Creación de tejido cardiaco que exhibe la integración mecánica de esferoides usando bioprinting 3D
2 de julio de 2017
Este protocolo describe bioprinting 3D de tejido cardíaco sin el uso de biomateriales. Los parches cardiacos bioprinted 3D exhiben la integración mecánica de esferoides componentes y son altamente prometedores en regeneración del tejido cardíaco y como modelos 3D de la enfermedad cardíaca.
El propósito de este video es demostrar la bioimpresión 3D de tejido cardíaco sin el uso de biomateriales, utilizando solo células. En primer lugar, los cardiomiocitos, las células endoteliales y los fibroblastos se aíslan, se cuentan y se mezclan en las proporciones celulares deseadas. A continuación, se distribuyen mediante una pipeta multicanal y a pocillos individuales en placas de 96 pocillos de fijación ultrabaja.
Las células de las placas de 96 pocillos se incuban durante tres días, después de tres días, forman esferoides que laten espontáneamente. La microscopía confocal revela la expresión de conexiones en 43, que está marcada con fluorescencia verde en los cardiomiocitos Troponina T positivos, que están marcados con fluorescencia en rojo lejano dentro de los esferoides. A continuación, las placas de 96 pocillos que contienen los esferoides se cargan en la bioimpresora 3D.
La bioimpresora 3D comienza transfiriendo la placa de 96 pocillos a una ubicación justo al lado del conjunto de agujas utilizando una plataforma móvil. A continuación, la bioimpresora 3D inspecciona todos los esferoides de la placa de 96 pocillos para obtener datos relevantes sobre cada esferoide, como su diámetro y su forma. Se trata de un primer plano del proceso de bioimpresión 3D.
El esferoide se recoge de la placa de 96 pocillos a la izquierda mediante una boquilla que utiliza succión al vacío y se coloca en una ubicación específica en una matriz de agujas a la derecha. Este proceso se repite hasta que se completa el proceso de bioimpresión 3D. Hasta que todos los esferoides y la placa de 96 pocillos hayan sido bioimpresos, la bioimpresora 3D almacenará la placa de 96 pocillos existente y cargará una nueva placa, utilizando la plataforma móvil.
Este es un video de lapso de tiempo que muestra una vista aérea de la bioimpresión 3D de un parche de nueve por nueve a una velocidad de 100 veces, las agujas en la matriz de agujas están dispuestas en una formación de grupo y los esferoides se cargan en cada aguja desde arriba. Después de tres días en condiciones estériles, el parche cardíaco de la bioimpresora 3D se retira con mucho cuidado de la matriz de agujas deslizando suavemente la pieza de plástico duro en la matriz de agujas debajo del parche hacia arriba. Lubricación con solución salina tamponada con fosfato o PBS, puede aplicarse a las agujas durante este paso según sea necesario, para una extracción más suave y fácil.
El parche cardíaco bioimpreso en 3D es muy frágil, inmediatamente después de retirarlo de la matriz de agujas, por lo que se debe tener mucho cuidado para no dañarlo. A continuación, el parche cardíaco bioimpreso en 3D se transfiere a una placa de cultivo de tejidos de 35 milímetros que contiene los medios celulares adecuados. Inmediatamente después de retirarlo de la matriz de agujas, se observa que el parche ya está latiendo, y los orificios de la aguja cambian de tamaño con cada latido.
Se permite que el parche cardíaco bioimpreso en 3D madure, tiempo durante el cual los vacíos de tejido causados por la matriz de agujas se llenan con el tejido circundante. El parche cardíaco de bioimpresión 3D sigue latiendo espontáneamente. En conclusión, es factible bioimprimir tejido cardíaco en 3D sin el uso de biomateriales.
Los parches cardíacos bioimpresos en 3D exhiben la integración mecánica de componentes spheroids. 3D la bioimpresión de tejido cardíaco tiene aplicaciones clínicas prometedoras y regeneración de tejido cardíaco y tiene modelos 3D de tejido cardíaco, replicación en farmacología predictiva y toxicología y desarrollo de terapias dirigidas a células y genoma.
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Descripción general
Este protocolo describe la bioimpresión 3D de tejido cardíaco utilizando únicamente células, sin biomateriales. Los parches cardíacos resultantes demuestran integración mecánica y muestran potencial para la regeneración del tejido cardíaco y como modelos de enfermedades del corazón.
Componentes Principales del Estudio
Área de la ciencia
- Impresión biológica 3D
- Ingeniería de tejidos cardíacos
- Medicina regenerativa
Antecedentes
- La regeneración del tejido cardíaco es fundamental para tratar las enfermedades del corazón.
- Los métodos tradicionales suelen basarse en biomateriales, lo que puede limitar la integración.
- El uso exclusivo de células podría mejorar la funcionalidad de los tejidos bioprintados.
- Comprender las interacciones celulares es clave para una ingeniería de tejidos exitosa.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un método para la bioprintación 3D de tejido cardíaco sin biomateriales.
- Evaluar la integración mecánica de los parches cardíacos bioprintados.
- Crear un modelo para estudiar la enfermedad cardíaca.
Métodos Utilizados
- Aislamiento y recuento de cardiomiocitos, células endoteliales y fibroblastos.
- Mezcla de células en las proporciones deseadas y distribución en placas de 96 pocillos con adherencia ultra baja.
- Incubación de las células para formar esferoides que laten espontáneamente.
- Microscopía confocal para evaluar la expresión celular y la integración.
Resultados principales
- Los esferoides formados a partir de células mixtas exhibieron latidos espontáneos.
- La microscopía confocal confirmó la expresión de proteínas clave en cardiomiocitos.
- La biopresora 3D integró con éxito los esferoides en parches cardíacos.
- Se demostró la integración mecánica de los parches.
Conclusiones
- La bioprinting 3D sin biomateriales es factible y eficaz.
- El enfoque muestra potencial para la regeneración de tejido cardíaco.
- Este método puede servir como un modelo valioso para la investigación de enfermedades cardíacas.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este método permite la bioimpresión 3D sin biomateriales de tejido cardíaco funcional, ofreciendo un enfoque escalable para generar parches de tejido mecánicamente integrados para la modelización preclínica de enfermedades y la medicina regenerativa. Al utilizar solo células, se reduce la variabilidad provocada por andamiajes exógenos y se mejora la relevancia fisiológica en las pruebas de respuesta a fármacos y toxicidad. Los parches resultantes, que laten espontáneamente, apoyan la validación temprana de objetivos y la reducción mecanicista de riesgos en las líneas de descubrimiento cardiovascular.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biofármacos
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar las interacciones multicelulares en la formación y función del tejido cardíaco.
- Valor operativo: Proporciona una plataforma reproducible para evaluar los efectos de compuestos sobre redes integradas de cardiomiocitos, endoteliales y fibroblastos.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Genera esferoides cardíacos contráctiles que se fusionan en parches mecánicamente integrados, lo que permite lecturas funcionales de la contractilidad.
- Valor operativo: Facilita la estandarización de la arquitectura del tejido mediante la colocación precisa de esferoides a través de la bioimpresión, mejorando la consistencia del ensayo.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Valor científico: Crea modelos tridimensionales de tejido cardíaco relevantes para la enfermedad, útiles para estudiar la fisiopatología y la respuesta terapéutica.
- Valor operativo: Permite la maduración de parches biopresos en cultivo, facilitando la evaluación longitudinal de la integración y estabilidad del tejido.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
El flujo de trabajo sitúa la generación de esferoides y la bioimpresión como un puente entre el descubrimiento inicial y la validación preclínica, permitiendo la creación de tejidos cardíacos complejos para la evaluación funcional posterior.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre interacciones entre células e integración mecánica a nivel tisular en un sistema multicelular definido.
- Selección: Proporciona parches cardíacos contráctiles estandarizados con actividad contráctil cuantificable para la selección de compuestos.
- Análisis: Permite la medición de latidos espontáneos y de la integración estructural mediante imágenes y lecturas funcionales.
- Investigación Traductiva: Ofrece una continuidad desde la formación de esferoides hasta parches tisulares maduros, modelando la remodelación tisular relacionada con el desarrollo y enfermedades.
- Reutilización Empresarial: Establece un proceso de bioprinting reutilizable para generar modelos de tejido cardíaco en múltiples objetivos e indicaciones.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor Científico: Mejora la confianza predictiva mediante la modelización de la mecánica del tejido cardíaco y la integración celular similares a las condiciones nativas.
- Valor Operativo: Elimina la variabilidad relacionada con los biomateriales, mejorando la reproducibilidad entre experimentos y centros.
- Valor Estratégico: Reduce el riesgo de fallos en fases avanzadas al permitir la detección temprana de efectos cardiotoxícicos o terapéuticos en un sistema relevante para el ser humano.
- Impacto en el Portafolio: Orienta decisiones ajustadas al riesgo en programas cardiovasculares mediante una mayor fidelidad del modelo y la transponibilidad de los datos.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en el aislamiento de células primarias, cultivo de esferoides y manejo de impresoras 3D.
- Depende del acceso a una impresora biológica con capacidad de succión al vacío y matrices de agujas compatibles.
- Necesita proporciones estandarizadas de mezcla celular y placas con adherencia ultrabaja para una formación consistente de esferoides.
- Implica la optimización del tiempo de maduración y de las condiciones del medio para el desarrollo de tejidos funcionales.
- Está limitado por la escala actual de los parches bioprintados y por la necesidad de manipularlos con cuidado tras la impresión debido a su fragilidad.
