Schaffung von Herzgewebe, die mechanische Integration von Sphäroiden mit 3D-Bioprinting ermöglicht
2. Juli 2017
Dieses Protokoll beschreibt das 3D-Bioprinting von Herzgewebe ohne den Einsatz von Biomaterialien. 3D-Bioprints-Herz-Patches zeigen mechanische Integration von Komponenten-Sphäroiden und sind vielversprechend bei der Herz-Gewebe-Regeneration und als 3D-Modelle von Herzerkrankungen.
Der Zweck dieses Videos ist es, das 3D-Bioprinting von Herzgewebe ohne den Einsatz von Biomaterialien zu demonstrieren, bei dem nur Zellen verwendet werden. Zunächst werden Kardiomyozyten, Endothelzellen und Fibroblasten isoliert, gezählt und in den gewünschten Zellverhältnissen gemischt. Anschließend werden sie mit einer Mehrkanalpipette in 96-Well-Platten mit extrem niedrigem Aufsatz in einzelnen Wells verteilt.
Die Zellen in den 96-Well-Platten werden drei Tage lang inkubiert, nach drei Tagen bilden sie Sphäroide, die spontan schlagen. Die konfokale Mikroskopie zeigt die Expression von Verbindungen in 43, die in Troponin T-positiven Kardiomyozyten, die in den Sphäroiden fluoreszierend dunkelrot markiert sind, fluoreszierend grün markiert sind. Die 96-Well-Platten mit den Sphäroiden werden dann in den 3D-Biodrucker geladen.
Der 3D-Biodrucker beginnt mit dem Transfer der 96-Well-Platte an einen Ort direkt neben dem Nadelarray mit einer beweglichen Plattform. Der 3D-Biodrucker inspiziert dann alle Sphäroide in der 96-Well-Platte, um relevante Daten zu jedem Sphäroid wie seinen Durchmesser und seine Form zu erhalten. Dies ist eine Nahaufnahme des 3D-Bioprinting-Prozesses.
Das Sphäroid wird von der 96-Well-Platte auf der linken Seite durch eine Düse mittels Vakuumsaugen aufgenommen und an einer bestimmten Stelle in einem Nadelarray auf der rechten Seite platziert. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis der 3D-Bioprinting-Prozess abgeschlossen ist. Bis alle Sphäroide und die 96-Well-Platte biogedruckt wurden, lagert der 3D-Bioprinter die vorhandene 96-Well-Platte und lädt eine neue Platte mit Hilfe der beweglichen Plattform.
Dies ist ein Zeitraffervideo, das eine Luftaufnahme des 3D-Bioprintings eines neun mal neun großen Pflasters mit 100-facher Geschwindigkeit zeigt, die Nadeln im Nadelarray sind in einer Gruppenformation angeordnet und Sphäroide werden von oben auf jede Nadel geladen. Nach drei Tagen unter sterilen Bedingungen wird das 3D-Bioprinter-Herzpflaster sehr vorsichtig aus dem Nadelarray entfernt, indem das Hartplastikstück im Nadelarray vorsichtig unter dem Pflaster nach oben geschoben wird. Schmieren Sie mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung oder PBS, die bei Bedarf während dieses Schritts auf die Nadeln aufgetragen werden kann, um eine reibungslosere und einfachere Entfernung zu ermöglichen.
Das 3D-biogedruckte Herzpflaster ist unmittelbar nach der Entnahme aus dem Nadelarray sehr zerbrechlich, daher muss mit der gebotenen Sorgfalt vorgegangen werden, um es nicht zu beschädigen. Das 3D-biogedruckte Herzpflaster wird dann in eine 35-Millimeter-Gewebekulturschale mit entsprechendem Zellmedium überführt. Unmittelbar nach der Entnahme aus dem Nadelarray wird festgestellt, dass das Pflaster bereits schlägt, wobei sich die Größe der Nadellöcher mit jedem Schlag ändert.
Das 3D-biogedruckte Herzpflaster wird reifen gelassen, wobei die durch das Nadelarray verursachten Gewebelücken durch das umgebende Gewebe aufgefüllt werden. Das 3D-Bioprinting-Herzpflaster schlägt spontan weiter. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es möglich ist, Herzgewebe ohne den Einsatz von Biomaterialien in 3D zu drucken.
3D-biogedruckte Herzpflaster weisen die mechanische Integration von Komponenten spheroids. 3D Bioprinting von Herzgewebe auf, haben vielversprechende klinische Anwendungen und die Regeneration von Herzgewebe und verfügen über 3D-Modelle von Herzgewebe, Replikation in der prädiktiven Pharmakologie und Toxikologie sowie Entwicklung von zell- und genomgerichteten Therapien.
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Übersicht
Dieses Protokoll beschreibt das 3D-Bioprinting von Herzmuskelgewebe unter ausschließlicher Verwendung von Zellen und ohne Biomaterialien. Die resultierenden kardialen Pflaster zeigen eine mechanische Integration und bieten vielversprechende Ansätze für die Regeneration von Herzmuskelgewebe sowie als Modelle für Herzerkrankungen.
Wichtige Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- 3D-Bioprinting
- Kardiale Gewebeengineering
- Regenerative Medizin
Hintergrund
- Die Regeneration von Herzmuskelgewebe ist entscheidend für die Behandlung von Herzerkrankungen.
- Herkömmliche Methoden stützen sich häufig auf Biomaterialien, die die Integration beeinträchtigen können.
- Die ausschließliche Verwendung von Zellen könnte die Funktionalität biogedruckter Gewebe verbessern.
- Das Verständnis der Zellinteraktionen ist entscheidend für den Erfolg des Gewebeengineerings.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer Methode zum 3D-Druck von Herzgewebe ohne Biomaterialien.
- Untersuchung der mechanischen Integration biogedruckter Herztransplantate.
- Erstellung eines Modells zur Erforschung von Herzerkrankungen.
Verwendete Methoden
- Isolierung und Zählung von Kardiomyozyten, endothelialen Zellen und Fibroblasten.
- Vermischung der Zellen in gewünschten Verhältnissen und Verteilung in Ultra-Low-Attachment-96-Well-Platten.
- Inkubation der Zellen zur Bildung von Sphäroiden, die spontan schlagen.
- Konfokale Mikroskopie zur Beurteilung der zellulären Expression und Integration.
Hauptergebnisse
- Sphäroide, die aus gemischten Zellen gebildet wurden, zeigten spontanes Pulsieren.
- Die konfokale Mikroskopie bestätigte die Expression wichtiger Proteine in Kardiomyozyten.
- Der 3D-Drucker integrierte die Sphäroide erfolgreich in kardiale Pflaster.
- Die mechanische Integration der Pflaster wurde nachgewiesen.
Schlussfolgerungen
- Das 3D-Bioprinting ohne Biomaterialien ist machbar und effektiv.
- Der Ansatz zeigt Potenzial für die Regeneration von Herzmuskelgewebe.
- Diese Methode kann als wertvolles Modell für die Herzkrankheitsforschung dienen.
Häufig gestellte Fragen
Praktische Bedeutung für die Industrie
Diese Methode ermöglicht den biomaterialfreien 3D-Druck funktionellen Herdgewebes und bietet einen skalierbaren Ansatz zur Erzeugung mechanisch integrierter Gewebepatches für die präklinische Krankheitsmodellierung und regenerative Medizin. Durch die ausschließliche Verwendung von Zellen wird die Variabilität durch exogene Gerüste verringert und die physiologische Relevanz bei der Arzneimittelwirkung und Toxizitätsprüfung verbessert. Die resultierenden spontan schlagenden Patches unterstützen die Zielvalidierung in frühen Entwicklungsstadien sowie die mechanistische Risikominimierung in kardiovaskulären Forschungspipelines.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung multizellulärer Interaktionen bei der Bildung und Funktion von Herzmuskelgewebe.
- Operativer Wert: Bietet eine reproduzierbare Plattform zur Beurteilung der Wirkung von Substanzen auf integrierte Kardiomyozyten-, Endothel- und Fibroblasten-Netzwerke.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt schlagende kardiale Sphäroide, die sich zu mechanisch integrierten Gewebepatches verschmelzen, wodurch funktionelle Messungen der Kontraktilität ermöglicht werden.
- Operationaler Wert: Unterstützt die Standardisierung der Gewebearchitektur durch präzise Platzierung der Sphäroide mittels Bioprinting und verbessert so die Konsistenz von Assays.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt krankheitsrelevante 3D-Modelle des Herzgewebes zur Untersuchung der Pathophysiologie und therapeutischen Ansprechbarkeit.
- Operativer Wert: Ermöglicht die Reifung bioprintierter Pflaster in der Kultur und unterstützt die langzeitliche Beurteilung der Gewebeintegration und -stabilität.
Pipeline- und Workflow-Integration
Der Arbeitsablauf positioniert die Sphäroid-Generierung und das Bioprinting als Brücke zwischen der frühen Entdeckung und der präklinischen Validierung und ermöglicht die Erstellung komplexer kardialer Gewebe für die funktionelle Beurteilung in nachgeschalteten Analysen.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung zu Zell-Zell-Interaktionen und mechanischer Integration auf Gewebeebene in einem definierten multizellulären System.
- Screening: Erzeugt standardisierte, pulsierende kardiale Gewebepatches mit quantifizierbarer kontraktiler Aktivität für die Wirkstoffprüfung.
- Analytik: Ermöglicht die Messung der spontanen Schlagfrequenz und strukturellen Integration mittels Bildgebung und funktioneller Messgrößen.
- Translationale Forschung: Bietet eine kontinuierliche Abfolge von der Sphäroidbildung bis hin zu ausgereiften Gewebepatches und modelliert so die gewebebedingte Umstrukturierung während der Entwicklung und bei krankheitsbedingten Veränderungen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Etabliert einen wiederverwendbaren Bioprinting-Prozess zur Erzeugung kardialer Gewebemodelle für verschiedene Zielstrukturen und Indikationen.
Operationelle und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Steigert die Vorhersagegenauigkeit, indem nativeähnliche mechanische Eigenschaften des Herzmuskels und die zelluläre Integration modelliert werden.
- Operativer Wert: Beseitigt die durch Biomaterialien verursachte Variabilität und verbessert so die Reproduzierbarkeit zwischen Experimenten und Versuchsorten.
- Strategischer Wert: Verringert das Risiko von Fehlschlägen in späteren Phasen, indem frühzeitige Erkennung kardiotoxischer oder therapeutischer Wirkungen in einem für den Menschen relevanten System ermöglicht wird.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt risikoadjustierte Entscheidungen in kardiovaskulären Programmen durch verbesserte Modellgenauigkeit und Übertragbarkeit der Daten.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Isolierung primärer Zellen, der Sphäroid-Kultur und der Bedienung eines 3D-Bioprinters.
- Hängt von der Verfügbarkeit eines Bioprinters mit Vakuumabsaugung und kompatiblen Nadelanordnungen ab.
- Setzt standardisierte Zellmischverhältnisse und Platten mit ultra-niedriger Anhaftung für eine gleichmäßige Sphäroidbildung voraus.
- Beinhaltet die Optimierung der Reifezeit und der Kulturbedingungen für die funktionelle Gewebeentwicklung.
- Ist durch die derzeitige Größe der bioprintierten Pflaster sowie die Notwendigkeit eines sorgfältigen Umgangs nach dem Druck aufgrund der Zerbrechlichkeit eingeschränkt.
