Name: an intestine/liver microphysiological system for drug pharmacokinetic and toxicological assessment
Uploaded: 2020-12-03T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about An Intestine/Liver Microphysiological System for Drug Pharmacokinetic and Toxicological Assessment at JoVE.com

Vi tackar till Dr Christie Guguen-Guillouzo, Dr Philippe Gripon på Unit 522 INSERM och till Dr Christian Trepo vid Enhet 271 INSERM för användning av det biologiska materialet (Hepa RG celler) och för att göra sedan tillgängliga för oss för att kunna utföra den akademiska forskningen.

1. Produktion av vävnadsekvivalenter för odling i 2-OC
<ol><li>Tunntarmen barriärekvivalent produktion<ol>
<li>Underhålla Caco-2 och HT-29 celler med hjälp av tarmen motsvarande medium: DMEM kompletteras med 10% FBS, 1% penicillin och streptomycin, och 1% icke-essentiella aminosyror, som heter "DMEM S" i detta manuskript.</li>
		<li>Ta bort mediet, tvätta två gånger med 1x DPBS och tillsätt 8 mL av 0,25% Trypsin/EDTA för att dissociate Caco-2 celler som odlas i cellodlingskolvar (175 cm2). Inkubera...

<ol>
	<li>Zhang, D., Luo, G., Ding, X., Lu, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preclinical+experimental+models+of+drug+metabolism+and+disposition+in+drug+discovery+and+development.">Preclinical experimental models of drug metabolism and disposition in drug discovery and development.</a> Acta Pharmaceutica Sinica B. 2 (6), 549-561 (2012).</li><li>Hynds, R. E., Giangreco, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+relevance+of+human+stem+cell-derived+organoid+models+for+epithelial+translational+medicine.">The relevance of human stem cell-derived organoid models for epithelial translational medicine.</a> Stem Cells. 31 (3), 417-422 (2013).</li><li>Sivaraman, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Microscale+In+vitro+Physiological+Model+of+the+Liver:+Predictive+Screens+for+Drug+Metabolism+and+Enzyme+Induction.">A Microscale In vitro Physiological Model of the Liver: Predictive Screens for Drug Metabolism and Enzyme Induction.</a> Current Drug Metabolism. 6 (6), 569-591 (2005).</li><li>Dehne, E. M., Hasenberg, T., Marx, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+ascendance+of+microphysiological+systems+to+solve+the+drug+testing+dilemma.">The ascendance of microphysiological systems to solve the drug testing dilemma.</a> Future Science OA. 3 (2), 185 (2017).</li><li>Oleaga, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-Organ+toxicity+demonstration+in+a+functional+human+in+vitro+system+composed+of+four+organs.">Multi-Organ toxicity demonstration in a functional human in vitro system composed of four organs.</a> Scientific Reports. 6, 20030 (2016).</li><li>Maschmeyer, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+four-organ-chip+for+interconnected+long-term+co-culture+of+human+intestine,+liver,+skin+and+kidney+equivalents.">A four-organ-chip for interconnected long-term co-culture of human intestine, liver, skin and kidney equivalents.</a> Lab Chip. 15 (12), 2688-2699 (2015).</li><li>Esch, M. B., Mahler, G. J., Stokol, T., Shuler, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Body-on-a-chip+simulation+with+gastrointestinal+tract+and+liver+tissues+suggests+that+ingested+nanoparticles+have+the+potential+to+cause+liver+injury.">Body-on-a-chip simulation with gastrointestinal tract and liver tissues suggests that ingested nanoparticles have the potential to cause liver injury.</a> Lab Chip. 14 (16), 3081-3092 (2014).</li><li>Materne, E. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Multi-organ+Chip+-+A+Microfluidic+Platform+for+Long-term+Multi-tissue+Coculture.">The Multi-organ Chip - A Microfluidic Platform for Long-term Multi-tissue Coculture.</a> Journal of Visualized Experiments. , e52526 (2015).</li><li>Esch, M. B., Ueno, H., Applegate, D. R., Shuler, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modular,+pumpless+body-on-a-chip+platform+for+the+co-culture+of+GI+tract+epithelium+and+3D+primary+liver+tissue.">Modular, pumpless body-on-a-chip platform for the co-culture of GI tract epithelium and 3D primary liver tissue.</a> Lab Chip. 16 (14), 2719-2729 (2016).</li><li>Sung, J. H., Kam, C., Shuler, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+microfluidic+device+for+a+pharmacokinetic&#8211;pharmacodynamic+(PK-PD)+model+on+a+chip.">A microfluidic device for a pharmacokinetic&#8211;pharmacodynamic (PK-PD) model on a chip.</a> Lab on a Chip. 10 (4), 446-455 (2010).</li><li>Viravaidya, K., Sin, A., Shuler, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+Microscale+Cell+Culture+Analog+to+Probe+Naphthalene+Toxicity.">Development of a Microscale Cell Culture Analog to Probe Naphthalene Toxicity.</a> Biotechnology Progress. 20 (1), 316-323 (2004).</li><li>Sin, A., Chin, K. C., Jamil, M. F., Kostov, Y., Rao, G., Shuler, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Design+and+Fabrication+of+Three-Chamber+Microscale+Cell+Culture+Analog+Devices+with+Integrated+Dissolved+Oxygen+Sensors.">The Design and Fabrication of Three-Chamber Microscale Cell Culture Analog Devices with Integrated Dissolved Oxygen Sensors.</a> Biotechnology Progress. 20 (1), 338-345 (2004).</li><li>Tsamandouras, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrated+Gut+and+Liver+Microphysiological+Systems+for+Quantitative+In+vitro+Pharmacokinetic+Studies.">Integrated Gut and Liver Microphysiological Systems for Quantitative In vitro Pharmacokinetic Studies.</a> The AAPS Journal. 19 (5), 1499-1512 (2017).</li><li>Graham, G. G., Davies, M. J., Day, R. O., Mohamudally, A., Scott, K. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+modern+pharmacology+of+paracetamol:+Therapeutic+actions,+mechanism+of+action,+metabolism,+toxicity+and+recent+pharmacological+findings.">The modern pharmacology of paracetamol: Therapeutic actions, mechanism of action, metabolism, toxicity and recent pharmacological findings.</a> Inflammopharmacology. 21 (3), 201-232 (2013).</li><li>Hodgman, M. J., Garrard, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Review+of+Acetaminophen+Poisoning.">A Review of Acetaminophen Poisoning.</a> Critical Care Clinics. 28 (4), 499-516 (2012).</li><li>Maschmeyer, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chip-based+human+liver-intestine+and+liver-skin+co-cultures+-+A+first+step+toward+systemic+repeated+dose+substance+testing+in+vitro.">Chip-based human liver-intestine and liver-skin co-cultures - A first step toward systemic repeated dose substance testing in vitro.</a> European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 95, 77-87 (2015).</li><li>Bessems, J. G. M., Vermeulen, N. P. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Paracetamol+(acetaminophen)-induced+toxicity:+Molecular+and+biochemical+mechanisms,+analogues+and+protective+approaches.">Paracetamol (acetaminophen)-induced toxicity: Molecular and biochemical mechanisms, analogues and protective approaches.</a> Critical Reviews in Toxicology. 31 (1), 55-138 (2001).</li><li>Hirt, M. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increased+afterload+induces+pathological+cardiac+hypertrophy:+A+new+in+vitro+model.">Increased afterload induces pathological cardiac hypertrophy: A new in vitro model.</a> Basic Research in Cardiology. 107 (6), 307 (2012).</li><li>Fink, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+stretch+of+engineered+heart+tissue+induces+hypertrophy+and+functional+improvement.">Chronic stretch of engineered heart tissue induces hypertrophy and functional improvement.</a> The FASEB journal official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology. 14 (5), 669-679 (2000).</li><li>Zhang, B., Peticone, C., Murthy, S. K., Radisic, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+standalone+perfusion+platform+for+drug+testing+and+target+validation+in+micro-vessel+networks.">A standalone perfusion platform for drug testing and target validation in micro-vessel networks.</a> Biomicrofluidics. 7 (4), 044125 (2013).</li><li>Ara&#250;jo, F., Sarmento, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+the+characterization+of+an+in+vitro+triple+co-culture+intestine+cell+model+for+permeability+studies.">Towards the characterization of an in vitro triple co-culture intestine cell model for permeability studies.</a> International Journal of Pharmaceutics. 458 (1), 128-134 (2013).</li><li>Cadena-Herrera, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Validation+of+three+viable-cell+counting+methods:+Manual,+semi-automated,+and+automated.">Validation of three viable-cell counting methods: Manual, semi-automated, and automated.</a> Biotechnology Reports. 7, 9-16 (2015).</li><li>Gripon, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Infection+of+a+human+hepatoma+cell+line+by+hepatitis+B+virus.">Infection of a human hepatoma cell line by hepatitis B virus.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (24), 15655-15660 (2002).</li><li>Guillouzo, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+human+hepatoma+HepaRG+cells:+A+highly+differentiated+model+for+studies+of+liver+metabolism+and+toxicity+of+xenobiotics.">The human hepatoma HepaRG cells: A highly differentiated model for studies of liver metabolism and toxicity of xenobiotics.</a> Chemico-Biological Interactions. 168 (1), 66-73 (2007).</li><li>Wagner, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+dynamic+multi-organ-chip+for+long-term+cultivation+and+substance+testing+proven+by+3D+human+liver+and+skin+tissue+co-culture.">A dynamic multi-organ-chip for long-term cultivation and substance testing proven by 3D human liver and skin tissue co-culture.</a> Lab on a Chip. 13 (18), 3538-3547 (2013).</li><li>Forrest, J. A. H., Clements, J. A., Prescott, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinical+Pharmacokinetics+of+Paracetamol.">Clinical Pharmacokinetics of Paracetamol.</a> Clinical Pharmacokinetics. 7 (2), 93-107 (1982).</li><li>Dollery, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Therapeutic Drugs. , (1999).</li><li>Shah, V. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioanalytical+method+validation-a+revisit+with+a+decade+of+progress.">Bioanalytical method validation-a revisit with a decade of progress.</a> Pharmaceutical research. 17 (12), 1551-1557 (2000).</li><li>Marin, T. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shp2+negatively+regulates+growth+in+cardiomyocytes+by+controlling+focal+adhesion+kinase/src+and+mTOR+pathways.">Shp2 negatively regulates growth in cardiomyocytes by controlling focal adhesion kinase/src and mTOR pathways.</a> Circulation Research. 103 (8), 813-824 (2008).</li><li>Linkert, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metadata+matters:+Access+to+image+data+in+the+real+world.">Metadata matters: Access to image data in the real world.</a> Journal of Cell Biology. 189 (5), 777-782 (2010).</li><li>OECD. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=OECD+TG+491+-+Short+Time+Exposure+In+vitro+Test+Method+for+Identifying+i)+Chemicals+Inducing+Serious+Eye+Damage+and+ii)+Chemicals+Not+Requiring+Classification+for+Eye+Irritation+or+Serious+Eye+Damage.">OECD TG 491 - Short Time Exposure In vitro Test Method for Identifying i) Chemicals Inducing Serious Eye Damage and ii) Chemicals Not Requiring Classification for Eye Irritation or Serious Eye Damage.</a> OECD. 14, (2018).</li><li>Fernandes, M. B., Gon&#231;alves, J. E., Tavares, L. C., Storpirtis, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Caco-2+cells+permeability+evaluation+of+nifuroxazide+derivatives+with+potential+activity+against+methicillin-resistant+Staphylococcus+aureus+(MRSA).">Caco-2 cells permeability evaluation of nifuroxazide derivatives with potential activity against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA).</a> Drug Development and Industrial Pharmacy. 41 (7), 1066-1072 (2015).</li><li>OECD. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=OECD+TG+492+-+Reconstructed+human+Cornea-like+Epithelium+(RhCE)+test+method+for+identifying+chemicals+not+requiring+classification+and+labelling+for+eye+irritation+or+serious+eye+damage.">OECD TG 492 - Reconstructed human Cornea-like Epithelium (RhCE) test method for identifying chemicals not requiring classification and labelling for eye irritation or serious eye damage.</a> OECD. 35, (2018).</li><li>OECD, O. E. C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=OECD+TG+431+-+In+vitro+skin+corrosion:+reconstructed+human+epidermis+(RHE)+test+method.">OECD TG 431 - In vitro skin corrosion: reconstructed human epidermis (RHE) test method.</a> OECD. 8, (2016).</li><li>OECD. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=OECD+TG+439+-+In+vitro+Skin+Irritation:+Reconstructed+Human+Epidermis+Test+Method.">OECD TG 439 - In vitro Skin Irritation: Reconstructed Human Epidermis Test Method.</a> OECD. 21, (2015).</li><li>Marin, T. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acetaminophen+absorption+and+metabolism+in+an+intestine/liver+microphysiological+system.">Acetaminophen absorption and metabolism in an intestine/liver microphysiological system.</a> Chemico-Biological Interactions. 299, 59-76 (2019).</li><li>Maass, C., Stokes, C. L., Griffith, L. G., Cirit, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-functional+scaling+methodology+for+translational+pharmacokinetic+and+pharmacodynamic+applications+using+integrated+microphysiological+systems+(MPS).">Multi-functional scaling methodology for translational pharmacokinetic and pharmacodynamic applications using integrated microphysiological systems (MPS).</a> Integrative Biology (United Kingdom). 9 (4), 290-302 (2017).</li><li>Sung, J. H., Wang, Y., Shuler, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strategies+for+using+mathematical+modeling+approaches+to+design+and+interpret+multi-organ+microphysiological+systems+(MPS).">Strategies for using mathematical modeling approaches to design and interpret multi-organ microphysiological systems (MPS).</a> APL Bioengineering. 3 (2), 021501 (2019).</li></ol>

Den exakta och tillförlitliga bedömningen av de undersökande nya läkemedlens farmakologiska egenskaper är avgörande för att minska risken i följande utvecklingssteg. MPS är en relativt ny teknik, som syftar till att förbättra den prediktiva kraften och minska kostnaderna och tiden med prekliniska tester. Vår grupp avancerar i bedömningen av farmakokinetiska och toxikologiska egenskaper som främst behövs för blyoptimering. Vi arbetade med 2-OC mikrofluidiska enheten, som har två kammare, vilket möjliggö...

På grund av genomiska och proteomiska skillnader har djurmodeller begränsat prediktivt värde för flera mänskliga resultat. Dessutom är de tidskrävande, dyra och etiskt tvivelaktiga1. MPS är en relativt ny teknik som syftar till att förbättra den prediktiva kraften och minska kostnaderna och tiden med prekliniska tester. De är mikrofluidiska enheter odla organoider (artificiella mimetics funktionella enheter av organ) under media flöde som främjar organoid-organoid kommunikation. Organoider gjorda av mänskliga celler ökar translationell relevans2,3,4. MPS förväntas prestera bättre än djurförsöken eftersom de är genetiskt mänskliga och rekapitulera samspelet mellan vävnader. När det är fullt fungerande kommer MPS att ge mer meningsfulla resultat, med högre hastighet och lägre kostnader och risker4. Många grupper utvecklar MPS för flera ändamål, särskilt sjukdomsmodeller för att pröva läkemedlets effekt.
Exponeringsnivån är en av de mest kritiska parametrarna för utvärdering av läkemedelseffekt och toxicitet5,6,7,8,9,10,11,12. MPS tillåter organoid integration som emulerar systemisk exponering och förväntas prestera bättre än den traditionella 2D mänskliga vävnaden kultur. Denna teknik kan avsevärt förbättra förutsägelsen av sammansatta intestinal absorption och levermetabolism4.
En MPS integrera mänskliga motsvarande modell av tarmen och levern är en bra utgångspunkt, med tanke på den centrala roll som dessa två organ i läkemedelsbiotillgänglighet och systemisk exponering13,14,15. APAP är ett attraktivt läkemedel för att studera en MPS utan en njure motsvarande eftersom dess metabolisering sker främst avlevern 16,17.
Den 2-OC är en två-kammare mikrofluidisk enhet som lämpar sig för kultur av två olika mänskliga motsvarande vävnader / organoider sammankopplade med mikrokanaler16. För att efterlikna en in vitro human oral/intravenös administrering av ett läkemedel och bedöma effekterna av korspratet mellan tarm- och leverekvivalenter på APAP-farmakokinetik, förutom de organoider funktionalitet och livskraft, tre olika MPS församlingar utfördes: (1) en "Tarmen 2-OC MPS" som består av en tarmen motsvarande baserad i en kultur infoga innehåller en Caco-2 + HT-29 celler kokultur, integreras i 2-OC enheten; (2) en "Lever 2-OC MPS" som består av lever sfäroider gjorda av HepaRG + HHSteC (Human Hepatic Stellate Cells) integrerade i 2-OC enheten; och (3) en "Inälva/Lever 2-OC MPS" som består av tarmen motsvarande i en enhet fack kommunicera med levern motsvarande i den andra av media flödet genom mikrofluidiska kanaler.
Alla analyser utfördes under statiska (inget flöde) och dynamiska (med flöde) förhållanden på grund av inverkan av de mekaniska stimuli (kompression, sträckning, och skjuvning) på cellen livskraftoch funktionaliteter 18,19,20. Den föreliggande artikeln beskriver protokollet för APAP oral/intravenös administreringsemulering och respektive absorption/metabolism och toxikologiska analyser i 2-OC MPS som innehåller humana tarm- och leverekvivalenter modeller.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>1x DPBS</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>14190235</td>
			<td>No calcium, no magnesium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-OC</td>
			<td>TissUse GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Two-organ chip</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>384-well Spheroid Microplate</td>
			<td>Corning</td>
			<td>3830</td>
			<td>Black/Clear, Round Bottom, Ultra-Low Attachment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4% Paraformaldehyde</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Use to fix cell</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetaminophen</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>A7085</td>
			<td>Use to MPS assays</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetonitrile</td>
			<td>Tedia</td>
			<td></td>
			<td>Used to perform HPLC</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alexa Fluor 647 phalloidin</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td>confocal experiment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium acetate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td>Used to perform HPLC</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Caco-2 cells</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>86010202</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cacodylate buffer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cell culture flasks</td>
			<td>Sarstedt</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Confocal Fluorescence microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td>DMI6000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cryostat</td>
			<td>Leica</td>
			<td>CM1950</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM high glucose</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>12800017</td>
			<td>Add supplements: 10% fetal bovine serum, 100 units per mL penicillin, 100 &#181;g/mL streptomycin, and 1% non-essential amino acids</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMSO</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>D4540</td>
			<td>Add 2% to HepaRG media</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Synth</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal Bovine Serum</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>12657029</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Freezing medium OCT</td>
			<td>Tissue-Tek</td>
			<td></td>
			<td>Tissue-Tek&#174; O.C.T.&#8482; Compound is a formulation of watersoluble glycols and resins, providing a convenient specimen matrix for cryostat sectioning at temperatures of -10&#176;C and below.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hematoxylin &#38; Eosin</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HepaRG cells</td>
			<td>Biopredic International</td>
			<td>HPR101</td>
			<td>Undifferentiated cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HHSTeC</td>
			<td>ScienCell Research Laboratories</td>
			<td>5300</td>
			<td>Cells and all culture supplements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hoechst 33342</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>HCA experiments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HT-29 cells</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>85061109</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Human Insulin</td>
			<td>Invitrogen - Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>12585014</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrocortisone</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>H0888</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isopropanol</td>
			<td>Merck</td>
			<td>278475</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Karnovsky&#8217;s fixative</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L-glutamine</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>A2916801</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Luna C18 guard column SS</td>
			<td>Phenomenex</td>
			<td></td>
			<td>Used to perform HPLC</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td>DMi4000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microtome</td>
			<td>Leica</td>
			<td>RM2245</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Millicell 0.4 &#181;m pore size inserts</td>
			<td>Merck</td>
			<td>PIHP01250</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Millicell ERS-2 meter</td>
			<td>Merck</td>
			<td>MERS00002</td>
			<td>Used to TEER measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MitoTracker Deep Red</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>HCA experiments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MTT</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>M6494</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MX3000P system</td>
			<td>Agilent Technologies</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neubauer chamber</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Counting cells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Operetta High Content Imaging System</td>
			<td>Perkin Elmer</td>
			<td></td>
			<td>Used to perform HCA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P450-Glo CYP3A4 Assay with Luciferin-IPA</td>
			<td>Promega</td>
			<td>Cat.# V9001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Penicillin/Streptomycin</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>15070063</td>
			<td>Cell culture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Permount</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td>Histology</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Primers</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>RT-qPCR</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PVDF membrane</td>
			<td>BioRad</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PVDF Syringe filter</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>0.22 &#956;m pore size</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reversed-phase Luna C18 column</td>
			<td>Phenomenex</td>
			<td></td>
			<td>Used to perform HPLC</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shaker (IKA VXR Basic Vibrax)</td>
			<td>IKA Works GmbH &#38; Co</td>
			<td>2819000</td>
			<td>Used for spheroids to improve MTT assay</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stellate Cell Media (STeC CM)</td>
			<td>ScienCell</td>
			<td>5301</td>
			<td>Add STeC CM supplements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SuperScriptIITM Reverse Transcriptase</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SYBR Green PCR Master Mix</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TRizol TM reagent</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td>Trizol is a monophasic solution of phenol and guanidine isothiocyanate.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypsin/EDTA solution</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>R001100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultra-low-attachment plates</td>
			<td>Corning</td>
			<td>CLS3471-24EA</td>
			<td>6 wells</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vectashield plus DAPI mounting media</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>White Opaque 96-well Microplate</td>
			<td>PerkinHelmer</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wide-bore tips</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Williams E</td>
			<td>Pan Biotech</td>
			<td>P04-29510</td>
			<td>Add supplements: 10% fetal bovine serum, 2 mM L-glutamine, 100 units per ml penicillin, 100 &#181;g/mL streptomycin and 5 &#181;g/mL human insulin</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an intestine/liver microphysiological system for drug pharmacokinetic and toxicological assessment

De nyligen introducerade mikrofysiologiska system (MPS) odla mänskliga organoider förväntas prestera bättre än djur i prekliniska tester fasen av läkemedel utveckla processen eftersom de är genetiskt mänskliga och rekapitulera samspelet mellan vävnader. I denna studie, den mänskliga intestinal barriär (emuleras av en co-kultur av Caco-2 och HT-29 celler) och levern motsvarande (emuleras av sfäroider gjorda av differentierade HepaRG celler och mänskliga hepatic stellate celler) integrerades i en två-organ chip (2-OC) mikrofluidisk enhet för att bedöma vissa paracetamol (APAP) farmakokinetiska (PK) och toxiska egenskaper. MPS hade tre församlingar: Tarmen endast 2-OC, Lever endast 2-OC, och Tarmen/Levern 2-OC med samma media perfusing båda organoider. För PK bedömningar doserade vi APAP i media vid förinställda tidpunkter efter att ha administrerat den antingen över tarmbarriären (efterlikna den orala vägen) eller i media (efterlikna intravenös väg), vid 12 μM och 2 μM respektive. Medierna prover analyserades av reversed-fas högtrycks vätskekromatografi (HPLC). Organoider analyserades för genuttryck, för TEER-värden, för proteinuttryck och aktivitet och samlades sedan in, fixade och skickades till en uppsättning morfologiska utvärderingar. MTT-tekniken presterade väl vid bedömningen av den organoida livskraften, men analyserna med högt innehåll (HCA) kunde upptäcka mycket tidiga toxiska händelser som svar på APAP-behandling. Vi kontrollerade att medieflödet inte väsentligt påverkar APAP absorptionen medan det avsevärt förbättrar levern motsvarande funktionalitet. APAP mänskliga intestinal absorption och levermetabolism kan efterliknas i MPS. Associationen mellan MPS-data och in silico-modellering har stor potential att förbättra förutsägbarheten för in vitro-metoderna och ge bättre noggrannhet än djurmodeller i farmakokinetiska och toxikologiska studier.

För att utföra PK APAP-testerna i 2-OC MPS är det första steget att tillverka människans tarm- och leverekvivalenter (organoider). De är integrerade i 2-OC mikrofluidiska enheten (Bild 1A) 24 h före start av PK APAP-analysen. Nästa dag ändras mediet, och modellen utsätts för APAP. Bild 1 illustrerar tarmen och leverekvivalenter som placeras inuti 2-OC-enheten (Bild 1B) och APAP PK-experimenttidskursen (<strong class="xfig...

Watch this Scientific Journal Video about An Intestine/Liver Microphysiological System for Drug Pharmacokinetic and Toxicological Assessment at JoVE.com

An Intestine/Liver Microphysiological System for Drug Pharmacokinetic and Toxicological Assessment

Vi utsatt ett microphysiological system (MPS) med tarmen och lever organoider till paracetamol (APAP). Den här artikeln beskriver metoderna för organoid produktion och APAP farmakokinetiska och toxikologiska egendom bedömningar i MPS. Den beskriver också de vävnadsfunktionsanalyser som är nödvändiga för att validera resultaten.

En tarm/lever Microphysiological System för Drug Farmakokinetiska och Toxikologiska Bedömning

The recently introduced microphysiological systems (MPS) cultivating human organoids are expected to perform better than animals in the preclinical tests ...

Mikrofysiologiska system har förmågan att efterlikna farmakokinetiska och den toxikologiska responsen i människokroppen till specifika behandlingar av intressen. Mikrofysiologiska system har potential att ersätta djurförsök eftersom användningen av dem kan förbättra den prediktiva kraften i in vitro-metoder och minska kostnaden och tiden för farmakokinetiska och toxikologiska studier. 24 timmar före administrering av testämnet, dela en 800 mikroliter alikvot av William ES-medium mellan de större och mindre facken i de två orgelchipsen, och aspirera det basolaterala och apikala mediet från varje tarmbarriärekvivalent i de beredda 24 brunnsplattorna.Med hjälp av sterila tlyck, integrera ett skär per två orgel chip krets i större fack och lägga 200 mikroliter av DMEMS till den apikala sidan. Med hjälp av breda borrspetsar, integrera 20 leverekvivalenter per krets i det mindre facket i de två orgelchip och anslut systemet till styrenheten. Anslut sedan styrenheten till en trycksatt lufttillförsel och ställ in trycket på ungefär plus eller minus 300 stänger och en pumpfrekvens på 0,3 Hertz.Nästa dag späda beståndet acetaminophen lösning till en 12 mikromolar koncentration. För att ersätta mediet i systemet aspirerar du de basolaterala och apikala medierna från tarmbarriärens motsvarighet i de två orgelchipsen och lägger till 500 mikroliter av färskt lämpligt odlingsmedium i det stora kupén vid den organoida basolaterala sidan och 300 mikroliter till det lilla facket. Efter kontroll av bubblor, emulera oral administrering med tillägg av 200 mikroliter av en 12 mikromolarcetamol lösning på den apikala sidan av tarmkulturen skär och ansluta det mikrofysiologiska systemet till styrenheten.Samla den totala volymen från både de intestinala apikala och basolaterala sidorna, samt från det lilla kupén i tre exemplar vid de angivna tidpunkterna. När alla prover har samlats in, ställ in alla relevanta parametrar för HPLC-analysen enligt vad som anges i tabellen och filtrera den mobila fasen genom ett 0,4 mikronmembranfilter under vakuum. Filtrera sedan proverna genom ett PVDF-sprutfilter med 0,22 mikron-porstorlek och förvara proverna i en injektionsflaska innan HPLC UV-mätning påbörjas.För att bedöma den organoida livskraften, överför alla 20 sfäroider från varje replikat till enskilda brunnar av en 96 brunnsplatta och överför cellodlingsinläggen till enskilda brunnar av en 24 brunnsplatta. Tvätta vävnadsekvivalenterna tre gånger med färska DPBS per tvätt och tillsätt 300 mikroliter av en ett milligram per milliliter MTT-lösning till varje experimentell brunn. Efter en tre timmars inkubering i inkubatorn för cellodling, byt ut MTT-lösningen med 200 mikroliter isopropanol per brunn för en inkubation över natten vid fyra grader Celsius för att extrahera MTT formazan från tarmen och leverekvivalenter.Nästa morgon, överför 200 mikroliter av varje supernatant till lämplig brunn i 96 brunnsplattan och läs formazan på en tallriksläsare vid 570 nanometer för att möjliggöra beräkning av cellernas relativa förmåga att minska MTT med hjälp av den genomsnittliga optiska densiteten för varje tidspunkt jämfört med den negativa kontrollen. För cytokemisk och histologisk analys av proverna, först fixera tarmen och levern motsvarigheter i 4%paraformaldehyd i 0,1 molar PBS för 25 minuter vid rumstemperatur. Vid slutet av inkubationen, tvätta organoiderna fem gånger i PBS i 10 minuter per tvätt, innan färgning av tarm- och leverekvivalenter med tetrametylrhodamin isothiocyanate phalloidin Alexa Fluor 647 phalloidin i en timme vid rumstemperatur.Vid slutet av inkubationen överför du proverna till frysmedium i några minuter innan du snäpper ned på fryser vävnaderna i flytande kväve. Därefter använder en kryostat att förvärva 10 till 12 micron tjock lever sfäroid kryo-sektioner och montera vävnad sektioner i monteringsmedium med DAPI för bildbehandling av confocal fluorescensmikroskopi. För mitokondriell och nukleär färgning, helt täcka proverna med mitokondriell färgning lösning för en 15 till 45 minuters inkubation vid 37 grader Celsius i en befuktad atmosfär med 5%koldioxid.Vid inkubationens ska infärgningslösningen bytas ut försiktigt mot 2 till 4%paraformaldehyd i PBS i 15 minuter vid rumstemperatur. Efter fixering, skölj försiktigt cellerna två gånger med färsk PBS i fem minuter per tvätt innan du märker proverna med nukleinsyrafärgning arbetslösning i 10 minuter i rumstemperatur. Vid slutet av inkubationen, tvätta proverna med tre, fem minuters tvättar i PBS skyddad från ljus, och använd nukleinsyra fläcken för att underlätta kvantifiering av antalet mitokondriellt fläck uttrycker celler på ett fluorescerande mikroskop med lämpliga filteruppsättningar.Integrera den mänskliga tarmbarriären och en lever motsvarande i en två organ chip mikrofluidisk enhet möjliggör bedömning av de farmakokinetiska och toxikologiska egenskaperna hos behandlingar av intresse. Efter behandling kan mediaproverna analyseras av HPLC. De organoider kan analyseras för deras genuttryck, trans-epitelial elektriska motstånd värden, och protein uttryck och aktivitet, samt för deras morfologiska egenskaper.MTT-analys kan utföras för att bedöma organoid viability, samt att upptäcka mycket tidiga toxiska händelser som svar på acetaminophen behandling. Medieflödet påverkar inte väsentligt paracetamol absorption, medan det avsevärt förbättrar leverns likvärdig funktionalitet, vilket indikerar att human intestinal paracetamol absorption och levermetabolism kan emuleras i detta mikrofysiologiska system. Mikrofysiologiska system har potential att ersätta djurmodeller i läkemedelsutveckling och upptäckt eftersom de bättre efterliknar människans fysiologi och kan användas för att främja läkemedelsutveckling med högre hastighet och lägre kostnad för risk och komplexitet.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Pharmacology

Chemistry

Unit 1

Pharmacokinetics

SCIENTISTS IN ACTION

Preparation and Characterization of SDF-1&#945;-Chitosan-Dextran Sulfate Nanoparticles

Preparation and Characterization of SDF-1ÃƒÅ½Ã‚Â±-Chitosan-Dextran Sulfate Nanoparticles

Beredning och karakterisering av SDF-1α-Chitosan-Dextransulfat Nanopartiklar

Chitosan (CS) and dextran sulfate (DS) are charged polysaccharides (glycans), which form polyelectrolyte complex-based nanoparticles when mixed under ...

Preparation and Characterization of Individual and Multi-drug Loaded Physically Entrapped Polymeric Micelles

Framställning och karakterisering av individuell och Multi-läkemedelsladdade Fysiskt Instängd polymera miceller

Amphiphilic block copolymers like polyethyleneglycol-block-polylactic acid (PEG-b-PLA) can self-assemble into micelles above their critical micellar ...

Protocol for the Synthesis of Ortho-trifluoromethoxylated Aniline Derivatives

Protocol for the Synthesis of Ortho-trifluoromethoxylated Aniline Derivatives

Protokoll för syntes av<em&gt; Ortho</em&gt; -trifluoromethoxylated anilinderivat

Molecules bearing trifluoromethoxy (OCF3) group often show desired pharmacological and biological properties. However, facile synthesis of ...

PTR-ToF-MS Coupled with an Automated Sampling System and Tailored Data Analysis for Food Studies: Bioprocess Monitoring, Screening and Nose-space Analysis

PTR-ToF-MS kombinerat med ett automatiserat provtagningssystem och skräddarsydd dataanalys för livsmedelsstudier: Bioprocess Monitoring, Screening och Nose-Space Analysis

Proton Transfer Reaction (PTR), combined with a Time-of-Flight (ToF) Mass Spectrometer (MS) is an analytical approach based on chemical ionization that ...

An Aptamer-based Sensor for Unchelated Gadolinium(III)

An Aptamer-based Sensor for Unchelated GadoliniumIII

En aptamer-baserad sensor för Unchelated gadolinium (III)

A method for determining the presence of unchelated trivalent gadolinium ion (Gd3+) in aqueous solution is demonstrated. Gd3+ is often present in samples ...

Real-time Breath Analysis by Using Secondary Nanoelectrospray Ionization Coupled to High Resolution Mass Spectrometry

Realtid andedräkt analys med hjälp av sekundära Nanoelectrospray jonisering kopplat till hög upplösning masspektrometri

Exhaled volatile organic compounds (VOCs) have aroused considerable interest, since they can serve as biomarkers for disease diagnosis and environmental ...

An Engineered Split-TET2 Enzyme for Chemical-inducible DNA Hydroxymethylation and Epigenetic Remodeling

En konstruerad Split-TET2 enzym för kemisk-inducerbara DNA Hydroxymethylation och epigenetiska Remodeling

DNA methylation is a stable and heritable epigenetic modification in the mammalian genome and is involved in regulating gene expression to control ...

Generation of Electronic Cigarette Aerosol by a Third-Generation Machine-Vaping Device: Application to Toxicological Studies

Generation av elektronisk cigarett Aerosol av en tredje generationens maskin-Vaping enhet: ansökan till toxikologiska studier

Electronic-cigarette (e-cig) devices use heat to produce an inhalable aerosol from a liquid (e-liquid) composed mainly of humectants, nicotine, and ...

High-throughput and Comprehensive Drug Surveillance Using Multisegment Injection-Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry

Hög genomströmning och omfattande drog övervakning med Multisegment injektion-kapillär elektrofores masspektrometri

New analytical methods are urgently needed to enable high-throughput, yet comprehensive drug screening, given an alarming opioid and prescription drug ...

An Electrochemical Cholesteric Liquid Crystalline Device for Quick and Low-Voltage Color Modulation

En elektrokemisk Cholesteric flytande kristallin anordning för snabb och låg spänning färg modulering

We demonstrate a method for fabricating a prototype reflective display device that contains cholesteric liquid crystal (LC) as an active component. The ...