Bioimpressão Tridimensional de Coculturas Neurônio-Astrócitos Derivadas de iPSC Humanas para Aplicações de Triagem
29 de setembro de 2023
Aqui, apresentamos um protocolo para produzir coculturas bioimpressas em 3D de neurônios e astrócitos derivados de iPSC. Este modelo de cocultura, gerado dentro de um arcabouço de hidrogel em formatos de 96 ou 384 poços, demonstra alta viabilidade pós-impressão e crescimento de neuritos em 7 dias e mostra a expressão de marcadores de maturidade para ambos os tipos celulares.
A modelagem de células 3D é um campo novo que se expandiu exponencialmente na última década. Esses modelos têm demonstrado facilitar o crescimento neuronal e representar com mais precisão os fenótipos da doença. No entanto, acreditamos que há uma mudança no sentido de tornar esses modelos de maior rendimento e uma necessidade de adotar a automação dentro do desenvolvimento.
Os métodos tradicionais de desenvolvimento de culturas 3D podem ser trabalhosos e demorados para serem estabelecidos, mas a bioimpressão 3D é uma tecnologia que pode ser aplicada para escalar esses processos de desenvolvimento. Essa tecnologia permite que centenas de modelos idênticos sejam criados de forma eficiente e sem erro humano. Este protocolo desenvolve culturas complexas porque as células neurais são cultivadas em 3D em matrizes hidrogéis biologicamente ativas.
Mas, criticamente, esse protocolo prioriza a velocidade e a conveniência no desenvolvimento do modelo, o que pode faltar nesse campo e dificultar a implementação na indústria. Este protocolo define um método para estabelecer muitas coculturas 3D de forma muito eficiente com entrada limitada dos usuários. Esperamos que isso remova as barreiras ao uso de modelos complexos de cultura de células em ensaios de alto rendimento e facilite a investigação adicional do efeito da cultura 3D em tipos de células neurais.
Visão Geral
Este estudo apresenta um protocolo para a produção eficiente de cocultivos bioprintados em 3D de neurônios e astrócitos derivados de iPSCs em scaffolds de hidrogel. O modelo desenvolvido opera em formatos de 96 ou 384 poços e demonstra alta viabilidade pós-impressão e crescimento de neuritos em sete dias, além de expressar marcadores de maturidade para ambos os tipos celulares. Esta abordagem tem como objetivo aumentar a produtividade e a automação de sistemas de cultura celular tridimensionais.
Principais Componentes do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Biologia Celular
- Biotecnologia
Antecedentes
- A modelagem celular 3D avançou rapidamente, permitindo representações mais precisas de fenótipos de doenças.
- Os métodos tradicionais para o desenvolvimento de culturas 3D são frequentemente trabalhosos e demorados.
- A bioprintagem 3D oferece uma solução ao automatizar e ampliar o desenvolvimento de culturas complexas.
- Essa tecnologia pode produzir inúmeros modelos idênticos rapidamente, minimizando erros humanos no processo.
Objetivo do Estudo
- Criar um protocolo de alto rendimento para o estabelecimento de culturas tridimensionais de células neurais em co-cultivo.
- Aprimorar a velocidade e a praticidade do desenvolvimento de modelos na pesquisa em neurociência.
- Facilitar investigações adicionais sobre os efeitos de ambientes de cultura tridimensionais em tipos celulares neurais.
Métodos Utilizados
- A plataforma utiliza bioprintagem 3D para criar cocultivos dentro de matrizes de hidrogel.
- O modelo biológico inclui neurônios e astrócitos derivados de iPSCs, cultivados em um ambiente 3D controlado.
- Este protocolo enfatiza o estabelecimento eficiente de cocultivos com mínima intervenção do usuário.
- As principais cronologias envolvem a avaliação da viabilidade celular e do crescimento de neuritos dentro de um período de sete dias.
- Escafóldes de hidrogel são empregados para sustentar a integridade estrutural e a funcionalidade das células.
Resultados Principais
- O modelo de cocultura exibiu alta viabilidade celular pós-impressão e significativo crescimento de neuritos em sete dias.
- Os dois tipos celulares demonstraram expressão de marcadores de maturidade, indicando desenvolvimento bem-sucedido.
- A criação rápida do modelo favorece aplicações de pesquisa mais eficientes e testes adicionais.
- As conclusões destacam o potencial deste protocolo em superar as barreiras existentes em modelos de cultura celular complexos.
Conclusões
- O estudo demonstra um método inovador para o desenvolvimento de sistemas de cocultivo tridimensionais escaláveis na pesquisa em neurociência.
- Este avanço pode impactar significativamente o futuro dos ensaios de alto rendimento na pesquisa neural.
- Os conhecimentos obtidos com o uso de cultivos tridimensionais poderiam aprimorar a compreensão dos mecanismos neurais e da plasticidade.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A bioprintagem tridimensional de culturas cocultivadas de neurônios e astrócitos derivados de iPSCs humanos atende à necessidade crítica por modelos escalonáveis e fisiologicamente relevantes na descoberta de fármacos em neurociência. Esta plataforma permite a geração rápida e padronizada de sistemas neurais complexos adequados para triagem de média a alta produtividade, apoiando diretamente a validação precoce de alvos e o desenvolvimento de ensaios. Ao superar as barreiras de produtividade e reprodutibilidade, ela aumenta a confiança preditiva e a tomada de decisões em portfólios dentro dos pipelines de neuroterapias.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite a investigação de hipóteses sobre vias neurais em um contexto tridimensional fisiologicamente relevante.
- Apoia a validação funcional de alvos ao modelar interações neurônio-astrocito em larga escala.
- Facilita a redução preditiva de riscos por meio de sistemas de cocultivo padronizados e reprodutíveis.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Fornece modelos neurais 3D homogêneos compatíveis com formatos de 96 e 384 poços para fluxos de trabalho de triagem.
- Suporta leituras quantitativas, como crescimento de neuritos e viabilidade, para avaliação de compostos.
- Permite padronização e escalabilidade de ensaios, reduzindo a variabilidade manual e aumentando a produtividade.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Oferece microambientes neurais relevantes para doenças na exploração translacional de biomarcadores.
- Mantém a continuidade do descobrimento à validação pré-clínica por meio da modelagem da fisiologia neural humana.
- Reduz o risco de falhas em estágios avançados ao melhorar a relevância biológica de triagens iniciais.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Este protocolo de bioimpressão 3D integra-se à continuidade de descoberta à identificação de compostos líderes, permitindo a geração rápida de modelos neurais para triagem inicial e estudos mecanicistas.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses e a clarificação de vias em sistemas neurais relevantes para o ser humano.
- Triagem: Fornece resultados quantitativos e reprodutíveis para triagem e priorização de compostos.
- Análises: Permite a medição de viabilidade, crescimento de neuritos e expressão de marcadores para análise comparativa.
- Pesquisa Translacional: Alinha-se a estratégias de biomarcadores ao modelar interações neurônio-astrocito em 3D.
- Reutilização Empresarial: Oferece uma plataforma padronizada e escalável, adaptável a diversos programas de P&D em neurociência.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista na validação de alvos neurais.
- Valor Operacional: Agiliza o desenvolvimento de modelos com formatos de alto rendimento prontos para automação.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões de avanço ou interrupção de projetos e a eficiência do capital ao permitir triagem precoce robusta.
- Impacto na Carteira: Apoia a priorização ajustada ao risco e o avanço de candidatos a neuroterapias.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em diferenciação de iPSC e tecnologias de bioimpressão 3D.
- Exige acesso a instrumentação de bioimpressão e matrizes de hidrogel compatíveis.
- Exige padronização entre equipes para protocolos de ensaio e análise de dados.
- Pode ser necessária adaptação para diferentes subtipos neurais ou modelos de doenças.
- O desempenho do modelo depende da origem celular e da otimização da formulação do hidrogel.
