Bioimpresión tridimensional de cocultivos de neuronas-astrocitos derivados de iPSC humanos para aplicaciones de cribado
29 de septiembre de 2023
Aquí, presentamos un protocolo para producir cocultivos bioimpresos en 3D de neuronas y astrocitos derivados de iPSC. Este modelo de cocultivo, generado dentro de un andamio de hidrogel en formatos de 96 o 384 pocillos, demuestra una alta viabilidad post-impresión y crecimiento de neuritas en 7 días y muestra la expresión de marcadores de madurez para ambos tipos de células.
El modelado celular 3D es un campo novedoso que se ha expandido exponencialmente en la última década. Se ha demostrado que estos modelos facilitan el crecimiento neuronal y representan con mayor precisión los fenotipos de la enfermedad. Sin embargo, creemos que hay un cambio hacia la creación de estos modelos de mayor rendimiento y la necesidad de adoptar la automatización dentro del desarrollo.
Los métodos tradicionales de desarrollo de cultivos 3D pueden ser laboriosos y llevar mucho tiempo establecerlos, pero la bioimpresión 3D es una tecnología que se puede aplicar para ampliar estos procesos de desarrollo. Esta tecnología permite crear cientos de modelos idénticos de manera eficiente y sin errores humanos. Este protocolo desarrolla cultivos complejos porque las células neuronales se cultivan en 3D en matrices de hidrogel biológicamente activas.
Pero lo más importante es que este protocolo prioriza la velocidad y la comodidad en el desarrollo de modelos, que pueden faltar en este campo y pueden dificultar la implementación en la industria. Este protocolo define un método para establecer muchos cocultivos 3D de manera muy eficiente con una participación limitada de los usuarios. Esperamos que esto elimine las barreras para el uso de modelos complejos de cultivo celular dentro de ensayos de alto rendimiento y facilite una mayor investigación del efecto del cultivo 3D en los tipos de células neuronales.
Visión general
Este estudio presenta un protocolo para la producción eficiente de cocultivos bioimpresos en 3D de neuronas y astrocitos derivados de iPSC dentro de andamios de hidrogel. El modelo desarrollado opera en formatos de 96 o 384 pozos y demuestra alta viabilidad posterior a la impresión y crecimiento de neuritas dentro de siete días, mientras expresa marcadores de madurez para ambos tipos de células. Este enfoque busca mejorar el rendimiento y la automatización de los sistemas de cultivo celular en 3D.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Biología celular
- Biotecnología
Antecedentes
- El modelado celular en 3D ha avanzado rápidamente, permitiendo representaciones más precisas de los fenotipos de enfermedades.
- Los métodos tradicionales para el desarrollo de cultivos en 3D son a menudo laboriosos y consumen mucho tiempo.
- La bioimpresión en 3D ofrece una solución al automatizar y escalar el desarrollo de cultivos complejos.
- Esta tecnología puede producir numerosos modelos idénticos rápidamente, minimizando el error humano en el proceso.
Propósito del estudio
- Crear un protocolo de alto rendimiento para establecer cocultivos 3D de células neuronales.
- Mejorar la velocidad y conveniencia del desarrollo de modelos en la investigación en neurociencia.
- Facilitar investigaciones adicionales sobre los efectos de los entornos de cultivo en 3D en los tipos de células neuronales.
Métodos utilizados
- La plataforma utiliza bioimpresión 3D para crear cocultivos dentro de matrices de hidrogel.
- El modelo biológico incluye neuronas y astrocitos derivados de iPSC, cultivados en un entorno 3D controlado.
- Este protocolo enfatiza el establecimiento eficiente de cocultivos con mínima intervención del usuario necesaria.
- Los tiempos clave implican evaluar la viabilidad celular y el crecimiento de neuritas dentro de un período de siete días.
- Los andamios de hidrogel se emplean para apoyar la integridad estructural y la funcionalidad de las células.
Resultados principales
- El modelo de cocultivo exhibió alta viabilidad celular posterior a la impresión y crecimiento significativo de neuritas dentro de siete días.
- Ambos tipos de células demostraron la expresión de marcadores de madurez, indicando un desarrollo exitoso.
- La creación rápida del modelo apoya aplicaciones de investigación más optimizadas y pruebas adicionales.
- Las conclusiones destacan el potencial de este protocolo para superar las barreras existentes en los modelos de cultivo celular complejos.
Conclusiones
- El estudio demuestra un método novedoso para desarrollar sistemas de cocultivo 3D escalables en la investigación en neurociencia.
- Este avance puede tener un impacto significativo en el futuro de los ensayos de alto rendimiento en la investigación neuronal.
- Los conocimientos obtenidos del uso de cultivos 3D podrían mejorar la comprensión de los mecanismos neuronales y la plasticidad.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
Three-dimensional bioprinting of human iPSC-derived neuron-astrocyte cocultures addresses the critical need for scalable, physiologically relevant models in neuroscience drug discovery. This platform enables rapid, standardized generation of complex neural systems suitable for medium-to-high throughput screening, directly supporting early-stage target validation and assay development. By overcoming throughput and reproducibility barriers, it enhances predictive confidence and portfolio decision-making in neurotherapeutic pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of neural pathway hypotheses in a physiologically relevant 3D context.
- Supports functional target validation by modeling neuron-astrocyte interactions at scale.
- Facilitates predictive de-risking through standardized, reproducible coculture systems.
Screening & Assay Development
- Delivers homogeneous 3D neural models compatible with 96- and 384-well formats for screening workflows.
- Supports quantitative readouts such as neurite outgrowth and viability for compound evaluation.
- Enables assay standardization and scalability, reducing manual variability and increasing throughput.
Translational & Preclinical Research
- Provides disease-relevant neural microenvironments for translational biomarker exploration.
- Maintains continuity from discovery to preclinical validation by modeling human neural physiology.
- Reduces risk of late-stage attrition by improving biological relevance of early screens.
Pipeline & Workflow Integration
This 3D bioprinting protocol integrates into the discovery-to-lead identification continuum, enabling rapid generation of neural models for early screening and mechanistic studies.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification in human-relevant neural systems.
- Screening: Provides reproducible, quantitative outputs for compound triage and prioritization.
- Analytics: Enables measurement of viability, neurite outgrowth, and marker expression for comparative analysis.
- Translational Research: Aligns with biomarker strategies by modeling neuron-astrocyte interactions in 3D.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, standardized platform adaptable across neuroscience R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in neural target validation.
- Operational Value: Streamlines model development with automation-ready, high-throughput formats.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by enabling robust early screening.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of neurotherapeutic candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in iPSC differentiation and 3D bioprinting technologies.
- Needs access to bioprinting instrumentation and compatible hydrogel matrices.
- Demands cross-team standardization for assay protocols and data analysis.
- Adaptation may be needed for different neural subtypes or disease models.
- Model performance depends on cell sourcing and hydrogel formulation optimization.
