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Research Article
Janko Kajtez1, Carmen Radeke2, Johan Ulrik Lind2, Jenny Emnéus3
1Novo Nordisk Foundation Center for Stem Cell Medicine (reNEW),University of Copenhagen, 2Department of Health Technology (DTU Health Tech),Technical University of Denmark, 3Department of Biotechnology and Biomedicine (DTU Bioengineering),Technical University of Denmark
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Ce travail décrit un protocole pour l’impression 3D intégrée de forme libre de cellules souches neurales à l’intérieur de composites de matrice particule-extracellulaire recuits auto-cicatrisants. Le protocole permet la structuration programmable de constructions de tissus neuraux humains interconnectés avec une haute fidélité.
L’impression 3D intégrée de cellules à l’intérieur d’un support granulaire est apparue au cours de la dernière décennie comme une approche puissante pour la biofabrication de formes libres de constructions de tissus mous. Cependant, les formulations de gel granulaire ont été limitées à un nombre limité de biomatériaux qui permettent la génération rentable de grandes quantités de microparticules d’hydrogel. Par conséquent, les milieux de support de gel granulaire n’ont généralement pas les fonctions adhésives cellulaires et instructives cellulaires trouvées dans la matrice extracellulaire native (ECM).
Pour résoudre ce problème, une méthodologie a été développée pour la génération de composites à matrice extracellulaire recuite auto-cicatrisante (SHAPE). Les composites SHAPE se composent d’une phase granulaire (microgels) et d’une phase continue (solution ECM visqueuse) qui, ensemble, permettent à la fois une impression haute fidélité programmable et un environnement extracellulaire biofonctionnel réglable. Ce travail décrit comment la méthodologie développée peut être utilisée pour la biofabrication précise de constructions neuronales humaines.
Tout d’abord, les microparticules d’alginate, qui servent de composant granulaire dans les composites SHAPE, sont fabriquées et combinées avec un composant continu à base de collagène. Ensuite, des cellules souches neurales humaines sont imprimées à l’intérieur du matériau de support, suivies du recuit du support. Les constructions imprimées peuvent être maintenues pendant des semaines pour permettre la différenciation des cellules imprimées en neurones. Simultanément, la phase continue de collagène permet la croissance axonale et l’interconnexion des régions. Enfin, ce travail fournit des informations sur la façon d’effectuer l’imagerie par fluorescence de cellules vivantes et l’immunocytochimie pour caractériser les constructions neuronales humaines imprimées en 3D.
L’impression 3D précise et programmable de constructions d’hydrogel chargées de cellules qui imitent les tissus mous in vitro présente un défi majeur. Par exemple, les tentatives basées sur l’extrusion directe d’hydrogels mous sont intrinsèquement problématiques, car les mauvaises propriétés mécaniques requises pour récapituler le microenvironnement in vivo entraînent un manque d’intégrité structurelle, des déformations des caractéristiques prédéfinies ou l’effondrement complet des structures fabriquées. Une solution de contournement conventionnelle pour ce problème consiste à imprimer un échafaudage de support à partir d’un matériau biocompatible plus rigide qui permet à la construction finale de conserver sa forme. Cependant, cette approche limite considérablement les possibilités de conception et nécessite un réglage rhéologique minutieux des encres adjacentes.
Pour surmonter les limites de l’impression 3D traditionnelle par extrusion couche par couche, l’impression 3D intégrée est apparue ces dernières années comme une alternative puissante pour la fabrication de matériaux mous et de tissus 1,2,3,4,5,6. Au lieu d’extruder l’encre dans l’air ambiant sur une surface, l’encre est directement déposée à travers une aiguille de seringue à l’intérieur d’un bain de support qui est solide au repos, mais fluidifie de manière réversible autour de la pointe de l’aiguille mobile pour permettre le dépôt précis d’un matériau chargé de cellules molles. Le matériau déposé est maintenu en place pendant que le support se resolidifie dans le sillage de l’aiguille. En tant que telle, l’impression 3D intégrée permet la fabrication libre haute résolution de structures complexes à partir de biomatériaux mous avec des possibilités de conception étendues 7,8.
Les gels granulaires ont été largement explorés comme matériaux de bain de support pour l’impression 3D intégrée, car ils peuvent être formulés pour présenter des transitions solide-liquide lisses, localisées et réversibles à des contraintes de faible rendement 9,10,11. Bien qu’ils présentent d’excellentes propriétés rhéologiques pour l’impression haute résolution, les gels granulaires ont été limités à une poignée de biomatériaux12. Le manque de diversité dans les formulations de gel granulaire, qui est particulièrement évident si l’on considère la large gamme de biomatériaux disponibles pour les formulations d’hydrogel en vrac, est causé par la nécessité de générer de manière rentable un grand nombre de microgels en utilisant des chimies simples. En raison du paysage biomatériau limité des supports de gel granulaire, le réglage du microenvironnement extracellulaire fourni par le support d’impression présente un défi sur le terrain.
Récemment, une approche modulaire a été développée pour la génération de supports d’impression 3D intégrés, appelés composites à matrice extracellulaire recuite auto-cicatrisante (SHAPE)13. Cette approche combine les propriétés rhéologiques distinctes des gels granulaires avec la polyvalence biofonctionnelle des formulations d’hydrogel en vrac. Le support composite SHAPE présenté est constitué de microparticules d’alginate emballées (phase granulaire, ~70% de fraction volumique) avec un espace interstitiel accru rempli d’une solution de prégel ECM visqueuse à base de collagène (phase continue, ~30% fraction volumique). Il a en outre été démontré que le support SHAPE facilite le dépôt à haute résolution de cellules souches neurales humaines (hNSC) qui, après le recuit du bain de support, peuvent être différenciées en neurones et maintenues pendant des semaines pour atteindre la maturation fonctionnelle. L’impression 3D intégrée à l’intérieur du bain de support SHAPE surmonte certaines des principales limitations liées aux techniques conventionnelles de biofabrication de tissus neuraux tout en offrant une plate-forme polyvalente.
Ce travail détaille les étapes de l’impression 3D intégrée des CSNh à l’intérieur du support SHAPE et leur différenciation ultérieure en neurones fonctionnels (Figure 1). Tout d’abord, les microparticules d’alginate sont générées par cisaillement lors de la gélification interne. Cette approche permet de générer facilement de grands volumes de microparticules sans avoir besoin d’équipement spécialisé et de réactifs cytotoxiques. En outre, l’alginate est une source de matériaux largement disponible et économique pour la formation de substrats d’hydrogel biocompatibles pour une gamme variée de types de cellules. Les microparticules d’alginate générées sont combinées avec une solution de collagène pour former le matériau de support composite SHAPE. Ensuite, les hNSC sont récoltés et chargés dans une seringue en tant que bio-encre cellulaire pour l’impression 3D. Une bio-imprimante 3D est utilisée pour l’impression embarquée par extrusion de hNSCs à l’intérieur du composite SHAPE. Les cellules imprimées en 3D sont différenciées en neurones pour donner lieu à des constructions neuronales humaines fonctionnelles et spatialement définies. Enfin, le protocole décrit comment les constructions tissulaires générées peuvent être caractérisées à l’aide de l’imagerie de cellules vivantes et de l’immunocytochimie. De plus, des conseils d’optimisation et de dépannage sont fournis. Notamment, les composants des phases granulaire et continue pourraient être échangés avec d’autres formulations d’hydrogel pour s’adapter à différentes fractions biofonctionnelles, propriétés mécaniques et mécanismes de réticulation, comme l’exigent d’autres types de cellules et de tissus au-delà des applications neuronales.
1. Préparation des tampons et des réactifs
2. Préparation du matériau composite SHAPE
3. Culture hNSC et préparation de bio-encre
4. Impression 3D intégrée
5. Imagerie par fluorescence de cellules vivantes
6. Immunocytochimie
La préparation de microgel d’alginate par amincissement par cisaillement pendant la gélification interne suivie d’une fragmentation mécanique donne des microgels d’alginate polydispersés de taille et de forme en flocons, comme le montre la figure 2G. La taille de ces particules irrégulières varie de moins de 1 μm à environ 40 μm de diamètre. Lorsqu’elles sont bien emballées, les microparticules forment un matériau en vrac transparent qui n’est que légèrement plus opaque que le milieu de culture cellulaire correspondant (Figure 2F). La transparence du matériau de support est un aspect important de la plate-forme car elle permet la visualisation des structures imprimées pendant la période de culture, ainsi que la microscopie confocale à haute résolution de constructions marquées à la fois avec des colorants de cellules vivantes et par immunocytochimie. Lorsqu’il est trempé dans un milieu de culture cellulaire tamponné, le gel ajusté au pH résultant doit avoir une couleur rouge, indiquant les conditions physiologiques (Figure 2F). Il est important de neutraliser le pH des microparticules d’alginate pour deux raisons. Les microparticules acides peuvent endommager directement les cellules. De plus, un environnement acide empêchera le recuit réussi du support composite SHAPE, car il interférerait avec la polymérisation du collagène.
L’impression de l’encre hNSC à l’aide des paramètres décrits ci-dessus donne un filament de cellules de ~200 μm de diamètre (Figure 4A). La géométrie programmée est conservée à la fois lors de l’impression dans un plan et lors de l’impression de structures les unes sur les autres. Dans le cas de l’impression multicouche, les structures imprimées restent intactes, avec une distance minimale couche à couche de 200 μm13. La viabilité des cellules ne doit pas être affectée de manière significative pendant la préparation de l’encre et l’extrusion. Les brins imprimés sont riches en cellules vivantes qui ont une morphologie ronde (Figure 4B, à gauche). Des trous dans les brins imprimés peuvent apparaître le lendemain de l’impression, même si la construction fabriquée ne présente aucune déformation immédiatement après l’impression. C’est très probablement le résultat d’un mélange inhomogène du support. Comme les cellules n’interagissent pas avec les microparticules d’alginate, elles migrent des zones riches en alginate vers les zones riches en collagène et en cellules, provoquant ainsi des ruptures dans les brins imprimés. De plus, le support SHAPE doit être sans bulles, car les poches d’air peuvent interférer avec la fidélité d’impression.
Une différenciation réussie des CSNh devrait produire des structures riches en neurones 30 jours après l’impression, avec des cellules présentant une morphologie neuronale avec de petits corps cellulaires et de longs processus minces (Figure 4B, à droite). De plus, si des motifs denses sont imprimés, comme une feuille rectangulaire de cellules, il ne devrait pas y avoir de lacunes visibles ou d’agrégats se formant pendant la différenciation, mais plutôt une couche continue de cellules devrait rester intacte (Figure 4C). Dans ce protocole, une procédure d’immunocytochimie par fluorescence des échantillons imprimés en 3D est décrite. La coloration de TUBB3, un marqueur neuronal cytoplasmique, permet la visualisation directe des réseaux neuronaux générés. La microscopie à fluorescence des impressions différenciées devrait révéler des structures riches en TUBB3 et à géométrie maintenue (Figure 4D, à gauche). Au cours du processus de différenciation, les cellules ne migrent pas hors des brins imprimés, comme on peut l’observer en colorant les noyaux cellulaires avec DAPI (Figure 4D, au milieu). En conséquence, les corps neuronaux sont observés dans les limites de la géométrie imprimée, avec des projections axonales qui émanent des centaines de micromètres dans le support SHAPE entourant la construction. L’exploration axonale du volume environnant indique que le support SHAPE fournit des indices biofonctionnels qui permettent la recherche axonale. Des marqueurs neuronaux plus matures ou des marqueurs spécifiques à un sous-type pourraient être utilisés en immunocytochimie pour caractériser davantage les populations neuronales générées. De plus, la construction neuronale imprimée a pu être caractérisée à l’aide de la RT-qPCR ou de l’électrophysiologie13. Les deux approches nécessiteraient toutefois l’élimination du collagène à l’aide de collagénase, car la couche d’hydrogel obstrue à la fois l’extraction de l’ARN et l’accès physique aux cellules avec une micropipette.

Figure 1 : Illustration conceptuelle de l’approche d’impression intégrée SHAPE. Une solution de collagène est mélangée à des microparticules d’alginate pour former le composite SHAPE; le composite SHAPE est utilisé comme matériau de support pour l’impression 3D intégrée de hNSC, qui sont différenciés en neurones à l’intérieur du support recuit. Les propriétés biofonctionnelles du composite SHAPE permettent aux neurones d’étendre les projections et de peupler la partie vide du support avec leurs projections axonales. Cette figure a été modifiée à partir de Kajtez et al.13. Abréviations : SHAPE = matrice extracellulaire particule-extracellulaire auto-cicatrisante et recuitable; hNSCs = cellules souches neurales humaines. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Préparation des microparticules d’alginate. (A) La solution d’alginate après gélification pendant la nuit. (B) Les microparticules d’alginate générées par homogénéisation. (C) La pastille de particules après centrifugation. (D) La pastille remise en suspension dans le DMEM (E) avant l’ajustement du pH et après l’ajustement du pH. (F) Les microparticules après incubation en milieu pendant une nuit et centrifugation. (G) Une image en fond clair des microparticules d’alginate fabriquées. Barre d’échelle = 100 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Préparation du processus d’impression 3D. (A) Un bouchon de boue (~100 μL) est chargé dans la seringue suivi de (B) du chargement de la bio-encre cellulaire (ici complétée par des billes colorées à des fins de visualisation). (C) L’embout conique en plastique (21 G) utilisé pour le chargement de l’encre est remplacé par un embout d’aiguille en métal émoussé de 27 G. (D) La seringue est insérée dans la tête d’impression 3D. (E,F) Le composite SHAPE est pipeté dans un puits d’une plaque de 48 puits. Le tube avec le composite SHAPE est maintenu sur la glace lorsqu’il n’est pas manipulé. (G) La pointe de l’aiguille d’impression est insérée dans le support SHAPE et l’impression du chemin défini par la conception informatique est lancée (ici, l’impression d’une spirale est représentée). Abréviation : SHAPE = matrice extracellulaire particule-extracellulaire auto-cicatrisante et recuitable. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Constructions neuronales imprimées en 3D à l’intérieur du support composite SHAPE. (A) Images en fond clair des CSNh imprimées à l’intérieur de l’hydrogel de support. Les conceptions de constructions en spirale (à gauche) et en pile de bois (à droite) sont affichées. (B) Imagerie de cellules vivantes d’une construction imprimée en 3D le lendemain de l’impression (à gauche) et après la différenciation neuronale (à droite). (C) Une construction carrée imprimée en 3D retirée d’un puits de culture avec une spatule présente une intégrité structurelle. (D) Images confocales de fluorescence de la même construction carrée immunomarquées pour un marqueur neuronal (TUBB3) et avec des noyaux contre-colorés (DAPI) confirmant la différenciation réussie des CSNh dans les constructions imprimées en 3D. Barres d’échelle = 500 μm (A, à droite); 100 μm (B,D). Les panneaux C et D de cette figure ont été modifiés à partir de Kajtez et al.13. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Ce travail décrit un protocole pour l’impression 3D intégrée de forme libre de cellules souches neurales à l’intérieur de composites de matrice particule-extracellulaire recuits auto-cicatrisants. Le protocole permet la structuration programmable de constructions de tissus neuraux humains interconnectés avec une haute fidélité.
La recherche a été principalement financée par le programme Horizon 2020 de l’Union européenne BrainMatTrain (n° H2020-MSCA-ITN-2015) dans le cadre du réseau de formation initiale Marie Skłodowska-Curie et de la convention de subvention n° 676408. C.R. et J.U.L. tiennent à remercier la Fondation Lundbeck (R250-2017-1425) et le Fonds de recherche indépendant du Danemark (8048-00050) pour leur soutien. Nous remercions le projet HORIZON-EIC-2021-PATHFINDEROPEN-01 101047177 OpenMIND.
| 1 mL Seringue étanche au gaz 1001 TLL | Hamilton | 81320 | |
| 3DDiscovery Bio-imprimante 3D | RegenHU | ||
| Acide acétique | Sigma-Aldrich | A6283 | |
| AlbuMAX | ThermoFisher | 11020021 | |
| Alexa Fluor 488 anticorps secondaire | ThermoFisher | A-11001 | Chèvre anti-souris |
| Aiguille émoussée, Sterican (21 G) | Aiguille | émoussée 9180109 | Braun |
| (27 G) | Cellink | NZ5270505001 | |
| Logiciel BioCAD | SolidWorks | ||
| Calcein AM | ThermoFisher | 65-0853-39 | |
| Carbonate de calcium | Sigma-Aldrich | C5929 | |
| Dibutyryl-cAMP sel de sodium | Sigma-Aldrich | D0627 | |
| Collagène Cultrex Rat I (5 mg/mL) | R& D Systems | 3440-100-01 | |
| DAPI | ThermoFisher | 62248 | |
| DMEM/F-12, GlutaMAX | ThermoFisher | 10565018 | |
| Sérum | d’âne Sigma-Aldrich | D9663 | |
| DPBS | ThermoFisher | 14190094 | |
| EGF | R& D Systems | 236-EG | |
| FGF | R& D Systems | 3718-FB | |
| Solution de formaldéhyde 4 %, tamponnée, pH 6,9 | Sigma-Aldrich | 100496 | |
| GDNF | R& D Systems | 212-GD | |
| Geltrex ThermoFisher | A1569601 | ||
| Glucose | Sigma-Aldrich | G7021 | |
| HEPES Buffer (1 M) | ThermoFisher | 15630080 | |
| L-Alanine | Sigma-Aldrich | 5129 | |
| L-Asparagine monohydrate | Sigma-Aldrich | A4284 | |
| Acide L-Aspartique | Sigma-Aldrich | A9256 | |
| Acide L-glutamique | Sigma-Aldrich | G1251 | |
| L-Proline | Sigma-Aldrich | P0380 | |
| Agitateur magnétique RET basic IKA | 3622000 | ||
| N-2 Supplément | ThermoFisher | 17502048 | |
| Pénicilline-Streptomycine | ThermoFisher | 15140122 | |
| Outil dispersant S25N-10G | IKA | 4447100 | |
| Alginate de sodium (80-120 cP) | FUJIFILM Wako | 194-13321 | |
| Azoture de sodium | Sigma-Aldrich | S2002 | |
| Bicarbonate de sodium | Sigma-Aldrich | S5761 | |
| Hydroxyde de sodium | Sigma-Aldrich | S5881 | |
| T18 Homogénéisateur numérique ULTRA-TURAX | IKA | 3720000 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | |
| Trypsine/EDTA Solution | ThermoFisher | R001100 | |
| TUBB3 | anticorpsBioLegend | 801213 | Souris |
| Gomme xanthane  ; | Sigma-Aldrich | G1253 |