הדפסה ביולוגית תלת-ממדית של תרביות נוירון-אסטרוציטים אנושיות שמקורן ב-iPSC עבור יישומי סינון
29 בספטמבר 2023
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לייצור תרביות משולבות בהדפסה ביולוגית תלת-ממדית של נוירונים ואסטרוציטים שמקורם ב-iPSC. מודל קוקולטורה זה, שנוצר בתוך פיגום הידרוג'ל בפורמטים של 96 או 384 בארות, מדגים כדאיות גבוהה לאחר ההדפסה וצמיחת עצבים תוך 7 ימים ומראה את הביטוי של סמני בשלות עבור שני סוגי התאים.
מידול תאים תלת ממדי הוא תחום חדשני שהתרחב באופן אקספוננציאלי בעשור האחרון. מודלים אלה הוכחו הן להקל על צמיחה עצבית ובאופן מדויק יותר לייצג פנוטיפים של מחלות. עם זאת, אנו מאמינים שיש שינוי לכיוון הפיכת מודלים אלה לתפוקה גבוהה יותר וצורך לאמץ אוטומציה בתוך הפיתוח.
שיטות מסורתיות לפיתוח תרבויות תלת-ממדיות יכולות להיות מייגעות וגוזלות זמן להקמה, אך הדפסה ביולוגית תלת-ממדית היא טכנולוגיה שניתן ליישם כדי להרחיב את תהליכי הפיתוח הללו. טכנולוגיה זו מאפשרת ליצור מאות דגמים זהים ביעילות וללא טעויות אנוש. פרוטוקול זה מפתח תרביות מורכבות מכיוון שהתאים העצביים גדלים בתלת-ממד במטריצות הידרוג'ל פעילות ביולוגית.
אבל באופן קריטי, פרוטוקול זה מתעדף מהירות ונוחות בפיתוח מודלים, אשר יכול להיות חסר בתחום זה יכול לעכב את היישום לתוך התעשייה. פרוטוקול זה מגדיר שיטה להקים תרבויות תלת-ממדיות רבות ביעילות רבה עם קלט מוגבל מהמשתמשים. אנו מקווים שזה יסיר מחסומים לשימוש במודלים מורכבים של תרביות תאים במבחני תפוקה גבוהה ויקל על חקירה נוספת של ההשפעה של תרבית תלת-ממדית על סוגי תאים עצביים.
סקירה כללית
מחקר זה מציג פרוטוקול לייצור יעיל של תרביות משולבות (cocultures) המודפסות בביו-הדפסה בתלת-ממד של נוירונים ואסטרוציטים המופקים מ-iPSC, בתוך פיגומים של הידרוג'ל. המודל שפותח פועל בפורמטים של 96 או 384 בארות ומדגים חיוניות גבוהה לאחר ההדפסה וצמיחת נוריטים בתוך שבעה ימים, תוך ביטוי של סממני בשלות עבור שני סוגי התאים. גישה זו שואפת להגביר את התפוקה והאוטומציה של מערכות תרבית תאים בתלת-ממד.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביולוגיה של התא
- ביוטכנולוגיה
רקע
- מידול תאים בתלת-ממד התקדם במהירות, ובכך איפשר ייצוגים מדויקים יותר של פנוטיפים של מחלות.
- שיטות מסורתיות לפיתוח תרביות תלת-ממדיות הן לרוב עתירות עבודה וזמן.
- הדפסה ביו-ממדית (3D bioprinting) מציעה פתרון באמצעות אוטומציה והרחבה של פיתוח תרביות מורכבות.
- טכנולוגיה זו יכולה להפיק במהירות מודלים זהים רבים, ובכך לצמצם טעויות אנוש בתהליך.
מטרת המחקר
- ליצור פרוטוקול בעלות תפוקה גבוהה להקמת תרביות משולבות (cocultures) בתלת-ממד של תאים עצביים.
- לשפר את המהירות והנוחות של פיתוח מודלים במחקר בתחום מדעי המוח.
- להקל על חקירה מעמיקה יותר של השפעות סביבות גידול בתלת-ממד על סוגים של תאים עצביים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הפלטפורמה עושה שימוש בביו-הדפסה בתלת-ממד ליצירת תרביות משולבות (cocultures) בתוך מטריצות של הידרוג'ל.
- המודל הביולוגי כולל נוירונים ואסטרוציטים המופקים מ-iPSC, הגדלים בסביבה תלת-ממדית מבוקרת.
- פרוטוקול זה שם דגש על הקמה יעילה של תרבית משולבת עם צורך מינימלי בהתערבות המשתמש.
- לוחות הזמנים המרכזיים כוללים הערכת חיוניות תאים וצמיחת נוריטים בתוך תקופה של שבעה ימים.
- פיגומים של הידרוג'ל משמשים לתמיכה בשלמות המבנית ובתפקוד של התאים.
תוצאות עיקריות
- מודל התרבית המשולבת הראה חיוניות תאים גבוהה לאחר ההדפסה וצמיחה משמעותית של נוריטים בתוך שבעה ימים.
- שני סוגי התאים הראו ביטוי של סמני בשלות, המעידים על התפתחות מוצלחת.
- יצירה מהירה של המודל תומכת ביישומי מחקר יעילים יותר ובבדיקות נוספות.
- המסקנות מדגישות את הפוטנציאל של פרוטוקול זה להתגבר על מחסומים קיימים במודלים מורכבים של תרביות תאים.
מסקנות
- המחקר מדגים שיטה חדשנית לפיתוח מערכות תרביות משותפות (coculture) תלת-ממדיות הניתנות להרחבה במחקרי מדעי העצבים.
- התקדמות זו עשויה להשפיע באופן משמעותי על עתידן של בדיקות בסביבה של סריקה רחבה (high-throughput) במחקר נוירולוגי.
- תובנות שיירכשו משימוש בתרביות תלת-ממדיות עשויות לשפר את ההבנה של מנגנונים עצביים ושל פלסטיקה עצבית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
ביו-הדפסה תלת-ממדית של תרביות משולבות (cocultures) של נוירונים ואסטרוציטים המופקים מ-iPSC אנושי מענה לצורך הקריטי במודלים ניתנים להרחבה ובעלי רלוונטיות פיזיולוגית לגילוי תרופות במדעי העצבים. פלטפורמה זו מאפשרת יצירה מהירה וסטנדרטית של מערכות עצביות מורכבות המתאימות לסריקה ברמת תפוקה בינונית עד גבוהה, ותומכת באופן ישיר בתיקוף מטרות ובפיתוח בדיקות בשלבים מוקדמים. על ידי התגברות על מחסומי התפוקה והשחזור, היא משפרת את הביטחון החזוי ואת קבלת ההחלטות לגבי תיקי פיתוח של תרופות נוירו-תרפויטיות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בדיקה של היפותזות לגבי מסלולים עצביים בהקשר תלת-ממדי רלוונטי פיזיולוגית.
- תומך בתיקוף תפקודי של מטרות על ידי מידול אינטראקציות בין נוירונים לאסטרוציטים בקנה מידה רחב.
- מסייע בהפחתת סיכונים חזויה באמצעות מערכות שיתוף-תרבית (coculture) סטנדרטיות הניתנות לשחזור.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק מודלים עצביים תלת-ממדיים הומוגניים התואמים לפורמטים של 96 ו-384 בארות עבור תהליכי סריקה.
- תומך בקריאות כמותיות, כגון צמיחת נוריטים וחיוניות, לצורך הערכת תרכובות.
- מאפשר סטנדרטיזציה של הבדיקה ויכולת הרחבה, דבר המפחית שונות ידנית ומגדיל את הסביב.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מספק מיקרו-סביבות עצביות הרלוונטיות למחלה לצורך חקר ביומרקרים תרגומיים.
- שומר על רצף משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני באמצעות מידול של פיזיולוגיה עצבית אנושית.
- מפחית את הסיכון לנשירה בשלבים מאוחרים על ידי שיפור הרלוונטיות הביולוגית של סריקות מוקדמות.
שילוב זרימת עבודה וצנרת עיבוד
פרוטוקול הדפסה ביו-תלת-ממדית זה משתלב ברצף של זיהוי מולקולות מוביליות (discovery-to-lead), ומאפשר יצירה מהירה של מודלים עצביים לסריקה מוקדמת ולמחקרים מכניסטיים.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת השערות ובבירור מסלולים במערכות עצביות רלוונטיות לבני אדם.
- סריקה: מספק פלטים כמותיים הניתנים לשחזור לצורך מיון ותיעוד של תרכובות.
- אנליזה: מאפשר מדידה של חיוניות, צמיחת נוריטים וביטוי סמנים לצורך ניתוח השוואתי.
- מחקר תרגומי: תואם לאסטרטגיות של סמנים ביולוגיים באמצעות מידול של אינטראקציות בין נוירונים לאסטרוציטים בתלת-ממד.
- שימוש חוזר ארגוני: מציע פלטפורמה סטנדרטית וניתנת להרחבה, הניתנת להתאמה לתוכניות מו"פ שונות במדעי המוח.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתיקוף של מטרות עצביות.
- ערך תפעולי: מייעל את פיתוח המודלים באמצעות פורמטים בעלי תפוקה גבוהה המוכנים לאוטומציה.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת החלטות ה-go/no-go ואת יעילות ההון על ידי מתן אפשרות לסריקה מוקדמת חסונה.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים ובקידום של מועמדים לטיפולים נוירו-תרפויטיים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בהגברה של iPSC ובטכנולוגיות הדפסה ביונית בתלת-ממד.
- נדרשת גישה לציוד הדפסה ביונית ולמטריצות הידרוג'ל תואמות.
- נדרש סטנדרטיזציה בין-צוותית עבור פרוטוקולי בדיקה וניתוח נתונים.
- ייתכן שיהיה צורך בהתאמה עבור תת-סוגים עצביים שונים או מודלים של מחלות.
- ביצועי המודל תלויים במקור התאים ובאופטימיזציה של הרכב ההידרוג'ל.
