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要約

多くの治療用途は、体内の細胞の壁を越え薬物担体とその貨物の安全かつ効率的な輸送を必要とする。この記事では、胃腸（GI）上皮のような細胞壁を越えた薬物ナノキャリア（NCS）の輸送速度とメカニズムを評価するために確立された方法の適応を説明します。

要約

サブマイクロキャリア（ナノキャリアは、NCは）は、溶解性、安定性、循環時間、ターゲティング、および放出を向上させることによって薬物の効力を高める。また、体内で細胞の障壁を横断することは、介入が必要とされる組織への血液から循環と輸送への治療NCの両方の経口送達のために重要である。材料は、エンドサイトーシスによって内在細胞体を通過して輸送され、分泌される一過性の隣接するセルを連動ジャンクショ​​ンの破壊、または（ii）経細胞経路を介して（I）傍細胞経路、、：携帯の壁を越えたNC輸送はによって達成される反対細胞表面（transyctosis）で。細胞の障壁を横切る送達は、輸送に関与する細胞表面マーカーに特異的に結合するターゲティング剤と治療薬またはそれらのキャリアを結合することによって容易にすることができる。ここでは、WHIのモデル細胞関門を越えて広がりとNC輸送のメカニズムを測定する方法を提供CHはトランスウェルインサートにあり、多孔質膜上に成長した胃腸の単層（GI）上皮細胞で構成されています。透過障壁の形成は経上皮電気抵抗（TEER）、対照物質の経上皮輸送、および密着結合の免疫染色を測定することによって確認される。一例として、〜200nmのポリマーのNCは、治療貨物を運び、細胞表面決定基を標的とする抗体で被覆され、使用されている。抗体または治療の貨物は、放射性同位体の追跡とラベルされたNCのために125 Iで標識されている時間の変化期間の細胞単層を介して上部チャンバーに追加されます。 NCは、細胞に関連したおよび/または下にあるチャンバに搬送を検出することができる。無料の125 Iの測定は、劣化した分を差し引くことができます。傍細胞経路は、上述したバリアパラメータNC輸送による電位の変化を測定することにより評価される。経細胞輸送iをエンドサイトーシスおよびトランスサイトーシス経路を調節する効果に対処することによって決定されよ。

概要

外部環境と内部区画の間のゲートウェイとしてのボディの行為中の細胞の障壁。これは、胃腸（GI）管および血流1-3の外部露出面を分離する上皮層の場合である。携帯の障壁はまた、血流と実質および組織や臓器の細胞成分との間のインタフェースを表す。体内でこれらの細胞障壁を横断する能力は、治療薬および診断薬の効率的な送達のために重要である1これは、血液などの肺関門、血液脳関門のような血管内皮の内側ライニングの場合である循環へと介入が必要とされる組織/器官。

治療薬または診断薬の送達を改善するために、これらの化合物は、サブミクロンナノキャリア（NCS）にロードすることができる。これらの薬物送達ビヒクルは、様々な製剤化することができる薬物の溶解性、保護、薬物動態、リリース、および代謝4,5を最適化するための化学的性質と構造。 NCはまた、治療上の処置が必要とされる2,6身体の領域への接着を容易にするために、親和性またはターゲティング部分（ 例えば、抗体、ペプチド、糖、アプタマーなど ）で官能基化することができる。携帯障壁の表面に発現決定にNCの標的化は、さらに2,6におよび/ ​​またはこれらのライニングを横切る輸送を容易にすることができる。

選択的に2環境の間の物質の輸送の役割は、細胞層の中で、特定のユニークな機能を必要とします。一つのこのような特徴は、キャビティの内腔に面する頂端膜は、膜の形態および脂質、トランスポーター、および受容体2の組成物に関して、組織の間質に向かって配向基底膜まで変化することにより、細胞極性である。もう一つの特徴は、細胞間を必要とするjunctio隣接するセル間を接続NS。タイトジャンクショ​​ンを形成するタンパク質の制御、特に接合部接着分子（JAM）、オクルディン、およびクローディン、選択的傍細胞輸送として知られている細胞、間の物質の輸送を可能にするかどうバリア機能を調節し、内腔から材料の許可通過に基底外側のスペース3。体内の細胞の障壁に多くの天然および合成の要素（白血球、分子、粒子、および薬物送達システム）の結合はのアクセスの危険なので、一過性で比較的無害またはより長期であってもよい細胞ジャンクショ​​ンの開口を誘導することができバリア2,5,7-9全体の不要物。したがって、この経路は、アミンの電流または増加傍漏れに対する抵抗を減少することにより、経上皮電気抵抗（TEER）及び（本明細書傍漏れと呼ばれる）分子の受動傍細胞拡散を測定することによって評価することができる基底外側空間にRT化合物は、それぞれ5,10,11、細胞間結合の開放を示している。染色はすべての細胞周辺5,10,12の周囲に細胞-細胞境界に集中して表示される場所、これらの方法を補完するために、上記のタイトジャンクションタンパク質のいずれかは、それらの完全性を評価するために染色することができる。

あるいは、クラスリン被覆ピットやカベオラと呼ばフラスコ状の膜陥入に関連するものなどの特定の細胞表面決定基を標的とする薬物送達システムは、細胞内区画5への薬物送達のための道を提供し、エンドサイトーシスによって細胞に小胞の取り込みをトリガすることができる13。また、エンドサイトーシスは、側底側のリリースのために細胞体全体に小胞の人身売買にtransyctosis、または経細胞輸送14と呼ばれる現象を引き起こすことがあります。そのため、エンドサイトーシスの動態とメカニズムについての知識は、細胞内のAを活用するために用いることができる傍細胞経路に比べて納期の比較的安全かつ制御モードを提供していますND経薬物送達、。エンドサイトーシスの機構は、古典的経路の調節因子（クラスリンとカベオリン媒介エンドサイトーシス、およびマクロピノ）または（例えば、細胞接着分子（CAM）を介したエンドサイトーシスの場合のような）非古典的ルートに評価することができる5,13,15 。

細胞内輸送は、多くの場合、標準的なウェルまたはカバースリップで研究されているのに対し、基底外側コンパートメントの不在は、細胞極性と細胞層を横断する輸送を研究する能力を妨げる。この障害を克服するために、細胞単層を横切る輸送は、長いトランスウェルの上部（頂端）チャンバ、細胞が付着し、タイトな単層を形成する多孔性透過膜で構成され、10,11,16,17が挿入され、下部用いて研究されている（基底外側）室（ 図1）。この構成では、輸送は、で測定することができる上部チャンバーに処置を施す細胞単層とその下の多孔質膜を通って輸送を次の、そして最終的に輸送され、材料の定量化のための下部チャンバー内の媒体を収集することにより、頂端から側底方向。側底から頂端方向への輸送は、上部チャンバー5,10,12,16から下室とその後のコレクションに最初の投与によって測定することができる。上記のように様々な技術が、TEERおよび傍細胞輸送アッセイを含む、トランスウェル上で透過障壁の形成を確認するために存在する。また、細胞が培養された通気フィルタは、さらに、細胞単層モデルの検証ならびに輸送のメカニズムとして、（蛍光、共焦点顕微鏡、電子顕微鏡法により）イメージング分析のために除去することができる。異なる孔サイズ、材料、および表面エリアで利用可能である膜型の選択は、種々のファクトに依存する例えば、輸送される物質または物体の大きさ、細胞型、及び撮像方法としてrsを16,18-20。トランスウェルインサートはまた、チャンバーおよび細胞表面領域のボリュームは既知の定数であり、哺乳動物のような複雑なシステムと比較して、輸送の制御された正確な定量化を容易にする。 in vivo送達に関与する多くの要因が、腸の粘液の存在を含む、せん断応力、消化酵素、免疫細胞などを排除しているが、 インビトロモデルでのこの小さな規模は、輸送に関する有用な予備情報を提供しています。

携帯障壁10,11,16,17間でのNCの輸送を研究するため、これらの方法の適応を説明するための例として、ここでは消化管上皮を通過するのNC輸送の可能性は、モデル薬物送達の通過を評価することによりモデル化した場合について説明ヒト上皮結腸直腸腺癌（のCaco-2）細胞の単層を介してシステム。この目的のためにあり、cのエルは透明であり、顕微鏡イメージングのために使用することができる0.8μmの細孔ポリエチレンテレフタレート（PET）フィルター（6.4ミリメートル直径）上で、トランスウェルインサートで培養した。透過障壁の状態がTEER、コントロール物質、アルブミン、タイトジャンクショ​​ンの元素の蛍光顕微鏡可視化、オクルディンタンパク質の頂端から側底輸送を測定することによって検証される。標的ポリマーNCのモデルを100nm、非生分解性ポリスチレンナノ粒子からなる、使用される。 NCは、表面だけでは標的とする抗体との吸着または標的とする抗体の組み合わせの成分のいずれかが放射性同位元素のトレースのための125 Iで標識することができる治療貨物によってコーティングされている。選択された例では、抗体は、細胞間接着分子-1（ICAM-1）を認識し、タンパク質が細胞内および経細胞輸送oをを促進することが示されているGI上皮（および他の）細胞の表面上に発現 F薬物担体とその貨物21。カーゴは、α-ガラクトシダーゼ（α-ガラクトシダーゼ）、ファブリー病、遺伝リソソーム貯蔵障害22の治療のために使用治療用酵素である。

サイズが約200nmのコーティングされたNCのは、上のNC 125 Iは、細胞単層に関連するおよび/ ​​または検出することができ、その後、細胞単層上に先端チャンバーに添加し、そして様々な時間にわたって37℃でインキュベートし細胞下の側底室に搬送される。無料の125 Iの追加の決定は、コーティングされたNC輸送の劣化した分と推定の減算を可能にする。経細胞輸送は、エンドサイトーシスおよびトランスサイトーシスの経路を調節する際の輸送の変化を調べることによって決定される輸送の機構はさらに、上述のパラメータを介して、傍細胞経路に関連する透過障壁の変化を調べることにより評価される。

ontent ">これらの方法は、完全に細胞の障壁を横切る薬物送達のための潜在性の評価を可能にする、貴重なセルラバリア·モデルに関する情報、薬物送達システムの輸送の程度と速度、およびそのような輸送の機構を提供する。

プロトコル

1。トランスウェルインサート中の細胞単層を培養

  1. 無菌のバイオセーフティーレベル2の細胞培養フードでは、0.8ミリメートルのPETは、鉗子で（統計的有意性のために、条件あたり4ウェル）を24ウェルプレートへの挿入をトランスウェル細孔置く。フードに入るすべての材料は、エタノールで消毒しなければならない。

注：フィルターの孔径は、NCの平均サイズに合った選択する必要が膜を横切る輸送を可能にするために、用いられる。また、統計学的に有意な結果を得るため、各実験条件は、同一実験内で4リピート（井戸）の最小値を必要とし、3つの独立した実験の最小値。

  1. 水浴中で4.5g / Lグルコース、15％ウシ胎児血清および1％ペニシリンストレプトマイシン、37℃まで熱を補充したDMEM培地を含む細胞培養培地を調製する。
  2. 細胞培地および代わりにヒト上皮結腸直腸腺癌（のCaco-2）細胞を希釈1.5×10 5細胞/ cm 2の密度でトランスウェルインサートの上部（頂端）チャンバ内に細胞溶液の200〜400μlの。細胞培地900μlの - 700と下（基底外側）室を埋める。
  3. ステップ1.3に示されているボリュームを使用して37℃、5％CO 2、および3〜4日ごとに上部及び下部チャンバーに培地を交換16-21日間、湿度95％、少なくとも培養細胞。細胞単層（むしろ下記より）上記の圧力を維持するには、次の順序でメディアを交換してください。、下室からメディアを吸引上部チャンバーからの培地を吸引、新鮮な培地で上室を満たし、かつと下室を埋める新鮮な培地。

2。タイトジャンクショ​​ンの経上皮電気抵抗（TEER）および免疫染色を使用して、GI上皮透過性障壁の検証

  1. 短期保存（2週間未満）については、電解質ソリューションでSTX100電極水没たTiON（0.1〜0.15 MのKClまたはNaCl）。システムは、内部で短絡して、電極の対称性が維持されるようにEVOM電圧抵抗計の電極端子に電極ケーブルを接続します。長期保存の場合は、D.H. 2 Oで洗浄し、乾燥した、暗い状態で保管してください。
  2. 、電極を殺菌15分間エタノールに浸し、15秒間空気乾燥できるようにする。あるいは、電極はUVフードに格納することができる。各抵抗測定の前に、無菌電解質溶液（リン酸緩衝生理食塩水、PBS）または0.1から0.15 MのKClまたはNaCl溶液に電極を洗浄します。
  3. 電圧抵抗計は、抵抗の設定に設定すると、垂直方向に上室短い電極とウェルの底に触れて下室で長い電極と、うまくトランスウェルインサートを含む、電極を配置。各ウェルについて、EVOMの指示が安定したら、（Ωオームで与えられる）抵抗値を記録します。
  4. 抵抗率を計算する（RESISTAN面積に対して標準化のce;Ω×cm 2）の試料のバックグラウンド抵抗（細胞を含まないトランスウェルインサートのTEER）を減算し、膜面積を掛けることによって。抵抗率の値は、ほとんどの場合、文献に報告されている。 （説明を参照してください）
  5. TEERは、典型的には、細胞plattingの瞬間から2〜3週間かかり透過障壁の形成を示し、最大値と高原に上昇値まで1〜2日ごとに測定を繰り返します。プラトーTEER値と​​バリアの完全性を達成するの​​に必要な時間は、細胞の継代数に応じて変化し得る。
  6. （バリア形成のための閾値以上等しい）高いTEERを有する細胞単層に密着結合の存在を確認するために、15分間、冷2％パラホルムアルデヒドとのインキュベーションにより細胞を固定。次いで、1μg/ mlの抗オクルディンと共に室温で30分間、それらをPBSで細胞を洗浄し、インキュベートする。再びPBSで細胞を洗浄し、7.5μg/ mlのfで室温で30分間、それらをインキュベートするluorescentlyで標識した二次抗体。バリア形成の陰性対照として低TEERでウェルを使用してください。

注：抗オクルディンの代替として、代替のタイトジャンクションタンパク質に対する抗体を使用することができる。

  1. 慎重に固定された単層が取り付けられたフィルター膜を切除し、エピ蛍光または共焦点顕微鏡を用いて撮像するためのスライド上にマウントする。

3。ターゲットキャリアの経上皮輸送を評価

  1. 先に説明したように07、125 Iで標的とする抗体（この例では、ICAM-1に対するマウスモノクローナル抗体、抗ICAMなど）を標識する。次いで、標識された抗体（CPM）/ mgのカウント毎分で比活性を算出し、抗体上の125 I含有量を決定し、タンパク質濃度、ガンマカウンターを推定するためにブラッドフォードアッセイを使用する。

注：特異性を制御するには、再非標的コーティングされたNCを調製するために使用される標識マウスIgGによる手順を泥炭。治療の貨物の輸送を研究するために、この例では、貨物にラベルを付ける手順、例えば、α-ガラクトシダーゼ（α-GAL）を繰り返します。代替物はターゲッティング剤、非特異的対照、または治療貨物のために使用することができる。代替の方法はまた、化合物を標識し、標識された対応物の濃度を推定するために使用することができる。

  1. 夫婦NCの表面に抗体（この例では抗ICAM）を標的ラベル。この例では、07のように、表面吸着を可能にするために125 I-抗ICAMとともに室温で1時間ポリスチレンナノビーズ（100 nmの直径）をインキュベートする。

注：非固有のコントロールを使用する125 I-IgGについて。貨物の輸送をトレースするには、抗体と125 I標識貨物（この例ではα-GAL）を標的とを組み合わせて使用します。

  1. 3分間13,000×gで遠心分離し、吸引によって、上清中の非塗工の対応を削除します。ピペッティングによりPBS中の1％ウシ血清アルブミン（BSA）を用いてコーティングされたNCを含むペレットを、潜在的な粒子凝集（20-30短いパルス）を破壊するために低電力で超音波処理を再懸濁する。
  2. NCの特性評価のために、大きさ、多分散性、および動的光散乱（ベンダーの指示に従って）を使用して、コーティングされた粒子のζ電位を測定し、数を定量化する125使用して粒子表面に抗体分子（ 例えば抗ICAM）を標的I標識ガンマカウンター。

注：これらの方法は、非特異的および治療 ​​的対応物について繰り返すことができる。コーティングされた粒子のサイズは約200 nmの範囲である。

  1. （ 例えば 125 I-抗ICAMのNC; 56をnCi / ml）を、125 I-抗体のNCを追加TEER＆でコンフルエントのCaco-2単層上の上部チャンバーに＃8805;背景上のCM 2×350Ω（説明を参照）（16〜21日後に播種）。 1つまたは複数の所望の時間間隔で37℃で培養する。透過障壁に対するNCの効果を評価するために、インキュベーションの前と後のTEER（セクション2.3）を測定します。

注：この手順は、非特異的および治療 ​​的対応物について繰り返すことができる。

  1. 上下のチャンバーからの培地を回収し、37℃（上室）で0.5ミリリットルDMEMまたは1ミリリットルのdH 2 O（下室）で一回、それらを洗ってください。ガンマカウンターを用いて放射性同位元素の合計含有量の測定のための洗浄を集める。
  2. 細胞画分の測定には、通気フィルタを切除し、 例えば、（細胞内容物を放出する）エッジの周りに切断し、10分間、1％トリトンX-100でガンマ計数管でインキュベートし、カミソリの刃を使用して、セルの測定を行う前総放射能の関連。
  3. 私は再度125を測定するには潜在的な劣化、最初のミックスPBS中の3％BSAを700μlの200μlのトリクロロ酢酸（TCA）で（、上下、または細胞画分から）の試料300μlに輸送中のNCからまたはリース。 15分間室温でインキュベートする。一方今回は、ガンマカウンターでこのサンプルの全放射能を測定します。
  4. 劣化したタンパク質または125 I画分（上清）から完全なタンパク質（ペレット）を分離するために、5分間3000×gで遠心分離TCAサンプル。無料の125 I画分の放射能を定量化し、遠心分離前に測定した全放射能からこの値を減算します。これは、劣化していない標識されたタンパク質の量を提供する。

4。ターゲットナノキャリアの経上皮輸送のメカニズム

  1. ラベル以前のセクション3.1に記載されているような、私は125とアルブミンは、7を報告した。

注：アルブミンは66.5であるkDaタンパク質、従って、比較的大きな物質。より大きな物体の受動輸送のための有効な制御（例えば、200nmでのNCは、ここで使用される）ものの、より小さな薬物担体の輸送を研究するときに、より小さな不活性トレーサー分子で置換されるべきである（説明を参照）。

  1. アルブミン傍漏出、上記のようにトランスウェルインサート上で培養されたCaco-2単層を使用して傍細胞輸送を評価する。
  2. 細胞単層上の上部チャンバー媒体に、125 I-アルブミン単独（漏れの基礎レベルを示すネガティブコントロール）、または125 I-アルブミンと非放射性標識された抗体標的NCS（セクション3.5を参照）のいずれかを追加します。 NC輸送をテストするときに検討したものと一致する必要があり、選択した時間間隔（秒）、37℃でインキュベートする。前、間、TEER（セクション2.3）を測定し、示されているようにインキュベートした後、その合計125 Iで無料の125 I測定のためのすべての画分を収集第3節では注意してください：125 I-アルブミンと非放射性標識されたコントロールのIgG NCの併用に加え、コントロールとして使用することができる。
  3. 間接合部を開放するための陽性対照として、トランスウェルインサートの上部及び下部チャンバーに5mMのH 2 O 2を含有する細胞培地を追加し、30分間37℃でインキュベートする。その後、TEER（セクション2.3）を測定し、選択した時間間隔で上室への125 I-アルブミンを追加します。細胞間結合のH 2 O 2誘導性開口によって引き起こさTEER値の減衰を同定するために、インキュベーションを通して様々な時点でTEERを測定する。
  4. 平行実験において、50μMのモノダンシルカダベリン（MDC、クラスリン依存性エンドサイトーシスの阻害剤）のいずれかでコンフルエントのCaco-2単層をインキュベートすることにより、125 Iを標的とNCのもトランスサイトと呼ばれる細胞間輸送を、評価し、1μg/ mlのフィリピン（カベオラの阻害剤媒介性エンドサイトーシス）、0.5μMのwortmann内、または20μMの[5 - （N-エチル-N-イソプロピル）アミロ]（ホスファチジルイノシトール3マクロピノサイトーシスに関与するキナーゼ[PI3K]の阻害剤）（マクロピノサイトーシスとCAMを介したエンドサイトーシス15の阻害剤EIPA）。

注：125 I-NCのIgGを125 I-アルブミンは、これらの阻害剤の効果についてのネガティブコントロールとして使用することができる、他の方法（例えば、siRNAの技術）は、より選択的阻害を提供することができる。

  1. 単層透過性に対する阻害剤の効果のための追加コントロールとして、その間、および阻害剤および放射性標識された物質で細胞をインキュベートした後、前にTEER（セクション2.3）を測定します。

結果

目標とNCの経上皮輸送を研究する私たちの細胞モデルの検証として、 図2は 、Caco-2細胞単層を、合流〜12日目に到達した1.5×10 5細胞/ cm 2の密度でプレートし、18日目までの単層の完全性を維持していることを示していますTEER（ 図2A）で示される。これは、低TEER苦手タイトジャンクション標識（CM 2×17Ω、5日目と比較して高いTEER（CM 2日?...

ディスカッション

上述の方法を用いて、細胞壁を越え標的NCの輸送を研究するための細胞モデルは、このような場合には血液中にGI管腔から輸送を評価することに関連したCaco-2上皮細胞を、示した例のように、確立することができる経口薬物送達システム。トランスウェルインサート中のGI上皮細胞単層の培養は、細胞透過性障壁の形成を確認するために、タイトジャンクショ​​ンのTEERおよび蛍光免疫染色の...

開示事項

著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。

謝辞

この作品は、RGのハワード·ヒューズ医学研究所と国立科学財団のフェローシップでサポートされ、資金は米国国立衛生研究所（助成R01-HL98416）および米国心臓協会（グラント09BGIA2450014）によって、SMに授与されました。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Transwell insertsBD Falcon353095
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM), 1xCellgro10-013-CM
Fetal Bovine Serum (FBS)Cellgro35-015-CV
Pen StrepGibco15140
Human epithelial colorectal adenocarcinoma (Caco-2) cellsATCCHTB-37TM
125IodinePerkin ElmerNEZ033H002MCRadioactive hazard
Phosphate Buffer Saline (PBS)Gibco14190-235
Bovine Serum Albumin (BSA)Equitech BioBAH-66
Paraformaldehyde (16%)Fisher Scientific15710
Mouse Immunoglobulin G (IgG)Jackson ImmunoResearch015-000-003
Mouse monoclonal antibodies to human ICAM-1 (anti-ICAM)Marlin 1987
α-Galactosidase, from green coffee beansSigmaG8507-25UN
FITC latex beads, 100 nmPolysciences, Inc.17150
Triton X-100Sigma234729-500ML
Trichloroacetic acid (TCA)Fisher ScientificSA433-500
Occludin antibody (Y-12), goat polyclonal anti-humanSanta Cruz BiotechnologySc-27151
Monodansylcadaverine (MDC)SigmaD4008
FilipinSigmaF9765
5-(N-ethyl-N-isopropyl) amiloride (EIPA)SigmaA3085
WortmanninSigmaW1628
Gamma counterPerkin ElmerWizard2
Volt-ohm meterWorld Precision InstrumentsEVOM2
TEER electrodesWorld Precision InstrumentsSTX100Electrodes available for different well-plates
Dynamic Light Scattering (DLS)MalvernNano-ZS90

参考文献

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