作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 使用多种细胞类型模拟和速率提取的体外分析应用
(一)荧光数据和分析装置，代表含有肾脏(MES13)、肝脏(AML12)、内皮细胞(C166)和巨噬细胞(J774a)的未清洗孔的未清洗QD (QSH)荧光
1)细胞类型
非盟，任意单位
(二)与肝、内皮、巨噬细胞和肾细胞类型的模拟拟合(线)相比，洗涤的原始(黑色)和校准的(红色)荧光吸收浓度(圆圈，测量)
(三)通过遗传算法优化的速率常数汇总，用于模型拟合测量数据集
QD摄取的时间相关共聚焦显微镜图像，显示研究中每种细胞类型的饱和度(双箭头)(蓝色和红色分别代表细胞核Hoechst和QSH荧光)
卡通是QD细胞相互作用动力学的视觉表现
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aax2642 生物工程师可以为抗体和基于纳米材料的疗法设计智能药物，以优化药物效率，提高早期临床前试验的效率
理想的药物在从组织脉管系统输送到细胞环境的目标组织部位具有最大的效率
研究人员可以使用生物模拟结合体外方法来快速有效地预测它们的暴露，从而预测活动物组织单细胞内的药物生物分布，而不依赖于动物研究
在《科学进展》杂志上发表的一项新研究中，爱德华·普莱斯和安德烈·J
Gesquiere成功地使用体外分析和计算流体动力学(CFD)模型将体外细胞动力学转化为多种物种和纳米材料类型的全身模拟
这项工作使他们能够预测药物在单个组织细胞内的分布，研究小组预计这项工作将完善、减少和取代动物试验，同时为科学家提供药物开发的新视角
抗体和合成纳米材料形式的纳米药物可以通过主动组织靶向、可变循环时间框架和稳定性以及可调节的生物分布来补充传统的小分子药物
研究团队在很大程度上依赖动物模型来量化给药剂量，这引发了伦理问题以及时间和成本的激增
从科学的观点来看，在用于量化的组织均化过程中进行的组织结构破坏可以消除组织细胞和脉管系统内纳米医学转运的关键知识
药物可以通过表现出最佳的血浆药代动力学到达组织脉管系统而到达细胞
该结构和纳米颗粒直径允许药物穿过微血管壁进入感染或正常组织细胞环境的关键转运
在目前的工作中，Price和Gesquiere结合了一种体外/计算机模拟方法，在单细胞水平上预测临床前物种(动物和细胞模型)中纳米粒子的生物分布
他们使用流体动力学模型计算了纳米颗粒大小、动物种类和脉管系统孔径的差异
由于缺乏系统的观点，在结果难以转化为动物研究的情况下，该小组对细胞纳米含量进行了量化
他们还解决了现有的实验问题，即细胞诱导纳米粒子荧光降解产生假阴性
不同直径纳米粒子在不同组织中吸收的细胞分析
脾、心和肝的细胞摄取直径分别为20、100和500纳米的NMs，窗孔直径分别为5000、50和280纳米
对随后肝细胞摄取的纳米直径(24、32和44纳米)的增量变化进行敏感性分析
将所有模拟(预测)输出与文献细胞数据集的观察数据进行比较
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aax2642 为了在体外验证他们的工作，研究小组模拟了溶酶体分析与原子吸收光谱(AAS)的结合，并通过将结果与发表的大鼠、小鼠和非人灵长类动物全身动物数据的文献进行比较，证实了体内模拟
科学家们使用量子点作为模型系统，因为它们在纳米粒子检测方面具有潜力，同时也考虑到了它们的局限性
Price等人
计算纳米平台的复杂性，以扩展抗体和金属/聚合物基纳米粒子的能力
当纳米颗粒通过动物血液循环进入组织环境时，它将通过吸附、解吸、内化或主动吸收过程与组织细胞相互作用
在静脉注射后，科学家将纳米粒子暴露于无毒量子点中，以荧光检测它们与巨噬细胞、内皮细胞和上皮细胞等NMs通常遇到的细胞的相互作用。
研究小组量化了纳米粒子在体外与细胞相互作用的浓度，并建立了细胞动力学模拟来评估速率动力学和纳米细胞相互作用
体外分析的发展和对原子吸收光谱的验证
(甲和乙)体外测定装置及其偶联的(甲)QD和(乙)聚苯乙烯的未洗涤荧光信号
图像显示QD在溶酶体区室中的肝素1-6共定位，以及在模拟的溶酶体暴露条件下pH为2的紫外线照射下的荧光快照
5, 3
0, 3
5, 4
0, 4
5和7
4(分别为1至6)
当比较原始的和校准的荧光吸收与原子吸收光谱数据时，使用体外技术结合(碳)荧光、(丁)原子吸收光谱、(戊)组合和(己)双尾t检验的统计结果进行QD吸收研究
图中的星号表示在*(P & lt；0
05)，* *(P & lt；0
01)，以及* * *(P & lt；0
001)级别
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aax2642 该模拟包含(1)培养基，(2)细胞膜和(3)通过基本传质方程和一级速率常数相互连接的细胞空间隔室
他们在MATLAB中使用遗传算法优化了系统，并注意到巨噬细胞的膜吸附速率常数最高，内皮细胞和肝细胞的膜吸附速率常数最低
在细胞类型中，肝组织细胞的内化过程相对最高，而内皮细胞的内化过程最低
共聚焦成像视觉上支持这些数据，在暴露一小时内巨噬细胞快速摄取和饱和，而上皮和内皮组织细胞进一步延迟
该团队使用细胞动力学模拟证明了体外试验中细胞降解因子的存在，以帮助有效地将体外数据转化为动物研究
原子吸收光谱(AAS)通过荧光分析验证了QD吸收的结果，并强调了计算细胞和介质诱导降解的重要性
由于位于组织内部的纳米药物可以在间质、脉管系统或各种细胞类型中积累，研究小组将体外细胞动力学转化为计算机动物模拟来解释这一点
他们进行了两项试点研究，评估了整个组织摄取的趋势，作为大小的函数，并量化了单细胞水平的纳米摄取
在结构上，每个组织隔室模拟包含四个子隔室，分别代表上皮细胞、内皮细胞和巨噬细胞
动物纳米模拟的总体示意图
组成完整动物的整个组织和血液隔间的示意图
每个组织隔室通过血流速率相互连接，并包含子隔室(放大区域)，其中纳米颗粒将通过内皮窗孔内化分布
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aax2642 由于肝脏和脾脏是纳米粒子积累的共同目标，他们将这些组织用作案例研究，以了解和捕捉模拟的敏感性和准确性
例如，模拟显示，增加的纳米尺寸超过了大多数组织类型的组织孔径，向具有更大孔径的组织(如肝脏)汇聚
此时，肝内皮细胞与NMs相互作用，在24小时内快速膜结合和饱和
当纳米颗粒进入组织的间质时，它迅速与上皮(对于肝脏)和巨噬细胞(对于脾脏)组织细胞相互作用
该结果首次在动物单细胞水平上建立了对模拟预测能力及其预测可变大小药物含量能力的信心——严格地仅基于体外数据
然后，科学家们通过与多种纳米类型和物种的测量组织水平含量进行比较，包括大鼠、小鼠和细胞含量(上皮细胞、内皮细胞和巨噬细胞)，指出了模拟的预测能力和翻译能力
他们根据世界卫生组织的指导方针和学术及制药联盟的药物开发和安全标准，测试了多个变量的预测性能
模型预测的平均值和观测的平均值呈线性相关，表明所有物种和北地中海类型的合理模型预测
各种动物研究验证的模拟输出
(一)所有物种类型(大鼠、小鼠和NHP)的组织水平预测(线)与观察(点)实例，作为模型能力的视觉证据
(二)为模拟中的所有组织、纳米和物种类型计算的折叠误差分析的热图
绿色、黄色和红色代表<。2倍，lt。3倍，且> 3倍。三倍误差
根据“材料和方法”中给出的等式计算折叠误差，其中模拟数据集平均值与观察值进行比较
(3)将模拟和观察到的特定于组织类型的所有数据点平均值相对于彼此绘制，以产生线性拟合(R2 = 0
861)
(四)组织特异性折叠误差显示可视化本研究中每个组织的模型准确性
(5)根据折叠误差分析，纳米模拟输出被排序(1至4)
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aax2642 就这样，爱德华·普莱斯和安德烈·J
Gesquiere开发了一个可行的平台来减少和改进纳米医学发展过程中的动物试验
结合细胞动力学模拟的体外浓缩数据提供了细胞-纳米粒相互作用，显示出优异的翻译潜力
该结果不需要拟合动物生物分布数据集，因为所有参数都针对体外数据进行了优化，或者使用流体动力学模型进行了计算
该过程也在生物环境中的纳米降解条件下工作
体外和计算机技术的结合将有助于未来的智能药物设计，帮助科学家形成更好和更知情的讨论，同时减少活体动物试验
Price和Gesquiere预计这项工作将为纳米医学传输的预测模拟提供一种新的方法
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
