利用人iPSC来源的神经元-星形胶质细胞共培养体系进行三维生物打印以用于筛选应用
2023年9月29日
本文介绍了一种利用诱导多能干细胞（iPSC）来源的神经元和星形胶质细胞进行三维生物打印共培养的实验方案。该共培养模型在96孔或384孔板中的水凝胶支架内构建，打印后细胞存活率高，7天内可见明显的神经突生长，并表达两种细胞类型的成熟标志物。
三维细胞建模是一个新兴领域，过去十年中已呈指数级扩展。研究表明，这些模型不仅能够促进神经元生长，还能更准确地模拟疾病表型。然而，我们认为，该领域正朝着更高通量的方向发展，迫切需要在研发过程中引入自动化技术。
传统的3D培养方法在建立过程中可能费力且耗时，而3D生物打印技术可用于放大这些开发流程。该技术能够高效地创建数百个完全相同的模型，且避免人为误差。本方案通过在生物活性水凝胶基质中进行三维培养神经细胞，从而构建出复杂的细胞培养体系。
但至关重要的是，本方案优先考虑模型开发的速度和便捷性，而这些方面在此领域中往往不足，并可能阻碍其在工业界的应用。本方案定义了一种高效建立多种三维共培养体系的方法，且对用户操作的要求极低。我们希望这将消除在高通量检测中使用复杂细胞培养模型的障碍，并促进进一步研究三维培养对神经细胞类型的影响。
概述
本研究介绍了一种在水凝胶支架内高效制备由诱导多能干细胞（iPSC）来源的神经元与星形胶质细胞共培养的3D生物打印方案。所建立的模型可在96孔或384孔板格式中运行，打印后细胞存活率高，并在七天内表现出明显的神经突生长，同时两种细胞均表达成熟标志物。该方法旨在提高3D细胞培养系统的通量与自动化水平。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 细胞生物学
- 生物技术
背景
- 三维细胞建模技术已迅速发展，能够更准确地表征疾病表型。
- 传统的三维培养方法通常耗时耗力，且操作繁琐。
- 三维生物打印技术通过自动化和规模化构建复杂培养体系，为上述问题提供了有效解决方案。
- 该技术可快速生成大量完全相同的模型，显著降低人为操作误差。
研究目的
- 建立一种高通量的三维神经细胞共培养实验方案。
- 提高神经科学研究中模型构建的速度与便捷性。
- 促进对三维培养环境对不同类型神经细胞影响的进一步研究。
使用的方法
- 该平台利用3D生物打印技术在水凝胶基质内构建共培养体系。
- 该生物模型包含由诱导多能干细胞（iPSC）分化而来的神经元和星形胶质细胞，并在可控的3D环境中培养。
- 本实验方案强调高效建立共培养体系，且所需人工干预极少。
- 关键时间节点包括在七天内评估细胞活力和神经突生长情况。
- 采用水凝胶支架以维持细胞的结构完整性和功能活性。
主要结果
- 共培养模型在打印后表现出较高的细胞活力，并在七天内出现显著的神经突生长。
- 两种细胞类型均表现出成熟标志物的表达，表明发育成功。
- 模型的快速构建有助于更高效的研究应用及进一步测试。
- 结论强调了该方案在克服复杂细胞培养模型现有障碍方面的潜力。
结论
- 该研究展示了一种在神经科学研究中开发可扩展三维共培养系统的新方法。
- 这一进展可能对神经研究领域高通量检测的未来发展产生重大影响。
- 通过使用三维培养获得的见解，有望加深对神经机制和可塑性的理解。
常见问题
行业重要性概要
利用人源iPSC衍生的神经元-星形胶质细胞共培养体系进行三维生物打印，满足了神经科学药物研发中对可规模化、生理相关性高的模型的迫切需求。该平台能够快速、标准化地构建适用于中高通量筛选的复杂神经体系，直接支持早期靶点验证和检测方法开发。通过克服通量和可重复性方面的障碍，该技术提升了神经治疗研发管线中的预测可靠性及项目决策能力。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 能够在生理学相关的三维环境中验证神经通路假说。
- 通过规模化模拟神经元-星形胶质细胞相互作用，支持功能性靶点的验证。
- 借助标准化、可重复的共培养系统，实现可预测性的风险评估与降低。
筛选与检测方法开发
- 提供适用于96孔和384孔板筛选工作流程的均一3D神经模型。
- 支持对化合物进行评估的定量检测读数，如神经突生长和细胞活力。
- 实现检测方法的标准化和可扩展性，减少人工操作差异并提高通量。
转化与临床前研究
- 为转化生物标志物的探索提供与疾病相关的神经微环境。
- 通过模拟人类神经生理学，保持从发现到临床前验证的连续性。
- 通过提高早期筛选的生物学相关性，降低后期研发失败的风险。
流程与工作流整合
该3D生物打印方案可融入从发现到先导物识别的连续流程，实现神经模型的快速构建，用于早期筛选和机制研究。
- 发现生物学：在与人类相关的神经系统中支持假设验证和通路阐明。
- 筛选：提供可重复的定量结果，用于化合物的初筛与优先级排序。
- 分析：能够测量细胞活力、神经突生长及标志物表达，以进行比较分析。
- 转化研究：通过建立三维神经元-星形胶质细胞相互作用模型，与生物标志物研究策略相契合。
- 企业级复用：提供可扩展、标准化的平台，适用于各类神经科学研发项目。
运营与企业影响
- 科学价值：提高神经靶点验证的预测可信度，降低机制上的模糊性。
- 操作价值：采用可自动化、高通量的格式，简化模型开发流程。
- 战略价值：通过实现可靠的早期筛选，优化决策流程，提升资金使用效率。
- 项目组合影响：支持对神经治疗候选药物进行风险调整后的优先排序与推进。
实施注意事项
- 需要具备iPSC分化和3D生物打印技术方面的专业知识。
- 需要能够使用生物打印仪器及相容的水凝胶基质。
- 要求跨团队在检测方案和数据分析方面实现标准化。
- 针对不同的神经亚型或疾病模型可能需要进行适应性调整。
- 模型性能依赖于细胞来源及水凝胶配方的优化。
