Dreidimensionales Bioprinting von humanen iPSC-abgeleiteten Neuron-Astrozyten-Kokulturen für Screening-Anwendungen
29. September 2023
In dieser Arbeit stellen wir ein Protokoll zur Herstellung von 3D-biogedruckten Kokulturen von iPSC-abgeleiteten Neuronen und Astrozyten vor. Dieses Kokulturmodell, das in einem Hydrogel-Gerüst im 96- oder 384-Well-Format erzeugt wurde, zeigt eine hohe Post-Print-Viabilität und ein Neuritenwachstum innerhalb von 7 Tagen und zeigt die Expression von Reifemarkern für beide Zelltypen.
Die 3D-Zellmodellierung ist ein neuartiges Feld, das in den letzten zehn Jahren exponentiell gewachsen ist. Es hat sich gezeigt, dass diese Modelle sowohl das neuronale Wachstum erleichtern als auch Krankheitsphänotypen genauer darstellen. Wir glauben jedoch, dass es eine Verschiebung hin zu einem höheren Durchsatz dieser Modelle und eine Notwendigkeit gibt, die Automatisierung in die Entwicklung einzubeziehen.
Herkömmliche Methoden zur Entwicklung von 3D-Kulturen können mühsam und zeitaufwändig sein, aber der 3D-Biodruck ist eine Technologie, die angewendet werden kann, um diese Entwicklungsprozesse zu skalieren. Diese Technologie ermöglicht es, Hunderte von identischen Modellen effizient und ohne menschliche Fehler zu erstellen. Dieses Protokoll entwickelt komplexe Kulturen, da die Nervenzellen in 3D in biologisch aktiven Hydrogel-Matrizen gezüchtet werden.
Entscheidend ist jedoch, dass dieses Protokoll Geschwindigkeit und Bequemlichkeit bei der Modellentwicklung in den Vordergrund stellt, was in diesem Bereich fehlen kann und die Implementierung in die Industrie behindern kann. Dieses Protokoll definiert eine Methode, um viele 3D-Cokulturen sehr effizient und mit begrenztem Input von Benutzern zu etablieren. Wir hoffen, dass dies Hindernisse für die Verwendung komplexer Zellkulturmodelle in Hochdurchsatz-Assays beseitigen und die weitere Untersuchung der Wirkung von 3D-Kulturen auf neuronale Zelltypen erleichtern wird.
Übersicht
Diese Studie stellt ein Protokoll für die effiziente Herstellung von 3D-biogedruckten Kokulturen aus iPSC-abgeleiteten Neuronen und Astrozyten in Hydrogelscaffolds vor. Das entwickelte Modell arbeitet in 96- oder 384-Well-Formaten und zeigt innerhalb von sieben Tagen eine hohe Überlebensfähigkeit nach dem Druck sowie Neuritauswuchs, während es Reifungsmarker für beide Zelltypen exprimiert. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Durchsatzrate und Automatisierung von 3D-Zellkultursystemen zu verbessern.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Zellbiologie
- Biotechnologie
Hintergrund
- Die 3D-Zellmodellierung hat sich rasant weiterentwickelt und ermöglicht genauere Darstellungen von Krankheitsphänotypen.
- Herkömmliche Methoden zur Entwicklung von 3D-Kulturen sind oft arbeitsintensiv und zeitaufwendig.
- Das 3D-Bioprinting bietet eine Lösung, indem es die Entwicklung komplexer Kulturen automatisiert und hochskaliert.
- Diese Technologie kann zahlreiche identische Modelle schnell erzeugen und dabei menschliche Fehler im Prozess minimieren.
Zweck der Studie
- Entwicklung eines Hochdurchsatz-Protokolls zur Herstellung von 3D-Kokulturen neuronaler Zellen.
- Verbesserung der Geschwindigkeit und Benutzerfreundlichkeit bei der Modellentwicklung in der neurowissenschaftlichen Forschung.
- Erleichterung weiterer Untersuchungen zu den Auswirkungen von 3D-Kulturumgebungen auf neuronale Zelltypen.
Verwendete Methoden
- Die Plattform nutzt 3D-Bioprinting, um Kokulturen innerhalb von Hydrogel-Matrizen herzustellen.
- Das biologische Modell umfasst aus iPSCs abgeleitete Neuronen und Astrozyten, die in einer kontrollierten 3D-Umgebung kultiviert werden.
- Dieses Protokoll legt den Schwerpunkt auf die effiziente Herstellung von Kokulturen mit minimalem manuellem Eingriff.
- Wesentliche Zeitpunkte beinhalten die Beurteilung der Zellviabilität und des Neuritenwachstums innerhalb eines Zeitraums von sieben Tagen.
- Hydrogel-Scaffolds werden verwendet, um die strukturelle Integrität und Funktionalität der Zellen zu unterstützen.
Hauptergebnisse
- Das Kokulturmodell zeigte eine hohe Zellviabilität nach dem Druckvorgang und signifikantes Neuritenwachstum innerhalb von sieben Tagen.
- Beide Zelltypen wiesen die Expression von Reifungsmarkern auf, was auf eine erfolgreiche Entwicklung hinweist.
- Eine schnelle Modellerstellung ermöglicht effizientere Forschungsanwendungen und weitere Tests.
- Die Schlussfolgerungen unterstreichen das Potenzial dieses Protokolls, bestehende Hindernisse bei komplexen Zellkultursystemen zu überwinden.
Schlussfolgerungen
- Die Studie demonstriert eine neuartige Methode zur Entwicklung skalierbarer 3D-Kokultursysteme in der Neurowissenschaftsforschung.
- Dieser Fortschritt könnte die Zukunft von Hochdurchsatzanalysen in der neuralen Forschung erheblich beeinflussen.
- Erkenntnisse, die durch den Einsatz von 3D-Kulturen gewonnen werden, könnten das Verständnis neuronaler Mechanismen und der Plastizität verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Der dreidimensionale Bioprinting von humanen aus iPSCs abgeleiteten Neuron-Astrozyten-Kokulturen adressiert das entscheidende Bedürfnis nach skalierbaren, physiologisch relevanten Modellen in der neurowissenschaftlichen Arzneimittelforschung. Diese Plattform ermöglicht die schnelle, standardisierte Erzeugung komplexer neuronaler Systeme, die für Screenings mit mittlerer bis hoher Durchsatzleistung geeignet sind, und unterstützt damit direkt die frühe Zielvalidierung und Assay-Entwicklung. Durch die Überwindung von Hürden hinsichtlich Durchsatz und Reproduzierbarkeit verbessert sie die Vorhersagegenauigkeit und die Entscheidungsfindung bei der Portfolioentwicklung in neurotherapeutischen Entwicklungsprozessen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die Überprüfung von Hypothesen zu neuronalen Bahnen in einem physiologisch relevanten 3D-Kontext.
- Unterstützt die funktionelle Zielvalidierung durch Modellierung von Neuron-Astrozyten-Interaktionen im großen Maßstab.
- Erleichtert die prädiktive Risikominimierung durch standardisierte, reproduzierbare Kokultursysteme.
Screening und Assay-Entwicklung
- Liefert homogene 3D-Neuralmodelle, die mit 96- und 384-Well-Formaten für Screening-Workflows kompatibel sind.
- Ermöglicht quantitative Messwerte wie Neuritauswuchs und Zellviabilität zur Verbindungsevaluierung.
- Ermöglicht die Standardisierung und Skalierbarkeit von Assays, verringert die manuelle Variabilität und erhöht die Durchsatzrate.
Translationale und präklinische Forschung
- Bietet krankheitsrelevante neuronale Mikroumgebungen für die translationale Biomarkerforschung.
- Erhält die Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung durch Modellierung menschlicher neuronaler Physiologie.
- Verringert das Risiko einer Ausscheidung in späteren Stadien, indem die biologische Relevanz früher Screenings verbessert wird.
Pipeline- und Workflow-Integration
Dieses 3D-Bioprinting-Protokoll integriert sich in den Kontinuum von der Entdeckung bis zur Leitstruktur-Identifizierung und ermöglicht die schnelle Erzeugung neuronaler Modelle für frühe Screening- und Mechanismus-Studien.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung und Klärung von Signalwegen in für den Menschen relevanten neuronalen Systemen.
- Screening: Bietet reproduzierbare, quantitative Ergebnisse zur Substanzbewertung und -priorisierung.
- Analytik: Ermöglicht die Messung von Zellviabilität, Neuritauswuchs und Markerexpression für vergleichende Analysen.
- Translationale Forschung: Lässt sich durch Modellierung der Neuron-Astrozyten-Interaktionen im 3D-Modell gut mit Biomarker-Strategien kombinieren.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet eine skalierbare, standardisierte Plattform, die in verschiedenen Neurowissenschafts-F&E-Programmen eingesetzt werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten bei der Validierung neuronaler Zielstrukturen.
- Operationaler Wert: Beschleunigt die Modellentwicklung durch automatisierungsgeeignete, hochdurchsatzfähige Formate.
- Strategischer Wert: Verbessert Entscheidungen über Fortführung oder Einstellung von Projekten sowie die Kapitalnutzungseffizienz, indem eine robuste Frühscreening ermöglicht wird.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung von Kandidaten für neurotherapeutische Wirkstoffe.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in der Differenzierung von iPSCs und 3D-Bioprinting-Technologien.
- Benötigt Zugang zu Bioprinting-Geräten und kompatiblen Hydrogel-Matrizen.
- Setzt eine standardisierte Vorgehensweise über mehrere Arbeitsgruppen hinweg für Assay-Protokolle und Datenanalyse voraus.
- Kann je nach neuronalem Subtyp oder Krankheitsmodell angepasst werden müssen.
- Die Leistung des Modells hängt von der Herkunft der Zellen und der Optimierung der Hydrogel-Formulierung ab.
