Création d'un tissu cardiaque exposant l'intégration mécanique des sphéroïdes à l'aide de la bioprinterie 3D
2 juillet 2017
Ce protocole décrit la bioprinture 3D du tissu cardiaque sans l'utilisation de biomatériaux. Les plaques cardiovasculaires bioprinées 3D présentent une intégration mécanique des sphéroïdes constitutifs et sont très prometteuses dans la régénération des tissus cardiaques et comme modèles 3D de maladies cardiaques.
Le but de cette vidéo est de démontrer la bio-impression 3D de tissu cardiaque sans l’utilisation de biomatériaux, en utilisant uniquement des cellules. Tout d’abord, les cardiomyocytes, les cellules endothéliales et les fibroblastes sont isolés, comptés et mélangés aux ratios cellulaires souhaités. Ils sont ensuite distribués à l’aide d’une pipette multicanaux et dans des puits individuels dans des plaques à 96 puits à fixation ultra basse.
Les cellules des plaques à 96 puits sont incubées pendant trois jours, après trois jours, elles forment des sphéroïdes qui battent spontanément. La microscopie confocale révèle l’expression de connects in 43, qui est marqué en vert par fluorescence dans les cardiomyocytes positifs à la troponine T, qui sont marqués par fluorescence en rouge lointain à l’intérieur des sphéroïdes. Les plaques de 96 puits contenant les sphéroïdes sont ensuite chargées dans la bio-imprimante 3D.
La bio-imprimante 3D commence par transférer la plaque à 96 puits à un endroit juste à côté du réseau d’aiguilles à l’aide d’une plate-forme mobile. La bio-imprimante 3D inspecte ensuite tous les sphéroïdes de la plaque à 96 puits pour obtenir des données pertinentes concernant chaque sphéroïde, telles que son diamètre et sa forme. Il s’agit d’une vue rapprochée du processus de bio-impression 3D.
Le sphéroïde est prélevé sur la plaque à 96 puits à gauche par une buse à l’aide d’une aspiration sous vide et placé à un endroit spécifique dans un réseau d’aiguilles à droite. Ce processus est répété jusqu’à ce que le processus de bio-impression 3D soit terminé. Jusqu’à ce que tous les sphéroïdes et la plaque à 96 puits aient été bio-imprimés, la bio-imprimante 3D stockera la plaque à 96 puits existante et chargera une nouvelle plaque, à l’aide de la plate-forme mobile.
Il s’agit d’une vidéo timelapse montrant une vue aérienne de la bio-impression 3D d’un patch de neuf par neuf à une vitesse de 100 fois, les aiguilles du réseau d’aiguilles sont disposées en formation de groupe et des sphéroïdes sont chargés sur chaque aiguille par le haut. Après trois jours dans des conditions stériles, le patch cardiaque de la bio-imprimante 3D est très soigneusement retiré du réseau d’aiguilles en faisant glisser doucement le morceau de plastique dur dans le réseau d’aiguilles sous le patch vers le haut. Lubrification avec une solution saline tamponnée au phosphate ou PBS, peut être appliquée sur les aiguilles au cours de cette étape si nécessaire, pour un retrait plus lisse et plus facile.
Le patch cardiaque bio-imprimé en 3D est très fragile, immédiatement après avoir été retiré du réseau d’aiguilles, il faut donc faire attention à ne pas l’endommager. Le patch cardiaque bio-imprimé en 3D est ensuite transféré dans une boîte de culture tissulaire de 35 millimètres contenant un milieu cellulaire approprié. Immédiatement après le retrait du réseau d’aiguilles, on remarque que le patch est déjà en train de battre, les trous de l’aiguille changeant de taille à chaque battement.
Le patch cardiaque bio-imprimé en 3D est laissé mûrir, pendant ce temps, les vides tissulaires causés par le réseau d’aiguilles sont remplis par les tissus environnants. Le patch cardiaque bio-imprimé en 3D continue de battre spontanément. En conclusion, il est possible de bio-imprimer en 3D du tissu cardiaque sans utiliser de biomatériaux.
Lespatchs cardiaques bio-imprimés en 3D présentent l’intégration mécanique des composants spheroids. 3D la bio-impression du tissu cardiaque a des applications cliniques prometteuses et la régénération du tissu cardiaque et dispose de modèles 3D du tissu cardiaque, de la réplication en pharmacologie prédictive et en toxicologie et du développement de thérapies dirigées vers les cellules et le génome.
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Aperçu
Ce protocole décrit l’impression biologique 3D de tissu cardiaque utilisant uniquement des cellules, sans biomatériaux. Les patchs cardiaques obtenus démontrent une intégration mécanique et présentent un potentiel pour la régénération du tissu cardiaque ainsi que pour servir de modèles dans l’étude des maladies cardiaques.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Impression biologique 3D
- Ingénierie tissulaire cardiaque
- Médecine régénérative
Contexte
- La régénération du tissu cardiaque est essentielle pour traiter les maladies du cœur.
- Les méthodes traditionnelles s'appuient souvent sur des biomatériaux, ce qui peut limiter l'intégration.
- L'utilisation exclusive de cellules pourrait améliorer la fonctionnalité des tissus bioprintés.
- Comprendre les interactions cellulaires est fondamental pour une ingénierie tissulaire réussie.
Objectif de l'étude
- Développer une méthode d'impression biologique 3D de tissus cardiaques sans biomatériaux.
- Évaluer l'intégration mécanique de greffons cardiaques imprimés biologiquement.
- Créer un modèle pour l'étude des maladies cardiaques.
Méthodes utilisées
- Isolation et comptage des cardiomyocytes, des cellules endothéliales et des fibroblastes.
- Mélange des cellules selon des rapports définis et distribution dans des plaques 96 puits à adhérence ultra-basse.
- Incubation des cellules pour former des sphéroïdes présentant des battements spontanés.
- Microscopie confocale pour évaluer l'expression cellulaire et l'intégration.
Résultats principaux
- Les sphéroïdes formés à partir de cellules mixtes ont présenté des battements spontanés.
- La microscopie confocale a confirmé l'expression de protéines clés dans les cardiomyocytes.
- La bioprinteuse 3D a intégré avec succès les sphéroïdes dans des correctifs cardiaques.
- L'intégration mécanique des correctifs a été démontrée.
Conclusions
- La bioprinting 3D sans biomatériaux est réalisable et efficace.
- L'approche présente un potentiel pour la régénération du tissu cardiaque.
- Cette méthode peut servir de modèle précieux pour la recherche sur les maladies cardiaques.
Questions fréquemment posées
Pertinence sectorielle pour les cadres
Cette méthode permet l'impression biologique 3D sans biomatériau de tissu cardiaque fonctionnel, offrant une approche évolutible pour générer des greffons tissulaires mécaniquement intégrés destinés à la modélisation préclinique des maladies et à la médecine régénérative. En utilisant uniquement des cellules, elle réduit la variabilité liée aux échafaudages exogènes et améliore la pertinence physiologique dans les tests de réponse aux médicaments et de toxicité. Les greffons obtenus, capables de battements spontanés, soutiennent la validation précoce des cibles thérapeutiques et la réduction des risques mécanistiques dans les filières de découverte cardiovasculaire.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Découverte précoce et validation de cibles
- Valeur scientifique : Permet l'interrogation des interactions multicellulaires dans la formation et la fonction du tissu cardiaque.
- Valeur opérationnelle : Fournit une plateforme reproductible pour évaluer les effets de composés sur des réseaux intégrés de cardiomyocytes, d'endothélium et de fibroblastes.
Développement de criblages et de tests
- Valeur scientifique : Génère des sphéroïdes cardiaques battants qui fusionnent en formant des plaques mécaniquement intégrées, permettant des mesures fonctionnelles de la contractilité.
- Valeur opérationnelle : Favorise la standardisation de l'architecture tissulaire grâce à un positionnement précis des sphéroïdes par bioprinting, améliorant ainsi la reproductibilité des tests.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Crée des modèles tridimensionnels de tissu cardiaque pertinents pour l'étude de la physiopathologie et de la réponse thérapeutique.
- Valeur opérationnelle : Permet la maturation de greffons bioprintés en culture, soutenant l'évaluation longitudinale de l'intégration et de la stabilité du tissu.
Intégration du pipeline et du flux de travail
Le flux opératoire positionne la génération de sphéroïdes et l’impression biologique comme un pont entre la découverte précoce et la validation préclinique, permettant la création de tissus cardiaques complexes destinés à une évaluation fonctionnelle en aval.
- Biologie de la découverte : Permet la vérification d'hypothèses sur les interactions entre cellules et l'intégration mécanique au niveau tissulaire dans un système multicellulaire défini.
- Criblage : Fournit des fragments cardiaques normalisés et battants dotés d'une activité contractile quantifiable, destinés au criblage de composés.
- Analytique : Permet la mesure des battements spontanés et de l'intégration structurale par imagerie et lectures fonctionnelles.
- Recherche translationnelle : Offre une continuité allant de la formation de sphéroïdes à la maturation de fragments tissulaires, modélisant le remodelage tissulaire lié au développement et aux maladies.
- Réutilisation en entreprise : Met en place un processus de bioprinting réutilisable pour générer des modèles de tissus cardiaques applicables à plusieurs cibles et indications.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Renforce la confiance prédictive en modélisant la mécanique tissulaire cardiaque et l'intégration cellulaire proches de l'état natif.
- Valeur opérationnelle : Élimine la variabilité liée aux biomatériaux, améliorant ainsi la reproductibilité entre les expériences et les sites.
- Valeur stratégique : Réduit le risque d'échec en phase avancée en permettant la détection précoce d'effets cardiotoxiques ou thérapeutiques dans un système pertinent pour l'humain.
- Impact sur le portefeuille : Éclaire les décisions ajustées au risque dans les programmes cardiovasculaires grâce à une fidélité améliorée du modèle et à une meilleure transposabilité des données.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise dans l'isolement de cellules primaires, la culture de sphéroïdes et l'utilisation d'une imprimante 3D biologique.
- Est tributaire de l'accès à une imprimante biologique dotée d'une capacité d'aspiration sous vide et d'embouts compatibles.
- Exige des rapports standardisés de mélange cellulaire et des plaques à adhérence ultra-basse pour une formation reproductible des sphéroïdes.
- Implique l'optimisation du temps de maturation et des conditions du milieu pour le développement de tissus fonctionnels.
- Est limité par l'échelle actuelle des patchs imprimés en 3D et par la nécessité d'une manipulation soigneuse après l'impression en raison de leur fragilité.
