Bioprinting tridimensionale di cocolture neurone-astrociti derivate da iPSC umane per applicazioni di screening
29 settembre 2023
Qui, presentiamo un protocollo per produrre cocolture biostampate in 3D di neuroni e astrociti derivati da iPSC. Questo modello di cocoltura, generato all'interno di un'impalcatura di idrogel in formati a 96 o 384 pozzetti, dimostra un'elevata vitalità post-stampa e la crescita dei neuriti entro 7 giorni e mostra l'espressione di marcatori di maturità per entrambi i tipi di cellule.
La modellazione cellulare 3D è un nuovo campo che si è espanso in modo esponenziale nell'ultimo decennio. È stato dimostrato che questi modelli facilitano la crescita neuronale e rappresentano in modo più accurato i fenotipi della malattia. Tuttavia, riteniamo che ci sia uno spostamento verso una maggiore produttività di questi modelli e la necessità di abbracciare l'automazione all'interno dello sviluppo.
I metodi tradizionali di sviluppo di colture 3D possono essere laboriosi e dispendiosi in termini di tempo da stabilire, ma il bioprinting 3D è una tecnologia che può essere applicata per scalare questi processi di sviluppo. Questa tecnologia consente di creare centinaia di modelli identici in modo efficiente e senza errori umani. Questo protocollo sviluppa colture complesse perché le cellule neurali vengono coltivate in 3D in matrici di idrogel biologicamente attive.
Ma soprattutto, questo protocollo dà la priorità alla velocità e alla convenienza nello sviluppo del modello, che può essere carente in questo campo e può ostacolare l'implementazione nell'industria. Questo protocollo definisce un metodo per stabilire molte cocolture 3D in modo molto efficiente con un input limitato da parte degli utenti. Ci auguriamo che questo rimuova le barriere all'utilizzo di modelli di coltura cellulare complessi all'interno di saggi ad alto rendimento e faciliti ulteriori indagini sull'effetto della coltura 3D sui tipi di cellule neurali.
Panoramica
Questo studio presenta un protocollo per la produzione efficiente di coculture tridimensionali di neuroni e astrociti derivati da iPSC all'interno di scaffold idrogel. Il modello sviluppato funziona in formati a 96 o 384 pozzetti e dimostra un'elevata vitalità post-stampa e un'espansione dei neuriti entro sette giorni, esprimendo al contempo marcatori di maturazione per entrambi i tipi cellulari. Questo approccio mira a potenziare la produttività e l'automazione dei sistemi di coltura cellulare tridimensionali.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Biologia cellulare
- Biotecnologia
Sfondo
- La modellizzazione cellulare 3D ha fatto rapidi progressi, permettendo rappresentazioni più accurate dei fenotipi delle malattie.
- I metodi tradizionali per lo sviluppo di colture 3D sono spesso laboriosi e richiedono molto tempo.
- La biostampa 3D offre una soluzione automatizzando e ampliando lo sviluppo di colture complesse.
- Questa tecnologia può produrre rapidamente numerosi modelli identici, minimizzando gli errori umani nel processo.
Scopo dello studio
- Sviluppare un protocollo ad alto rendimento per l'allestimento di colture cocolturali tridimensionali di cellule neurali.
- Migliorare la velocità e la praticità dello sviluppo di modelli nella ricerca neuroscientifica.
- Favorire ulteriori indagini sugli effetti degli ambienti di coltura tridimensionali sui tipi cellulari neurali.
Metodi Utilizzati
- La piattaforma utilizza la biostampa 3D per creare coculture all'interno di matrici idrogel.
- Il modello biologico comprende neuroni e astrociti derivati da iPSC, coltivati in un ambiente 3D controllato.
- Questo protocollo pone l'accento su un'efficiente instaurazione della cocultura con intervento minimo da parte dell'utente.
- I tempi chiave prevedono la valutazione della vitalità cellulare e dell'outgrowth dei neuriti entro un periodo di sette giorni.
- Impalcature idrogel sono utilizzate per sostenere l'integrità strutturale e la funzionalità delle cellule.
Risultati principali
- Il modello di cocoltura ha mostrato un'elevata vitalità cellulare post-stampa e una significativa crescita dei neuriti entro sette giorni.
- Entrambi i tipi cellulari hanno dimostrato l'espressione di marcatori di maturità, indicando uno sviluppo riuscito.
- La creazione rapida del modello favorisce applicazioni di ricerca più snelle e ulteriori test.
- Le conclusioni evidenziano il potenziale di questo protocollo nel superare le barriere esistenti nei modelli di coltura cellulare complessi.
Conclusioni
- Lo studio dimostra un nuovo metodo per lo sviluppo di sistemi di cocoltura 3D scalabili nella ricerca neuroscientifica.
- Questo progresso potrebbe avere un impatto significativo sul futuro dei saggi ad alto rendimento nella ricerca neurale.
- Le informazioni ottenute dall'uso di colture 3D potrebbero migliorare la comprensione dei meccanismi neurali e della plasticità.
Domande Frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La biostampa tridimensionale di colture cellulari miste di neuroni e astrociti derivati da iPSC umane risponde all'esigenza fondamentale di modelli scalabili e fisiologicamente rilevanti nella scoperta di farmaci nel campo delle neuroscienze. Questa piattaforma consente una generazione rapida e standardizzata di sistemi neurali complessi, adatti a schermature di media-alta capacità, supportando direttamente la validazione precoce dei bersagli e lo sviluppo di saggi. Superando le limitazioni relative alla capacità di schermatura e alla riproducibilità, essa aumenta l'affidabilità predittiva e migliora le decisioni relative al portafoglio nei percorsi di sviluppo di neurofarmaci.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette l'analisi di ipotesi relative a vie neurali in un contesto tridimensionale fisiologicamente rilevante.
- Consente la validazione funzionale delle target modellando su larga scala le interazioni tra neuroni e astrociti.
- Facilita la riduzione predittiva dei rischi attraverso sistemi di cocoltura standardizzati e riproducibili.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Fornisce modelli neurali 3D omogenei compatibili con formati a 96 e 384 pozzetti per flussi di lavoro di screening.
- Supporta letture quantitative come la crescita dei neuriti e la vitalità cellulare per la valutazione di composti.
- Permette la standardizzazione e la scalabilità dei saggi, riducendo la variabilità manuale e aumentando la produttività.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Fornisce microambienti neurali pertinenti alla malattia per l'esplorazione traslazionale di biomarcatori.
- Mantiene la continuità dalla scoperta alla validazione preclinica modellando la fisiologia neurale umana.
- Riduce il rischio di fallimento in fasi avanzate migliorando la rilevanza biologica dei test iniziali.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo protocollo di bioprinting 3D si integra nel percorso di scoperta e identificazione dei lead, consentendo la rapida generazione di modelli neurali per lo screening iniziale e studi meccanicistici.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi in sistemi neurali pertinenti all'uomo.
- Screening: Fornisce output riproducibili e quantitativi per il triage e la priorizzazione di composti.
- Analisi: Permette la misurazione della vitalità, dell'allungamento dei neuriti e dell'espressione dei marcatori per analisi comparative.
- Ricerca traslazionale: Si allinea alle strategie di biomarcatori modellando le interazioni neurone-astrocita in 3D.
- Riutilizzo aziendale: Offre una piattaforma scalabile e standardizzata adattabile attraverso diversi programmi di ricerca e sviluppo in neuroscienze.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nella validazione dei bersagli neurali.
- Valore operativo: Ottimizza lo sviluppo dei modelli mediante formati ad alta capacità e pronti per l'automazione.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione e l'efficienza del capitale consentendo un efficace screening precoce.
- Impatto sul portafoglio: Favorisce la priorizzazione e la progressione dei candidati neuroterapeutici con un adeguamento del rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella differenziazione delle iPSC e nelle tecnologie di biostampa 3D.
- Necessita dell'accesso a strumentazione per la biostampa e matrici di idrogel compatibili.
- Richiede una standardizzazione intersettoriale per i protocolli saggistici e l'analisi dei dati.
- Potrebbe essere necessaria un'adattamento per diversi sottotipi neurali o modelli di malattia.
- Le prestazioni del modello dipendono dall'approvvigionamento cellulare e dall'ottimizzazione della formulazione dell'idrogel.
