Создание сердечной ткани, обеспечивающей механическую интеграцию сфероидов с использованием 3D-биопреобразования
2 июля 2017 г.
Этот протокол описывает трехмерную биотрансляцию сердечной ткани без использования биоматериалов. 3D-биотрансгированные сердечные патч демонстрируют механическую интеграцию компонентов сфероидов и являются многообещающими в регенерации сердечной ткани и в качестве трехмерных моделей сердечных заболеваний.
Целью данного видео является демонстрация 3D-биопечати сердечной ткани без использования биоматериалов, исключительно с помощью клеток. Сначала выделяют кардиомиоциты, эндотелиальные клетки и фибробласты, подсчитывают их и смешивают в необходимых пропорциях. Затем с помощью многоканального дозатора их распределяют по отдельным лункам 96-луночных планшетов с ультранизкой адгезией.
Клетки в 96-луночных планшетах инкубируют в течение трех дней; по истечении этого времени они образуют спонтанно сокращающиеся сфероиды. Конфокальная микроскопия выявляет экспрессию коннексина 43, который помечен зеленым флуоресцентным красителем в Тропонин T-положительных кардиомиоцитах, помеченных в сфероидах дальним красным флуоресцентным красителем. Затем 96-луночные планшеты со сфероидами помещают в 3D-биопринтер.
3D-биопринтер начинает работу с перемещения 96-луночного планшета на платформе в положение непосредственно рядом с массивом игл. Затем 3D-биопринтер сканирует все сфероиды в 96-луночном планшете для получения соответствующих данных о каждом сфероиде, таких как его диаметр и форма. На данном изображении представлен крупный план процесса 3D-биопечати.
Сфероид из 96-луночного планшета слева захватывается соплом с помощью вакуумного всасывания и помещается в определенное место в массиве игл справа. Этот процесс повторяется до завершения 3D-биопечати. После того как все сфероиды из 96-луночного планшета будут напечатаны, 3D-биопринтер с помощью подвижной платформы уберет текущий планшет и загрузит новый.
На данном ускоренном в 100 раз видео показан вид сверху на процесс 3D-биопечати патча размером девять на девять; иглы в матрице игл расположены группами, и сфероиды загружаются на каждую иглу сверху. Через три дня в стерильных условиях биопечатный сердечный патч очень осторожно извлекают из матрицы игл, плавно сдвигая вверх вставленный в матрицу кусок твердого пластика, находящийся под патчем. Для более плавного и легкого извлечения на этом этапе при необходимости можно смазать иглы фосфатно-солевым буферным раствором (PBS).
Сразу после извлечения из системы игл 3D-биопечатный сердечный патч очень хрупок, поэтому следует соблюдать осторожность, чтобы не повредить его. Затем 3D-биопечатный сердечный патч переносят в чашку для культивирования тканей диаметром 35 миллиметров, содержащую соответствующую клеточную среду. Сразу после извлечения из системы игл заметно, что патч уже сокращается, при этом отверстия от игл изменяют свой размер при каждом сокращении.
3D-биопринтинговому сердечному патчу дают время для созревания, в течение которого пустоты в ткани, возникшие из-за использования массива игл, заполняются окружающей тканью. 3D-биопринтинговый сердечный патч продолжает спонтанно сокращаться. В заключение, 3D-биопринтинг сердечной ткани возможен без использования биоматериалов.
3D-биопечатные сердечные заплатки демонстрируют механическую интеграцию составляющих их сфероидов. 3D-биопечать сердечной ткани имеет перспективные клинические области применения, включая регенерацию тканей сердца, создание 3D-моделей сердечной ткани, репликацию для прогностической фармакологии и токсикологии, а также разработку клеточной и генно-направленной терапии.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном протоколе описывается метод 3D-биопечати сердечной ткани с использованием только клеток, без применения биоматериалов. Полученные сердечные заплатки демонстрируют механическую интеграцию и являются перспективными как для регенерации сердечной ткани, так и в качестве моделей сердечных заболеваний.
Основные компоненты исследования
Область науки
- 3D-биопечать
- Инженерия сердечной ткани
- Регенеративная медицина
Теоретические сведения
- Регенерация сердечной ткани имеет решающее значение для лечения сердечных заболеваний.
- Традиционные методы часто опираются на биоматериалы, что может ограничивать интеграцию.
- Использование только клеток может повысить функциональность биопечатных тканей.
- Понимание взаимодействий между клетками является ключом к успеху в тканевой инженерии.
Цель исследования
- Разработать метод 3D-биопечати сердечной ткани без использования биоматериалов.
- Оценить механическую интеграцию биопечатных сердечных патчей.
- Создать модель для изучения заболеваний сердца.
Используемые методы
- Выделение и подсчет кардиомиоцитов, эндотелиальных клеток и фибробластов.
- Смешивание клеток в заданных соотношениях и распределение их по 96-луночным планшетам с ультранизкой адгезией.
- Инкубация клеток для формирования спонтанно сокращающихся сфероидов.
- Конфокальная микроскопия для оценки клеточной экспрессии и интеграции.
Основные результаты
- Сфероиды, сформированные из смешанных клеток, проявляли спонтанное сокращение.
- Конфокальная микроскопия подтвердила экспрессию ключевых белков в кардиомиоцитах.
- С помощью 3D-биопринтера сфероиды были успешно интегрированы в сердечные заплатки.
- Была продемонстрирована механическая интеграция заплаток.
Выводы
- 3D-биопечать без использования биоматериалов является осуществимой и эффективной.
- Данный подход демонстрирует потенциал для регенерации сердечной ткани.
- Этот метод может служить ценной моделью для исследования сердечных заболеваний.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Данный метод позволяет осуществлять 3D-биопечать функциональной сердечной ткани без использования биоматериалов, предлагая масштабируемый подход к созданию механически интегрированных тканевых пластырей для доклинического моделирования заболеваний и регенеративной медицины. Использование только клеток снижает вариабельность, связанную с экзогенными каркасами, и повышает физиологическую релевантность при тестировании токсичности и ответа на лекарственные препараты. Полученные спонтанно сокращающиеся пластыри способствуют валидации мишеней на ранних стадиях и снижению механистических рисков в процессах разработки сердечно-сосудистых препаратов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичное обнаружение и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать многоклеточные взаимодействия при формировании и функционировании сердечной ткани.
- Практическая ценность: предоставляет воспроизводимую платформу для оценки влияния соединений на интегрированные сети кардиомиоцитов, эндотелиальных клеток и фибробластов.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет создавать сокращающиеся сердечные сфероиды, которые сливаются в механически интегрированные пласты, что обеспечивает возможность функционального анализа сократимости.
- Практическая ценность: способствует стандартизации архитектуры ткани за счет точного размещения сфероидов с помощью биопечати, что повышает воспроизводимость анализа.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Создание релевантных для заболеваний 3D-моделей сердечной ткани для изучения патофизиологии и терапевтического ответа.
- Практическая ценность: Обеспечивает созревание биопечатных патчей в культуре, что позволяет проводить лонгитюдную оценку интеграции и стабильности ткани.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный рабочий процесс представляет генерацию сфероидов и биопечать как связующее звено между этапом ранних открытий и доклинической валидацией, позволяя создавать сложные сердечные ткани для последующего функционального анализа.
- Открытия в биологии: Позволяет проверять гипотезы о межклеточных взаимодействиях и механической интеграции на уровне тканей в определенной многоклеточной системе.
- Скрининг: Обеспечивает создание стандартизированных сокращающихся сердечных заплаток с количественно определяемой сократительной активностью для скрининга соединений.
- Аналитика: Позволяет измерять спонтанное сокращение и структурную интеграцию с помощью визуализации и функциональных показателей.
- Трансляционные исследования: Обеспечивает непрерывный переход от формирования сфероидов к зрелым тканевым заплаткам, моделируя развитие и ремоделирование тканей при заболеваниях.
- Промышленное использование: Устанавливает воспроизводимый процесс биопечати для создания моделей сердечной ткани для различных мишеней и показаний.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов за счет моделирования механики сердечной ткани, близкой к нативной, и клеточной интеграции.
- Операционная ценность: Устраняет вариативность, связанную с биоматериалами, что улучшает воспроизводимость экспериментов в различных лабораториях и центрах.
- Стратегическая ценность: Снижает риск неудач на поздних стадиях разработки, позволяя на ранних этапах выявлять кардиотоксические или терапевтические эффекты в системе, релевантной человеку.
- Влияние на портфель: Помогает принимать обоснованные с учетом рисков решения в программах по сердечно-сосудистым заболеваниям благодаря повышенной точности моделей и лучшей транслируемости данных.
Особенности внедрения
- Требуется опыт в области выделения первичных клеток, культивирования сфероидов и работы с 3D-биопринтером.
- Зависит от наличия биопринтера с функцией вакуумного всасывания и совместимыми массивами игл.
- Необходимы стандартизированные соотношения смешивания клеток и планшеты с ультранизкой адгезией для стабильного формирования сфероидов.
- Требуется оптимизация времени созревания и условий среды для развития функциональной ткани.
- Ограничено текущим масштабом биопечатных патчей и необходимостью осторожного обращения после печати в связи с их хрупкостью.
