Impresión 3D de polimerización de dos fotones de dispositivos de cultivo de células neuronales a microescala
7 de junio de 2024
La impresión 3D a escala micrométrica permite la creación rápida de prototipos de dispositivos poliméricos para cultivos de células neuronales. Como prueba de principio, las conexiones estructurales entre las neuronas se vieron limitadas por la creación de barreras y canales que influyen en el crecimiento de las neuritas, mientras que las consecuencias funcionales de dicha manipulación fueron observadas por la electrofisiología extracelular.
Estamos ampliamente interesados en la relación entre las funciones estructurales y en el cerebro, particularmente a nivel de microcircuitos. A menudo empleamos preparaciones experimentales reducidas, como el cultivo de células neuronales disociadas, porque son un modelo precioso para investigar la actividad eléctrica, la transmisión sináptica y, en general, la aparición de estados colectivos. El método que proponemos es ideal para la fabricación rápida de dispositivos poliméricos a microescala.
Esto se puede utilizar inmediatamente para el estudio experimental de redes neuronales modulares en una placa, y no requiere un alto nivel de experiencia técnica en fotolitografía blanda. Este método y nuestra sencilla prueba de concepto permiten el diseño de redes neuronales modulares donde podemos definir la estructura y controlar el flujo de señales biológicas. El cribado de fármacos y la investigación de enfermedades patológicas se benefician inmediatamente de estas sofisticadas redes neuronales in vitro.
Resumen
Este estudio explora el uso de la impresión 3D a escala micrométrica para crear dispositivos poliméricos destinados a cultivos celulares neuronales, permitiendo el diseño de redes neuronales modulares. Al restringir las conexiones estructurales entre neuronas mediante barreras y canales, los investigadores analizaron las consecuencias funcionales sobre el crecimiento de neuritas mediante electrofisiología extracelular.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Biología Celular
- Impresión 3D de Biomateriales
Antecedentes
- La relación entre la estructura y la función en microcircuitos neuronales.
- Uso de cultivos celulares de neuronas disociadas para estudiar la actividad eléctrica y la transmisión sináptica.
- Importancia de dispositivos fabricados rápidamente para la investigación experimental.
- Enfoque en el cribado de fármacos y la investigación de condiciones patológicas.
Objetivo del estudio
- Demostrar la fabricación rápida de dispositivos poliméricos a escala microscópica.
- Facilitar el estudio experimental de redes neuronales modulares in vitro.
- Definir la estructura y controlar el flujo de señales biológicas.
Métodos Utilizados
- Técnicas de impresión 3D para crear dispositivos basados en PDMS para cultivos neuronales.
- Aislamiento y cultivo de células neuronales de ratas lactantes en matrices de microelectrodos (MEAs).
- Electrofisiología extracelular para monitorear la actividad neuronal.
- Los pasos incluyeron software de diseño para componentes 3D, curado con UV y esterilización del dispositivo.
Resultados principales
- La imagenología en vivo mostró el crecimiento de neuritas influenciado por modificaciones estructurales.
- El análisis electrofisiológico indicó patrones significativos de actividad neuronal en respuesta a restricciones estructurales.
- Los hallazgos subrayan la importancia de la estructura física para favorecer las interacciones celulares.
Conclusiones
- El estudio demuestra un método novedoso para crear entornos neuronales personalizados in vitro.
- Fomenta la exploración adicional de redes neuronales diseñadas para aplicaciones de investigación y clínicas.
- Implicaciones para la comprensión de los mecanismos neuronales y la modelización de enfermedades.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
El prototipado rápido de dispositivos para cultivos neuronales a microescala mediante impresión 3D por polimerización de dos fotones (2PP) permite un control preciso sobre la arquitectura de las redes neuronales, favoreciendo modelos in vitro avanzados de microcircuitos cerebrales. Esta capacidad mejora la confianza predictiva en las primeras etapas del descubrimiento de neurotecnologías y facilita la investigación traslacional al reducir la brecha entre cultivos celulares simplificados y sistemas complejos in vivo. Este enfoque resulta especialmente relevante para la adquisición de datos neuronales de alto rendimiento, la modelización de enfermedades y las líneas de investigación en neurofarmacología preclínica.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biofármacos
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite la investigación de la conectividad neuronal y la función sináptica en microentornos controlados.
- Apoya la desestimación mecanicista al permitir el diseño modular de redes y estudios de flujo direccional de señales.
- Facilita la validación funcional de objetivos mediante lecturas electrofisiológicas en tiempo real.
Desarrollo de Pruebas y Cribado
- Proporciona plataformas estandarizadas y reproducibles para la selección de compuestos en circuitos neuronales fisiológicamente relevantes.
- Acelera el desarrollo de ensayos al permitir una rápida iteración de geometrías del dispositivo y configuraciones de redes.
- Permite grabaciones extracelulares cuantitativas y en múltiples sitios para una generación robusta de datos.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Mejora la relevancia de la enfermedad mediante la modelización de la conectividad neural compartimentalizada y la plasticidad sináptica.
- Permite la continuidad desde el descubrimiento hasta la validación preclínica con sistemas in vitro escalables y personalizables.
- Posibilita decisiones de avance ajustadas al riesgo al proporcionar datos funcionales sobre respuestas a nivel de red.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
Este flujo de trabajo de impresión 3D por 2PP integra la interfaz entre el descubrimiento inicial, el desarrollo de ensayos y la investigación preclínica, permitiendo el diseño iterativo y la prueba funcional de redes neuronales.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre las relaciones entre estructura y función en circuitos neuronales.
- Selección: Proporciona resultados electrofisiológicos cuantitativos y reproducibles para la evaluación de compuestos.
- Análisis: Ofrece datos multilaterales de alta resolución para el análisis comparativo de la actividad en red.
- Investigación Traducional: Alinea modelos in vitro con conectividad y puntos finales funcionales relevantes para enfermedades.
- Reutilización Empresarial: Ofrece una plataforma flexible adaptable a diversos estudios neurobiológicos y farmacológicos.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en los estudios de objetivos neuronales.
- Valor operativo: Agiliza el prototipado, la estandarización y la reproducibilidad de dispositivos para cultivos neuronales.
- Valor estratégico: Permite tomar decisiones informadas de avance o interrupción del proyecto y un progreso eficiente en la asignación de capital en la cartera.
- Impacto en la cartera: Facilita la priorización y el avance ajustados al riesgo de los activos en neurotecnología.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en software de diseño 3D y en procesos de microfabricación.
- Necesita acceso a impresoras 3D de polimerización de dos fotones e instrumentación para electrofisiología.
- Exige estandarización entre equipos para los protocolos de fabricación de dispositivos y de adquisición de datos.
- Adaptable a diversos tipos neuronales y paradigmas experimentales mediante la optimización del protocolo.
- La escalabilidad y el rendimiento pueden verse limitados por las restricciones en la fabricación y manipulación.
Preguntas frecuentes sobre biofármacos
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
