Zwei-Photonen-Polymerisation 3D-Druck von neuronalen Zellkulturgeräten im Mikromaßstab
7. Juni 2024
Der 3D-Druck im Mikrometermaßstab ermöglicht das schnelle Prototyping von polymeren Bauelementen für neuronale Zellkulturen. Als Proof-of-Principle wurden strukturelle Verbindungen zwischen Neuronen durch die Schaffung von Barrieren und Kanälen eingeschränkt, die das Wachstum von Neuriten beeinflussen, während die funktionellen Konsequenzen einer solchen Manipulation durch extrazelluläre Elektrophysiologie beobachtet wurden.
Wir interessieren uns allgemein für die Beziehung zwischen Struktur und Funktionen im Gehirn, insbesondere auf der Ebene von Mikroschaltkreisen. Wir verwenden oft reduzierte experimentelle Präparate wie dissoziierte Neuronenzellkulturen, da sie ein wertvolles Modell sind, um elektrische Aktivität, synaptische Übertragung und insgesamt die Entstehung kollektiver Zustände zu untersuchen. Die von uns vorgeschlagene Methode ist ideal für die schnelle Herstellung von mikroskaligen, polymeren Bauelementen.
Dies kann sofort für die experimentelle Untersuchung modularer neuronaler Netze in einer Schüssel verwendet werden und erfordert kein hohes Maß an technischem Know-how in der weichen Photolithographie. Diese Methode und unser einfacher Proof of Concept ermöglichen den Entwurf modularer neuronaler Netzwerke, in denen wir die Struktur definieren und den Fluss biologischer Signale steuern können. Das Wirkstoffscreening und die Untersuchung pathologischer Zustände profitieren sofort von diesen ausgeklügelten neuronalen In-vitro-Netzwerken.
Übersicht
Diese Studie untersucht die Verwendung des 3D-Drucks im Mikrometerbereich zur Herstellung polymerer Vorrichtungen für neuronale Zellkulturen, wodurch die Konzeption modularer neuronaler Netzwerke ermöglicht wird. Indem die Forscher die strukturellen Verbindungen zwischen Neuronen durch Barrieren und Kanäle begrenzten, untersuchten sie die funktionellen Auswirkungen auf das Neuritenwachstum mittels extrazellulärer Elektrophysiologie.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Zellbiologie
- 3D-Bioprinting
Hintergrund
- Die Beziehung zwischen Struktur und Funktion in neuronalen Mikroschaltkreisen.
- Die Nutzung von dissoziierten Neuronenkulturen zur Untersuchung elektrischer Aktivität und synaptischer Übertragung.
- Die Bedeutung schnell hergestellter Geräte für die experimentelle Forschung.
- Ein Fokus auf Wirkstoffscreening und die Untersuchung pathologischer Zustände.
Zweck der Studie
- Schnelle Herstellung mikroskaliger polymerer Vorrichtungen demonstrieren.
- Experimentelle Untersuchung modularer neuronaler Netzwerke in vitro erleichtern.
- Struktur definieren und biologischen Signalfluss steuern.
Verwendete Methoden
- 3D-Drucktechniken zur Herstellung von PDMS-basierten Vorrichtungen für neuronale Kulturen.
- Isolierung und Kultivierung von neuronalen Zellen aus Rattenwelpen auf Mikroelektrodenarrays (MEAs).
- Extrazelluläre Elektrophysiologie zur Überwachung neuronaler Aktivität.
- Zu den Schritten gehörten die Verwendung von Konstruktionssoftware für 3D-Komponenten, UV-Aushärtung und Gerätesterilisation.
Hauptergebnisse
- Die Live-Bildgebung zeigte, dass das Neuritenwachstum durch strukturelle Modifikationen beeinflusst wird.
- Die elektrophysiologische Analyse ergab signifikante neuronale Aktivitätsmuster als Reaktion auf strukturelle Einschränkungen.
- Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der physikalischen Struktur für die Förderung zellulärer Interaktionen.
Schlussfolgerungen
- Die Studie demonstriert eine neuartige Methode zur Schaffung maßgeschneiderter neuronaler Umgebungen in vitro.
- Fördert die weitere Erforschung technisch erzeugter neuronaler Netzwerke für Forschungs- und klinische Anwendungen.
- Auswirkungen auf das Verständnis neuronaler Mechanismen und die Modellierung von Erkrankungen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Das schnelle Prototyping mikroskaliger Kulturvorrichtungen für Neuronen mittels 3D-Druck mit Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Architektur neuronaler Netzwerke und unterstützt so die fortschrittliche in-vitro-Modellierung von mikroskopischen Hirnschaltkreisen. Diese Fähigkeit erhöht das Vorhersagevertrauen in frühen Phasen der Neurotechnologie-Entwicklung und fördert translationsmedizinische Forschung, indem sie die Lücke zwischen vereinfachten Zellkulturen und komplexen in-vivo-Systemen schließt. Die Methode ist besonders relevant für die Hochdurchsatzgewinnung neuronaler Daten, die Modellierung von Erkrankungen sowie präklinische neuropharmakologische Anwendungen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die Untersuchung der neuronalen Vernetzung und synaptischen Funktion in kontrollierten Mikroumgebungen.
- Unterstützt die mechanistische Risikominderung durch modulare Netzwerkgestaltung und die Untersuchung gerichteter Signalflüsse.
- Erleichtert die funktionelle Target-Validierung durch elektrophysiologische Echtzeitauslesung.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bietet standardisierte, reproduzierbare Plattformen für die Wirkstoffprüfung in physiologisch relevanten neuronalen Schaltkreisen.
- Beschleunigt die Assay-Entwicklung, indem schnelle Iterationen von Gerätegeometrien und Netzwerkkonfigurationen ermöglicht werden.
- Ermöglicht quantitative, multistabile extrazelluläre Ableitungen zur robusten Datenerzeugung.
Translationale und präklinische Forschung
- Verbessert die Krankheitsrelevanz, indem kompartimentalisierte neuronale Konnektivität und synaptische Plastizität modelliert werden.
- Ermöglicht Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung durch skalierbare, anpassbare In-vitro-Systeme.
- Ermöglicht risikoadjustierte Entscheidungen über die Weiterentwicklung, indem funktionelle Daten zu netzwerkebenebezogenen Reaktionen bereitgestellt werden.
Pipeline- und Workflow-Integration
Dieser 2PP-3D-Druck-Workflow integriert sich an der Schnittstelle zwischen früher Entdeckung, Assay-Entwicklung und präklinischer Forschung und ermöglicht die iterative Gestaltung und funktionelle Prüfung neuronaler Netzwerke.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung zu Struktur-Funktions-Beziehungen in neuronalen Schaltkreisen.
- Screening: Liefert reproduzierbare, quantitative elektrophysiologische Ergebnisse zur Wirkstoffbewertung.
- Analytik: Bietet hochauflösende, multistabile Daten für den vergleichenden Analysen der Netzwerkaktivität.
- Translationale Forschung: Verbindet In-vitro-Modelle mit krankheitsrelevanten Konnektivitäts- und Funktionsendpunkten.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet eine flexible Plattform, die an unterschiedliche neurobiologische und pharmakologische Studien angepasst werden kann.
Operationelle und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten bei Studien zu neuronalen Zielstrukturen.
- Operationaler Wert: Vereinfacht die Prototypenerstellung, Standardisierung und Reproduzierbarkeit von neuronalen Kulturvorrichtungen.
- Strategischer Wert: Ermöglicht fundierte Go/No-Go-Entscheidungen und kapitaleffiziente Portfoliofortschritte.
- Portfolio-Implikation: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung von Neurotechnologie-Assets.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in 3D-Design-Software und Mikrofertigungsverfahren.
- Benötigt Zugang zu 3D-Druckern mit Zwei-Photonen-Polymerisation und elektrophysiologischer Messtechnik.
- Setzt eine standardisierte Vorgehensweise über Teamgrenzen hinweg bei der Gerätefertigung und den Protokollen zur Datenaufnahme voraus.
- Anpassbar an verschiedene neuronale Zelltypen und experimentelle Ansätze bei Optimierung der Protokolle.
- Skalierbarkeit und Durchsatz können durch Beschränkungen bei Fertigung und Handhabung eingeschränkt sein.
Biopharma-Häufige Fragen
Chapters in this video
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Introduction
1:09
Generating CAD Files to Obtain 3D Printed Neuronal Culture Device Using Two‐Photon Polymerization
2:17
3D Mold Preparation by Two‐Photon Polymerization to Design Neuronal Cell Culture Device
3:40
PDMS Device Fabrication for Culturing Neuronal Cells
4:47
Culturing Neuronal Cells in Micro‐Scale 3D‐Printed PDMS Device for Electrophysiology Studies
5:54
Extracellular Electrophysiology in Modular Neuronal Cell Culture
