Trójwymiarowe biodrukowanie ludzkich kokultur neuronów i astrocytów pochodzących z iPSC do zastosowań przesiewowych
29 września 2023
Tutaj prezentujemy protokół do produkcji 3D-drukowanych biologicznie kokultur neuronów i astrocytów pochodzących z iPSC. Ten model kokultury, wygenerowany w rusztowaniu hydrożelowym w formatach 96- lub 384-dołkowych, wykazuje wysoką żywotność po wydrukowaniu i wzrost neurytów w ciągu 7 dni oraz pokazuje ekspresję markerów dojrzałości dla obu typów komórek.
Modelowanie komórek 3D to nowa dziedzina, która w ciągu ostatniej dekady gwałtownie się rozwinęła. Wykazano, że modele te zarówno ułatwiają wzrost neuronów, jak i dokładniej reprezentują fenotypy choroby. Uważamy jednak, że następuje zmiana w kierunku zwiększenia przepustowości tych modeli i konieczność uwzględnienia automatyzacji w programowaniu.
Tradycyjne metody opracowywania kultur 3D mogą być pracochłonne i czasochłonne do ustalenia, ale biodruk 3D to technologia, którą można zastosować do zwiększenia skali tych procesów rozwoju. Technologia ta pozwala na sprawne i pozbawione błędów ludzkich tworzenie setek identycznych modeli. Protokół ten rozwija złożone kultury, ponieważ komórki nerwowe są hodowane w 3D w biologicznie aktywnych matrycach hydrożelowych.
Ale co najważniejsze, protokół ten priorytetowo traktuje szybkość i wygodę w tworzeniu modeli, których może brakować w tej dziedzinie i może utrudniać wdrożenie w przemyśle. Protokół ten definiuje metodę bardzo efektywnego ustanawiania wielu kokultur 3D przy ograniczonym udziale użytkowników. Mamy nadzieję, że usunie to bariery w stosowaniu złożonych modeli hodowli komórkowych w testach wysokoprzepustowych i ułatwi dalsze badania wpływu hodowli 3D na typy komórek nerwowych.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia protokół wydajnego wytwarzania biodrukowanych w 3D kokultur neuronów i astrocytów pochodzących z iPSC w rusztowaniach hydrożelowych. Opracowany model funkcjonuje w formatach 96- lub 384-dołkowych i wykazuje wysoką przeżywalność po druku oraz wzrost neurytów w ciągu siedmiu dni, przy jednoczesnej ekspresji markerów dojrzałości dla obu typów komórek. Podejście to ma na celu zwiększenie przepustowości i automatyzacji systemów 3D hodowli komórkowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Biologia komórki
- Biotechnologia
Wstęp
- Modelowanie komórkowe 3D poczyniło szybkie postępy, umożliwiając dokładniejsze odwzorowanie fenotypów chorobowych.
- Tradycyjne metody rozwoju kultur 3D są często pracochłonne i czasochłonne.
- Biodruk 3D oferuje rozwiązanie poprzez automatyzację i skalowanie tworzenia złożonych kultur.
- Technologia ta pozwala na szybkie wytwarzanie licznych, identycznych modeli, co minimalizuje ryzyko błędów ludzkich w tym procesie.
Cel badania
- Opracowanie wysokoprzepustowego protokołu tworzenia 3D kokultur komórek neuronalnych.
- Zwiększenie szybkości i wygody opracowywania modeli w badaniach z zakresu neuronauki.
- Ułatwienie dalszych badań nad wpływem środowisk hodowli 3D na typy komórek neuronalnych.
Zastosowane metody
- Platforma wykorzystuje biodruk 3D do tworzenia kokultur w macierzach hydrożelowych.
- Model biologiczny obejmuje neurony i astrocyty pochodzące z iPSC, hodowane w kontrolowanym środowisku 3D.
- Niniejszy protokół kładzie nacisk na efektywne tworzenie kokultur przy minimalnej interwencji użytkownika.
- Kluczowy harmonogram obejmuje ocenę żywotności komórek oraz wypustek neurytów w okresie siedmiu dni.
- Rusztowania hydrożelowe są stosowane w celu zapewnienia integralności strukturalnej i funkcjonalności komórek.
Główne wyniki
- Model kokultury wykazał wysoką żywotność komórek po wydruku oraz znaczący wzrost neurytów w ciągu siedmiu dni.
- Oba typy komórek wykazały ekspresję markerów dojrzałości, co wskazuje na pomyślny rozwój.
- Szybkie tworzenie modelu sprzyja usprawnieniu zastosowań badawczych i dalszemu testowaniu.
- Wnioski podkreślają potencjał tego protokołu w przełamywaniu istniejących barier w złożonych modelach kultur komórkowych.
Wnioski
- Badanie przedstawia nowatorską metodę opracowywania skalowalnych systemów kokultury 3D w badaniach z zakresu neuronauki.
- To osiągnięcie może mieć znaczący wpływ na przyszłość wysokoprzepustowych testów w badaniach nad układem nerwowym.
- Wnioski płynące z zastosowania kultur 3D mogą pogłębić zrozumienie mechanizmów neuronalnych oraz plastyczności mózgu.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Trójwymiarowy biodruk kokultur neuronów i astrocytów pochodzących z ludzkich iPSC odpowiada na krytyczną potrzebę tworzenia skalowalnych, fizjologicznie istotnych modeli w procesie odkrywania leków w neuronauce. Platforma ta umożliwia szybkie i zestandaryzowane generowanie złożonych układów neuronalnych odpowiednich do przesiewów o średniej i wysokiej przepustowości, bezpośrednio wspierając wczesną walidację celów terapeutycznych oraz opracowywanie testów. Dzięki przełamaniu barier związanych z przepustowością i powtarzalnością, zwiększa ona pewność prognostyczną i usprawnia podejmowanie decyzji portfelowych w procesach rozwoju neuroterapeutyków.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesna faza odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących szlaków neuronalnych w fizjologicznie istotnym kontekście 3D.
- Wspiera funkcjonalną walidację celów poprzez modelowanie interakcji neuron-astrocyta na szeroką skalę.
- Ułatwia predykcyjną redukcję ryzyka dzięki zestandaryzowanym, reprodukowalnym systemom kokultury.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Zapewnia jednorodne modele neuronalne 3D kompatybilne z formatami 96- i 384-dołkowymi do zastosowań w procesach przesiewowych.
- Umożliwia ilościowy odczyt parametrów, takich jak wzrost neurytów i żywotność, w celu oceny związków.
- Umożliwia standaryzację i skalowalność testów, co redukuje zmienność manualną i zwiększa przepustowość.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia istotne dla przebiegu choroby mikrośrodowiska neuronalne do translacyjnych badań nad biomarkerami.
- Zapewnia ciągłość od etapu odkrycia do walidacji przedklinicznej poprzez modelowanie ludzkiej fizjologii neuronalnej.
- Zmniejsza ryzyko niepowodzeń w późnych fazach badań dzięki poprawie istotności biologicznej wczesnych przesiewów.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół biodruku 3D integruje się z kontinuum od odkrycia do identyfikacji wiodących związków, umożliwiając szybkie generowanie modeli neuronalnych do wczesnego screeningu oraz badań mechanistycznych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków w systemach neuronalnych istotnych dla człowieka.
- Przesiewanie: Zapewnia odtwarzalne, ilościowe wyniki w celu selekcji i priorytetyzacji związków.
- Analityka: Umożliwia pomiar żywotności, wzrostu neurytów i ekspresji markerów do analiz porównawczych.
- Badania translacyjne: Jest zgodne ze strategiami biomarkerów poprzez modelowanie interakcji neuron-astrocyt w 3D.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje skalowalną, zestandaryzowaną platformę możliwą do adaptacji w różnych programach badawczo-rozwojowych w dziedzinie neuronauki.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w walidacji celów neuronalnych.
- Wartość operacyjna: Optymalizuje rozwój modeli dzięki formatom wysokoprzepustowym, gotowym do automatyzacji.
- Wartość strategiczna: Poprawia decyzje go/no-go oraz efektywność kapitałową poprzez umożliwienie rzetelnego przesiewu we wczesnej fazie.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój kandydatów na leki neuroterapeutyczne.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu różnicowania iPSC oraz technologii biodruku 3D.
- Niezbędny jest dostęp do aparatury do biodruku oraz kompatybilnych matryc hydrożelowych.
- Wymagana jest standaryzacja protokołów analiz oraz analizy danych pomiędzy zespołami.
- Możliwa jest konieczność adaptacji w zależności od różnych podtypów neuronów lub modeli chorób.
- Wydajność modelu zależy od źródła komórek oraz optymalizacji składu hydrożelu.
