डालने प्रणाली में पदार्थों की permeation निर्धारित करता है ।
पारगम्यता गुणांक किसी भी संस्कृतिपूर्ण त्वचा की गुणवत्ता का मूल्यांकन करने के लिए एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है-मूल त्वचा की तुलना में मॉडल5, और कैसे जल्दी से सक्रिय पदार्थों त्वचा के माध्यम से स्थानांतरित का आकलन करने के लिए प्रयोग किया जाता है । खासकर अगर दवाओं या सौंदर्य प्रसाधन उत्पादों त्वचा के लिए लागू करने की जरूरत है, इस पैरामीटर को समझने के लिए जब ठीक सक्रिय एजेंटों के माध्यम से गुजरना आवश्यक है । एक सिमुलेशन आगे प्रणाली के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए और बाद में आवश्यक समय लेने वाली प्रयोगात्मक प्रयास को कम करने में मदद कर सकते हैं, खासकर जब पदार्थों का एक बड़ा सेट शामिल है ।
फ्रांज प्रसार सेल त्वचा और त्वचा मॉडल के साथ permeation प्रयोगों के लिए राज्य के अत्याधुनिक है5,6,7,8,9। इस उपकरण के बीच में एक निश्चित नमूना (प्रसार बाधा) के साथ दो डिब्बों के होते हैं. परीक्षण किया जा करने के लिए पदार्थ का नमूना (दाता डिब्बे) और permeating यौगिक की एकाग्रता के शीर्ष पर सीधे लागू होता है विपरीत (स्वीकारकर्ता) डिब्बे पर पता लगाया जा सकता है । स्वीकार्य पक्ष पर, लगातार तापमान और सजातीय पदार्थ एकाग्रता एक तापमान चैंबर और एक चुंबकीय सरगर्मी के माध्यम से सुनिश्चित कर रहे हैं । नमूने फ्रांज सेल के स्वीकारकर्ता पक्ष पर एक नमूना हाथ से लिया जा सकता है । 19 सेमी और १७९ सेमी के बीच एक ऊंचाई सीमा के साथ, यह प्रणाली अपेक्षाकृत बड़ी है10,11। जेल की तरह पदार्थों और ऊतकों में प्रसार गुणांक के निर्धारण के लिए एक अंय विधि frap है है । यह तकनीक जेल में ब्लीचिंग फ्लोरोसेंट लेबल वाले कणों के सिद्धांत का उपयोग करती है और फिर प्रसार गुणांक12,13,14की गणना करने के लिए ब्लीचिंग क्षेत्र की रिकवरी समय का निर्धारण करता है ।
इसके अलावा, रूपान्तर-रूपांतरण-अवरक्त (स्विचेज) स्पेक्ट्रोस्कोपी त्वचा में पदार्थों की permeation प्रक्रिया निर्धारित करने के क्रम में अवरक्त प्रकाश अवशोषक के साथ कण आंदोलन का पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है15,16। हालांकि, इन या अंय इमेजिंग तरीकों (जैसे, दो फोटॉन प्रतिदीप्ति सहसंबंध स्पेक्ट्रोस्कोपी17) लागत गहन उपकरणों की जरूरत है ।
इस अनुच्छेद में, एक विधि सीधे एक झिल्ली डालने प्रणाली है, जहां एक त्वचा मॉडल खेती किया जा सकता है के भीतर एक बाधा की पारगम्यता को मापने के लिए प्रस्तुत किया है । इस विधि छोटे नमूनों की एक बड़ी संख्या के साथ चलाने के लिए पारगम्यता प्रयोगों को सक्षम करता है (अच्छी तरह से आकार ४.२६ मिमी करने के लिए) एक कॉंपैक्ट सिस्टम में । यह फ्रांज प्रसार सेल के विपरीत है, जहां प्रत्येक जांच के लिए एक अलग डिवाइस की जरूरत होती है, जिसे डिवाइस पर माउंट किया जाना है और छोटे नमूनों (४.२६ mm का आकार) के लिए एहसास करना मुश्किल है । इसके अलावा, के बाद से विधि प्रमुख उपकरण की आवश्यकता नहीं है (जैसे, एक फोकल या multiphoton माइक्रोस्कोप), दोनों समय और लागत में कमी हासिल की है ।
सभी प्रयोगों सूक्ष्मदर्शी झिल्ली डालने प्रणालियों में एक नमूना (बैरियर) agarose जेल या एक कोलेजन कोशिका झिल्ली पर स्थापित मॉडल से मिलकर के साथ प्रदर्शन किया गया । फ्लोरोसेंट पदार्थों (अलग आणविक आकार के साथ दाता) नमूने के शीर्ष पर लागू किया गया, और रिस पदार्थ की एकाग्रता नीचे (स्वीकारकर्ता) एक प्रतिदीप्ति प्लेट रीडर का उपयोग ( चित्रा 1देखें) पर पाया गया था । आदेश में इस पद्धति को मांय करने और इस अनुकरण की सटीकता का परीक्षण करने के लिए, agarose जैल का उत्पादन किया और एक बाधा के रूप में इस्तेमाल कर रहे थे । Hydrogels आम तौर पर जैविक विज्ञान13में छिद्रित माध्यम में प्रसार और permeation प्रक्रियाओं की जांच के लिए प्रयोग किया जाता है । विधि तो एक सेल वरीयता प्राप्त प्राथमिक fibroblasts और मानव वयस्क कम कैल्शियम उच्च तापमान keratinocytes (HaCaT) कोशिकाओं (सेल मैट्रिक्स मॉडल) है, जो एक सरलीकृत त्वचा मॉडल है की एक कोलेजन मैट्रिक्स से मिलकर प्रणाली में परीक्षण किया गया था18,19 .
इसके अतिरिक्त, permeation प्रक्रिया गणना द्रव गतिशीलता के साथ प्रवाह सिमुलेशन के माध्यम से अनुकरणीय था । यह पाया गया कि, पैरामीटर अनुकूलन के माध्यम से, प्रसार गुणांक प्रयोगात्मक डेटा से गणना की जा सकती है. सामान्य रूप में, इस अनुकरण विभिन्न अनुप्रयोगों प्रदान करता है; उदाहरण के लिए, यह एक permeation लघु प्रयोगों पर आधारित प्रक्रिया की भविष्यवाणी करने के लिए संभव है और अनुकरण काफी प्रयोगों की संख्या को कम कर सकते हैं.
प्रयोगात्मक विधि और सिमुलेशन एक अंग के लिए आवेदन के लिए डिजाइन किए गए थे पर एक चिप प्रणाली1,20,21, विशेष रूप से 2 अंग-चिप (2-OC) वाणिज्यिक रूप से विकसित1,22, 23,24,25. सिद्धांत रूप में, झिल्ली डालने प्रणालियों पर आधारित किसी भी अंग मॉडल की permeation प्रक्रिया इस तरह से वर्णित किया जा सकता है ।
इस अध्ययन के एक ऊतक के माध्यम से permeation यों तो विकसित विधि दस्तावेजों-एक झिल्ली पर इंजीनियर का निर्माण । agarose जेल के माध्यम से अलग आणविक आकार के साथ पदार्थों की Permeation पहले परीक्षण और विधि और इसी अनुकरण सत्यापित करने के लिए जांच की थी । यह अच्छी तरह से जाना जाता है कि छोटे अणुओं तेजी से एक मैट्रिक्स जाल के माध्यम से रिस (जेल निस्पंदन में प्रभाव के अपवाद के साथ पारगम्यता क्रोमैटोग्राफी द्वारा). इसी तरह की टिप्पणियों श्वेतपटल26, मानव एपिडर्मल झिल्ली27, मानव त्वचा17, और चूहा त्वचा28के माध्यम से पदार्थों के आकार अपवर्जन प्रयोगों के साथ किया गया । पारगम्यता गुणांक और इसी स्टोक्स त्रिज्या (एक कठिन क्षेत्र है कि अणुओं के रूप में एक ही प्रसार दर के साथ चलता है की त्रिज्या, आमतौर पर अणु के प्रभावी त्रिज्या से छोटे) के बीच एक व्युत्क्रम सहसंबंध दिखाया गया है 26 , 28, और एक समान संबंध विभिंन आणविक आकारों के पदार्थों के साथ प्रयोगों में मनाया गया । 1/स्टोक्स त्रिज्या पर पारगम्यता गुणांक साजिशन द्वारा, छोटे आणविक आकार के साथ चार समूहों पर एक रैखिक सहसंबंध पाया गया था (R2 = ०.९३) (चित्रा 6). यह इंगित करता है कि सुझाई गई विधि के साथ नकली पारगम्यता गुणांक एक यथार्थवादी श्रेणी में हैं ।
प्रयोगों में ४६.१५% की त्रुटि फ्रांज प्रसार सेल सिस्टम10के साथ पारगम्यता प्रयोगों के लिए रिपोर्ट की तुलना में थोड़ा बड़ा है. एक संभव विवरण fluorescein-isothiocyanate-dextran, जो बाद में चर्चा की है के आकार वितरण हो सकता है ।
विधि वर्णित फ्रांज प्रसार सेल प्रणाली का उपयोग कर तरीकों के साथ तुलना में महत्वपूर्ण लाभ है । सबसे पहले, सेटअप और अधिक कॉंपैक्ट है; प्रयोगों सीधे एक झिल्ली डालने प्रणाली है, जो एक वाणिज्यिक अच्छी तरह से थाली (∼ 13 cm x ८.५ cm) के पैमाने पर है में मार डाला । यह एक साथ एक अलग फ्रांज प्रसार कक्ष प्रत्येक नमूने के लिए आवश्यक है, जबकि एक साथ चलाने के लिए एकाधिक नमूने सक्षम करता है । दूसरे, एक त्वचा मॉडल की पारगम्यता सीधे झिल्ली डालने में मापा जा सकता है, जहां खेती जगह लेता है । फ्रांज प्रसार कोशिकाओं का उपयोग करना, नमूनों को बाहर ले जाने के लिए और सिस्टम पर मुहिम शुरू की है, जो छोटे नमूनों के लिए अधिक बोझिल है और यह भी अधिक समय लेने वाली है ।
कोलेजन सेल मैट्रिक्स के साथ Permeation प्रयोगों से पता चला कि इस विधि को सफलतापूर्वक लागू किया जा सकता है सेल-वरीयता प्राप्त प्रणालियों । यहां प्रस्तुत मॉडल त्वचा मॉडल के लिए सत्यापित किया गया था; हालांकि, विधि कार्बनिक कोशिका संस्कृतियों के अंय प्रकार के लिए लागू किया जा सकता है, जैसे, गुर्दे या जिगर ।
इस अध्ययन में, एक कोलेजन सेल मॉडल का उपयोग किया गया था जिसमें HaCaT कोशिकाओं को पूरी तरह से मॉडल की सतह को कवर ( चित्रा 5देखें) । यह पारगम्यता गुणांक की कमी करने के लिए नेतृत्व, का प्रदर्शन है कि विधि काफी संवेदनशील के साथ एक कोलेजन सेल मॉडल के बीच और HaCaT की एक परत के बिना गुणांक पारगम्यता भेद है. आदर्श रूप में, एक त्वचा मॉडल ऊपर एक बाधा है, जो एक असली त्वचा29के एपिडर्मिस दृष्टिकोण का निर्माण करना चाहिए, और यह इसलिए गुणवत्ता (उदा, dermis के निर्माण, एपिडर्मिस) के वास्तविक उपयोग से पहले त्वचा मॉडल की पुष्टि करने के लिए महत्वपूर्ण है । एक त्वचा मॉडल का विकास त्वचा प्रोटीन और कोलेजन30,31,३२का पता लगाने से धुंधला तकनीक और quantified के साथ visualized किया जा सकता है । पारगम्यता गुणांक भी त्वचा मॉडल के विकास का आकलन करने के लिए एक महत्वपूर्ण कारक हो सकता है, लेकिन आगे प्रयोगों इस की पुष्टि करने के लिए आवश्यक हैं. पहले उल्लेखित के रूप में, इस विधि समानांतर में एकाधिक नमूने चल सक्षम करता है । यह भी खेती के दौरान नमूने लेने के लिए पारगम्यता को मापने के लिए संभव है, और इस तरह त्वचा मॉडल के इस पैरामीटर के विकास का पालन.
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि पारगम्यता एक जेल के माध्यम से मापा जाता है/ पाया पारगम्यता गुणांक सिस्टम-विशिष्ट है, जिससे अलग त्वचा मॉडल के परिणाम केवल तुलना किया जा सकता है जब एक ही झिल्ली डालने का उपयोग कर. इसके अलावा, त्वचा मॉडल के लिए पूरी खेती क्षेत्र को कवर करने की जरूरत है ताकि यह सुनिश्चित करें कि परीक्षण पदार्थ केवल मॉडल के माध्यम से और यह आसंन नहीं है, जो पारगम्यता मापा में त्रुटियों को प्रेरित करेगा के माध्यम से रिस जाएगा । एक और पहलू है कि भविष्य के प्रयोगों में विचार किया जाना चाहिए प्राकृतिक त्वचा के आसपास के वातावरण है । आम तौर पर, त्वचा की सतह के तापमान भीतरी क्षेत्र है, जो permeation शर्तों को प्रभावित कर सकते है की तुलना में कम है ।
आदेश में कंप्यूटर सिमुलेशन, लागू सिमुलेशन के लिए पैरामीटर अनुकूलन सक्षम बनाता है जो एक विधि के साथ प्रयोगशाला प्रयोगों को संरेखित करने के लिए प्रस्तुत किया गया था । सिमुलेशन के लिए छोटे आणविक आकारों के साथ पदार्थों के लिए प्रयोगात्मक डेटा के साथ अच्छी तरह से मेल पाया गया । हालांकि, सिमुलेशन और प्रयोगात्मक डेटा के बीच विचलन बड़े आणविक आकार के साथ पदार्थों के लिए मनाया गया । बड़े polysaccharide अणुओं घर्षण बढ़ाने के लिए और एक जेल में प्रसार प्रक्रिया को धीमा कर सकते हैं । इस आशय असामांय प्रसार है, जो प्रयोगात्मक और सिमुलेशन मूल्यों के बीच विचलन के लिए एक संभावित कारण है३३,३४का कारण बनता है । एक अंय व्याख्या fluorescein-isothiocyanate-dextran में छोटे या बड़े कणों की उपस्थिति हो सकती है । निर्माता एक दिया सीमा है, जो छोटे और बड़े कणों को उपस्थित होने की अनुमति देता है के साथ मतलब आकार के रूप में पदार्थ के आणविक वजन निर्दिष्ट करता है । यह भी स्पष्ट नहीं है कैसे फैलाया इन पदार्थों रहे हैं, के रूप में छोटे कणों तेजी से जेल और द्रव चैनल के माध्यम से रिस । यह इन प्रसार और घर्षण प्रभाव पर विचार करने के लिए अनुकरण का विस्तार करने के लिए संभव है ।
पारगम्यता प्रयोग और सिमुलेशन एक 2-ओसी में उपयोग के लिए विकसित किया गया. अनुकरण की मदद के साथ, इस प्रायोगिक विधि सीधे और अधिक परिष्कृत प्रयोगात्मक setups को हस्तांतरित किया जा सकता है । उदाहरण के लिए, झिल्ली डालने प्रणाली सिमुलेशन आसानी से एक 2-OC की ज्यामिति के लिए या समान सेट अप के साथ अंय प्रणालियों के लिए हस्तांतरित किया जा सकता है । सिमुलेशन मॉडुलन का यह विकल्प भविष्य के प्रयोगों के डिजाइन का समर्थन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । इसके अलावा, इस तरह के वाष्पीकरण के रूप में साइड इफेक्ट, असामान्य प्रसार, और झिल्ली प्रभाव अनुकरण बढ़ाने के लिए एकीकृत किया जा सकता है, जिससे सटीकता में सुधार. सिमुलेशन कार्यक्रम को बदलने या सिमुलेशन समीकरण को बढ़ाने का अवसर देता है, साथ ही साथ अंय शारीरिक मॉड्यूल को एकीकृत करने के लिए त्वचा मॉडल विकास के अंय पहलुओं की जांच करने के लिए । एक उदाहरण के एक कोलेजन सेल मॉडल में ग्लूकोज की खपत और स्तनपान उत्पादन का अनुकरण है ।
चिकित्सा पदार्थों के परीक्षण में एक विशेष रूप से दिलचस्प पहलू यह है कि कैसे पदार्थ एक अंग पर एक चिप प्रणाली में वितरित कर रहे हैं । सिमुलेशन और पारगम्यता पैरामीटर मेरी मदद जैसे सवालों का जवाब देने के लिए कैसे तेजी से एक पदार्थ प्रणाली में रिस के रूप में अच्छी तरह से जो एकाग्रता एक बहु अंग चिप में अन्य ऊतकों के लिए उपलब्ध हो जाएगा. इस विधि का समर्थन और विकास और ऐसे अंग के परीक्षण-पर चिप सिस्टम को बढ़ाने कर सकते हैं ।
The authors have nothing to disclose.
यह काम ग्रांट नो के तहत ड्यूश Forschungsgemeinschaft (DFG) से वित्तीय सहायता से बनाया गया था. PO413/12-1 और LA 1028/7-1 ।
Agarose | Carl Roth | K297.2 | High Resolution Powder |
Collagen | Serva | 47256.01 | Collagen R solution 0.4 % |
DMEM | Lonza (Biozym Scientific GmbH) | 880010-12 | High Glucose with L-Glutamine |
FCS | Biochrom GmbH | S0615 0114F | Fetal Calf Serum |
Fluorescein Sodium Salt | Sigma-Aldrich | 46960-25G-F | |
Fluorescein Isothiocyanate-dextran | Sigma-Aldrich | 46944-500MG | 4000 g/mol |
Fluorescein Isothiocyanate-dextran | Sigma-Aldrich | FD10S-250MG | 10 000 g/mol |
Fluorescein Isothiocyanate-dextran | Sigma-Aldrich | FD20S-250MG | 20 000 g/mol |
Fluorescein Isothiocyanate-dextran | Sigma-Aldrich | FD40S-250MG | 40 000 g/mol |
HBSS | ThermoFisher Scientific | 14170120 | no calcium, no magnesium , with phenol red |
NaOH | Merck | 1.06467.9010 | granulated |
PBS | Gibco | 18912-014 | tablets |
Transwell Cell Culture Inserts | Corning | 3391 | 96 well, 0.4 µm pore size |
Transwell Cell Culture Inserts | Corning (VWR) | 734-1563 | 12 well, 0.4 µm pore size |
Trypsin | Biochrom GmbH | L2143 | with EDTA |