Bir yöntem belirleme geçirgenliği ve Difüzyon bir zarda bir 3D doku modelindeki simülasyonu için ekleme sistemi çok iyi kaplamalar için
23 Şubat 2018
Bir membran geçirgenliği belirlenmesi için bir yöntem eklemek çok iyi plakaları için sistem ve silico parametre optimizasyonu simülasyon kullanarak Difüzyon katsayıları hesaplanması için sunulmaktadır.
Bu protokolün genel amacı, küçük bir membran insert sisteminde 3D cilt modellerinin geçirgenlik ve difüzyon katsayılarını belirlemektir. Bu konular, geçirgenlik ve difüzyon katsayısının temel kalite faktörleri olduğu farmasötik ve kozmetik uygulamalar için 3D cilt dokusu mühendisliği ile ilgili temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu tekniğin ana avantajı, bu katsayıların küçük bir çok kuyulu kesici uç içinde doğrudan ölçülmesine izin vermesidir.
Simülasyondaki küçük membran yerleştirme sistemi, Gemi cihazlarındaki organda ve membran yerleştirme sistemlerini kullanan diğer uygulamalarda kullanım için daha fazla değiştirilebilir. Bir agaroz jeli hazırlamak için, 96 oyuklu bir membran iç sisteminin her bir zarına 28,6 mikrolitre taze hazırlanmış 80 santigrat derece sıvı agaroz jeli uygulayarak başlayın. 10 dakika sonra, jel katılaşmış olacak ve geçirgenlik testi için kullanılabilir.
Bir kollajen hücre modeli hazırlamak için önce 125 mikrolitre HBSS ve bir mililitre kollajen R solüsyonunu buz üzerinde karıştırın, ardından sodyum hidroksit ile nötralize edin. Daha sonra, karışıma tam ortamda süspanse edilmiş 125 mikrolitre primer fibroblast ekleyin. Ve elde edilen hücre çözeltisinden 28.6 mikrolitreyi yeni bir 96 oyuklu membran yerleştirme sisteminin her bir oyuğuna ekleyin.
Bir hücre kültürü inkübatöründe 30 dakika sonra, hücre kültürü inkübatöründe bir gece inkübasyon için jelin yüzeyine 75 mikrolitre tam ortam ve her bir oyuğun dibine 300 mikrolitre tam ortam ekleyin. Ertesi gün, ortamı her bir kollajen hücre modeline 75 mikrolitre insan yetişkin düşük kalsiyumlu, yüksek sıcaklıkta keratinosit ile değiştirin ve plakayı üç gün daha hücre kültürü inkübatörüne geri koyun. Dördüncü günde, ortamı hücre modelinin yüzeyinden aspire edin ve plakayı yedi gün daha inkübatöre geri koyun.
Bir geçirgenlik testi yapmak için, 75 mikrolitre donör maddeyi ya küçük kuyu ekleme modeli sistemine dağıtın ve her bir oyuğun dibine 300 mikrolitre alıcı madde ekleyin. Plakayı beş saat boyunca 37 santigrat derece, yüzde 95 nem ve yaklaşık 480 RPM'de bir çalkalayıcıya yerleştirin, membran ekleme sistemini saatte bir kez boş bir 96 oyuklu plakaya aktarın ve bir plaka okuyucu üzerinde deney plakasının alt kuyucukları içindeki dağınık floresansı ölçün. Geçirgenlik deneyinin sonunda uygun modelleme yazılımını açın ve yeni bir model başlatın.
Model Sihirbazı'nı ve 3D model'i seçin. Seyreltilmiş Türlerin Taşınmasını ekleyin ve çalışmayı tıklayın. Ardından Zamana Bağlı'yı seçin ve bitti'yi tıklayın.
Genel Tanımlar altında, parametre eklemek için sağ tıklayın ve geometrik ve fiziksel parametreleri kılavuza girin. Deneylerden membran ekleme sisteminin geometrisini ayarlayın ve iki alan probu eklemek için Tanımlar'a sağ tıklayın, bir probu alıcı alan ve diğerini verici alan olarak seçin. Her iki alanı da C ifadesi ve metre küp başına mol birimi ile ortalamaya ayarlayın.
Ve difüzyon katsayısını bir taşıma özellikleri ve seyreltilmiş türlerin taşınması altında ayarlayın. İkinci bir taşıma özelliği iki eklemek için seyreltilmiş türlerin taşınmasına sağ tıklayın ve etki alanı seçiminde ikinci engeli seçin. Seyreltilmiş türlerin taşınması altında, başlangıç değerleri bir için, konsantrasyonu sıfır olarak tanımlayın.
İkinci bir başlangıç değeri iki eklemek için seyreltilmiş türlerin taşınmasına sağ tıklayın ve üçüncü alan olarak bağışçıyı seçin. Konsantrasyonu, floresan donör maddenin başlangıç konsantrasyonu olarak ayarlayın. Simetri bir eklemek için seyreltilmiş türlerin taşınmasına sağ tıklayın ve tüm geometriyi yansıtan sınır seçiminin tüm yüzeylerini seçin.
İki boş tetrahedral eklemek için ağa sağ tıklayın ve ikinci bariyeri etki alanı olarak ayarlayın. Önceden tanımlanmış ağın boyutunu ekstra ince olarak eklemek için serbest tetrahedral olana sağ tıklayın. İkinci serbest tetrahedralde, alıcıyı ve vericiyi etki alanları olarak ve önceden tanımlanmış ağı daha ince olarak ayarlayın.
Ardından, birinci çalışma altında, simülasyonu başlatmak için hesaplama'ya tıklayın. Difüzyon katsayısını difüzyon simülasyonu tarafından oluşturulan verilere sığdırmak için psişik ekle menüsünü açın ve matematiği seçin. Optimizasyonu ve hassasiyeti bulun.
Optimizasyonu seçin ve bileşene ekle'ye tıklayın. Ardından değişkenleri eklemek için tanımlara sağ tıklayın ve üçüncü tablodan değişkenleri manuel olarak girin. Ardından, bileşen birleştirme menüsü altında, tanımlara sağ tıklayın, ortalama birini ekleyin ve ardından alıcının operatör adı olarak manuel olarak eklenmesini sağlayın ve etki alanını seçin.
Deneysel verileri yeni bir metin belgesine aktarın. Verileri sütunlara ayırmak için noktalı virgül ve satırlara ayırmak için satır sonu kullanın. Global en küçük kareler hedefini eklemek için optimizasyona sağ tıklayın ve metin belgesini deneysel verilere ekleyin.
İlk sütunu zaman, birinci sütun, ikinci sütunu ise birinci değer sütunu olarak tanımlamak için global en küçük kareler hedefine tıklayın. Değer ifadesi sütununa C. değişkenini girin. Genel kontrol değişkenlerini bir eklemek için optimizasyona sağ tıklayın. Ve D alt çizgi aramasını, başlangıç değeri bir, alt sınırı sıfır ve üst sınırı 1.000 olan bir değişken olarak bildirin.
Optimizasyon eklemek için birinci etüdüne sağ tıklayın. Ve bir optimizasyon çözücü yöntemi olarak SNOPT'u seçin. Optimallik toleransını bir üzeri eksi sekiz olarak ayarlayın.
Ardından bariyer üzerindeki difüzyon katsayısını D olarak ayarlayın. Çalışma ayarı altındaki simülasyon süresini 100 saniyelik bir aralıkla sıfır saniyeden 22.000 saniyeye ayarlayın ve parametre optimizasyonuna başlamak için hesaplamaya tıklayın. Bir kollajen hücre modelinin histolojik analizi, merkezi matriks içindeki fibroblastların hafif bir şekilde boyandığını ortaya koymaktadır. Kollajen matrisinin tepesinde, muhtemelen insan yetişkin düşük kalsiyumlu, yüksek sıcaklıktaki keratinositlerden oluşan birçok çekirdek içeren bir tabaka gözlenebilir.
Floresein sodyum tuzu ve floresein izotiyosiyanat dekstran kullanarak, difüzyon yapan maddenin moleküler boyutunun etkisini doğrulayın, küçük moleküler boyutlar için simülasyon ve deneysel verilerin her iki molekül için de iyi bir uyum içinde olduğunu ortaya koymaktadır. Bununla birlikte, daha büyük moleküler boyutlar, simülasyonlarda eğri ilerlemelerinde daha yüksek sapmalar oluşturur, bu da başlangıçta bir gecikme ve grafiklerin sonraki seyrinde daha güçlü bir artış olduğunu gösterir. Gerçekten de, deneysel geçirgenlik katsayılarına benzer şekilde davranan simüle edilmiş katsayılarla moleküler boyut arttıkça geçirgenlik katsayısı azalır.
Dikkat çekici bir şekilde, insan yetişkin düşük kalsiyum, yüksek sıcaklık keratinositleri kullanan çoğu model, insan yetişkin düşük kalsiyum, yüksek sıcaklık keratinositleri olmayan modellere kıyasla daha düşük geçirgenlik ve difüzyon katsayılarına sahiptir. Kollajen sim modeli 11 ila 12 gün içinde kurulabilir ve uygun şekilde yapılırsa geçirgenlik ölçümü altı saat içinde tamamlanabilir. Prosedürü gerçekleştirirken, geçirgenlik katsayısının değişimini azaltmak için sıcaklık, dolum hacmi, uygulanan maddenin konsantrasyonu, nem ve membran işlemi gibi sınır koşullarını sabit tutmak önemlidir.
Bu modül simülasyonunun yardımıyla, deneysel çaba azaltılabilir ve uzun süreli performans tahmin edilebilir. Ayrıca diğer geçirgenlik cihazlarına veya organ sahipliği sistemlerine de uyarlanabilir. Bu teknik, farmasötik ve kozmetik uygulamalar alanındaki araştırmacıların yanı sıra yapay dokulardaki difüzyon geçirgenlik süreçlerini keşfetmek için doku mühendisliğinde etkileşim geliştirmenin yolunu açmaktadır.
Genel Bakış
Bu protokol, küçük membran ekleme sistemi kullanarak 3D cilt modellerinin geçirgenlik ve difüzyon katsayılarını belirleme yöntemi açıklamaktadır. Bu teknik, farmasötik ve kozmetik uygulamalarda 3D cilt doku mühendisliğini ilerletmek için çok önemlidir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Nörobilim
- Biyoloji
- Doku Mühendisliği
Arka Plan
- Geçirgenlik ve difüzyon katsayılarını anlamak, cilt modellerini değerlendirmek için çok önemlidir.
- 3D cilt doku mühendisliği, farmasötik ve kozmetik uygulamalar için hayati öneme sahiptir.
- Küçük membran ekleme sistemi, bu katsayıların doğrudan ölçülmesine izin verir.
- Bu yöntem, organ-on-a-chip cihazları için uyarlanabilir.
Çalışmanın Amacı
- 3D cilt modellerinde geçirgenlik ve difüzyon katsayılarını ölçmek.
- Difüzyon simülasyonları için parametreleri optimize etmek.
- Cilt doku mühendisliği uygulamalarının kalitesini artırmak.
Kullanılan Yöntemler
- 96 kuyuklu membran ekleme sisteminde agaroz jel ve kollajen hücre modellerinin hazırlanması.
- Donör ve alıcı maddeler ile geçirgenlik testlerinin yapılması.
- Simülasyon ve parametre optimizasyonu için modelleme yazılımının kullanılması.
- Hücre modeli bütünlüğünü değerlendirmek için histolojik analiz.
Ana Sonuçlar
- 3D cilt modellerinde difüzyon katsayılarının başarılı bir şekilde ölçülmesi.
- Moleküler boyutun geçirgenlik üzerindeki etkisinin doğrulanması.
- Difüzyon simülasyonları için doğru parametrelerin optimize edilmesi.
- Histolojik analiz, uygun hücre modeli özelliklerini gösterdi.
Sonuçlar
- Membrana ekleme sistemi, geçirgenlik testleri için etkilidir.
- Bu yöntem, doku mühendisliğindeki çeşitli uygulamalar için uyarlanabilir.
- Difüzyon katsayısı hesaplamalarının doğruluğunu artırmak için daha fazla optimizasyon yapılabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This method enables direct measurement of permeability and diffusion coefficients in 3D skin models using a small membrane insert system, addressing a key bottleneck in early-stage substance screening. By providing quantitative, reproducible data in a multi-well format, it supports target validation and assay development for topical and systemic drug candidates. The integrated simulation capability reduces experimental burden while enhancing predictive confidence in permeation behavior across molecular sizes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by quantifying substance permeation through skin-equivalent models.
- Operational Value: Provides functional validation of barrier properties in 3D tissue models without requiring large-scale Franz diffusion cells.
- Predictive Value: Supports lead identification by ranking compounds based on permeability coefficients derived from empirical data.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Delivers standardized, quantitative permeability outputs suitable for high-throughput screening in 96-well formats.
- Reproducibility: Ensures consistent diffusion measurements through controlled boundary conditions and normalized acceptor/donor domain probing.
- Scalability: Adaptable to different insert diameters (4.26 mm and 12.2 mm) and extensible to organ-on-a-chip configurations.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Uses collagen-cell models with fibroblasts and keratinocytes to mimic human skin architecture for mechanistic de-risking.
- Translational Continuity: Bridges discovery and preclinical stages by simulating long-term permeation profiles from short-term assays.
- Risk-Adjusted Decisions: Enables permeability-based go/no-go criteria prior to in vivo testing, reducing late-stage attrition.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from early biological screening to lead optimization, particularly for dermal and transdermal drug delivery programs.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on barrier function and molecular transport in engineered tissues.
- Screening: Enables assay readiness through reproducible fluorescence-based quantification in acceptor chambers.
- Analytics: Generates time-resolved concentration data for diffusion coefficient optimization via global least squares fitting.
- Translational Research: Connects short-term permeability measurements to predictive modeling of long-term substance retention.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable simulation-experimental workflow applicable across multiple permeation devices and tissue models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in permeation pathways by correlating molecular size with diffusion behavior.
- Operational Value: Standardizes permeability testing across laboratories via defined gel preparation, incubation, and imaging protocols.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by minimizing reagent use and instrument time through simulation-guided experimentation.
- Portfolio Impact: Enhances risk-adjusted prioritization of topical formulations based on validated permeability thresholds.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D cell culture, fluorescence-based assays, and computational modeling (e.g., COMSOL).
- Depends on plate readers, shakers with precise RPM control, and membrane insert systems compatible with 96-well formats.
- Necessitates cross-team standardization of substance concentration, temperature, humidity, and incubation timing.
- Involves adaptation considerations when extending to complex models such as organ-on-a-chip or multi-layered tissues.
- Limited by simulation accuracy for substances exceeding 14 x 10^-10 m Stokes radius, as noted in divergence between model and experimental data.
