Bio-impression tridimensionnelle de cocultures neurones-astrocytes humaines dérivées d’iPSC pour des applications de criblage
29 septembre 2023
Nous présentons ici un protocole pour produire des cocultures bio-imprimées en 3D de neurones et d’astrocytes dérivés d’iPSC. Ce modèle de coculture, généré à l’intérieur d’un échafaudage d’hydrogel dans des formats de 96 ou 384 puits, démontre une viabilité post-impression élevée et une croissance des neurites en 7 jours et montre l’expression de marqueurs de maturité pour les deux types de cellules.
La modélisation cellulaire 3D est un nouveau domaine qui s’est développé de manière exponentielle au cours de la dernière décennie. Il a été démontré que ces modèles facilitent la croissance neuronale et représentent plus précisément les phénotypes de la maladie. Cependant, nous pensons qu’il y a une évolution vers l’augmentation du débit de ces modèles et qu’il est nécessaire d’adopter l’automatisation dans le développement.
Les méthodes traditionnelles de développement de cultures 3D peuvent être laborieuses et longues à mettre en place, mais la bio-impression 3D est une technologie qui peut être appliquée pour mettre à l’échelle ces processus de développement. Cette technologie permet de créer des centaines de modèles identiques de manière efficace et sans erreur humaine. Ce protocole développe des cultures complexes car les cellules neurales sont cultivées en 3D dans des matrices d’hydrogel biologiquement actives.
Mais surtout, ce protocole privilégie la rapidité et la commodité dans le développement de modèles, ce qui peut faire défaut dans ce domaine et peut entraver la mise en œuvre dans l’industrie. Ce protocole définit une méthode permettant d’établir de nombreuses cocultures 3D de manière très efficace avec une contribution limitée des utilisateurs. Nous espérons que cela éliminera les obstacles à l’utilisation de modèles de culture cellulaire complexes dans les tests à haut débit et facilitera une étude plus approfondie de l’effet de la culture 3D sur les types de cellules neurales.
Aperçu
Cette étude présente un protocole pour la production efficace de cocultures tridimensionnelles de neurones et d'astrocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) dans des échafaudages hydrogels. Le modèle développé fonctionne dans des formats de 96 ou 384 puits et démontre une forte viabilité post-impression ainsi qu'une croissance des neurites dans les sept jours suivant l'impression, tout en exprimant des marqueurs de maturité pour les deux types cellulaires. Cette approche vise à améliorer le débit et l'automatisation des systèmes de culture cellulaire en 3D.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Biologie cellulaire
- Biotechnologie
Contexte
- La modélisation cellulaire en 3D a rapidement progressé, permettant des représentations plus précises des phénotypes de maladies.
- Les méthodes traditionnelles de développement des cultures en 3D sont souvent laborieuses et chronophages.
- La bioimpression en 3D offre une solution en automatisant et en amplifiant le développement de cultures complexes.
- Cette technologie peut produire rapidement de nombreux modèles identiques, réduisant ainsi les erreurs humaines durant le processus.
Objectif de l'étude
- Élaborer un protocole à haut débit pour établir des cocultures tridimensionnelles de cellules neuronales.
- Améliorer la rapidité et la facilité de développement de modèles en recherche en neurosciences.
- Faciliter des investigations supplémentaires sur les effets des environnements de culture tridimensionnels sur les types cellulaires neuronaux.
Méthodes utilisées
- La plateforme utilise l'impression biologique 3D pour créer des cocultures au sein de matrices d'hydrogel.
- Le modèle biologique comprend des neurones et des astrocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites, cultivés dans un environnement 3D contrôlé.
- Ce protocole met l'accent sur l'établissement efficace de cocultures avec une intervention minimale de l'utilisateur.
- Les délais clés impliquent l'évaluation de la viabilité cellulaire et de l'élaboration des neurites sur une période de sept jours.
- Des échafaudages d'hydrogel sont utilisés pour assurer l'intégrité structurelle et la fonctionnalité des cellules.
Résultats principaux
- Le modèle de coculture a présenté une forte viabilité cellulaire post-impression et une importante croissance de neurites en sept jours.
- Les deux types cellulaires ont exprimé des marqueurs de maturité, indiquant un développement réussi.
- La création rapide du modèle favorise des applications de recherche plus efficaces ainsi que des tests supplémentaires.
- Les conclusions soulignent le potentiel de ce protocole à surmonter les obstacles actuels dans les modèles de culture cellulaire complexes.
Conclusions
- La présente étude démontre une méthode novatrice pour développer des systèmes de coculture 3D évolutifs en recherche neuroscientifique.
- Cette avancée pourrait avoir un impact significatif sur l'avenir des tests à haut débit en recherche neuronale.
- Les connaissances acquises grâce à l'utilisation de cultures 3D pourraient améliorer la compréhension des mécanismes neuronaux et de la plasticité.
Questions fréquemment posées
Pertinence industrielle pour les cadres
L'impression biologique tridimensionnelle de cocultures de neurones et d'astrocytes dérivés de cellules souches pluripotentes induites humaines répond au besoin crucial de modèles évolutifs et physiologiquement pertinents dans la découverte de médicaments en neurosciences. Cette plateforme permet une génération rapide et standardisée de systèmes neuronaux complexes, adaptés à un criblage de débit moyen à élevé, soutenant ainsi directement la validation précoce des cibles et le développement de tests. En surmontant les obstacles liés au débit et à la reproductibilité, elle améliore la fiabilité prédictive et l'aide à la décision pour les portefeuilles de projets dans les filières thérapeutiques neurologiques.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmacie
Début de la découverte et validation de la cible
- Permet l'interrogation d'hypothèses concernant les voies neuronales dans un contexte tridimensionnel physiologiquement pertinent.
- Prend en charge la validation fonctionnelle de cibles en modélisant à grande échelle les interactions entre neurones et astrocytes.
- Facilite la réduction prédictive des risques grâce à des systèmes de coculture standardisés et reproductibles.
Développement de tests et de criblages
- Permet d'obtenir des modèles neuronaux tridimensionnels homogènes compatibles avec des formats 96- et 384-puits pour les procédés de criblage.
- Prend en charge des mesures quantitatives telles que la croissance des neurites et la viabilité cellulaire pour l'évaluation de composés.
- Facilite la standardisation et l'évolutivité des tests, réduit la variabilité manuelle et augmente le débit.
Recherche translationnelle et préclinique
- Offre des microenvironnements neuronaux pertinents pour la maladie afin d'explorer des biomarqueurs translationnels.
- Préserve la continuité entre la découverte et la validation préclinique en modélisant la physiologie neuronale humaine.
- Réduit le risque d'échec en phase avancée en améliorant la pertinence biologique des criblages précoces.
Intégration du pipeline et du flux de travail
Ce protocole de bioimpression 3D s'intègre dans la continuité découverte-identification de candidats précliniques, permettant une génération rapide de modèles neuronaux pour le criblage précoce et les études mécanistiques.
- Biologie de la découverte : Soutient la vérification des hypothèses et la clarification des voies dans des systèmes neuronaux pertinents pour l'humain.
- Criblage : Fournit des résultats reproductibles et quantitatifs pour le tri et la priorisation de composés.
- Analytique : Permet la mesure de la viabilité, de l'élaboration des neurites et de l'expression des marqueurs en vue d'analyses comparatives.
- Recherche translationnelle : S'aligne sur les stratégies de biomarqueurs en modélisant les interactions neurone-astrocyte en 3D.
- Réutilisation en entreprise : Offre une plateforme évolutible et standardisée, adaptable à divers programmes de recherche et développement en neurosciences.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive et réduit l'ambiguïté mécanistique dans la validation des cibles neuronales.
- Valeur opérationnelle : Simplifie le développement de modèles grâce à des formats haut débit prêts à l'automatisation.
- Valeur stratégique : Améliore les décisions d'avancement ou d'abandon et l'efficacité du capital en permettant un criblage précoce robuste.
- Impact sur le portefeuille : Favorise la priorisation et l'avancement, ajustées au risque, des candidats thérapeutiques neurologiques.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en différenciation des iPSC et en technologies d’impression biologique 3D.
- Suppose un accès à des instruments d’impression biologique et à des matrices d’hydrogel compatibles.
- Exige une standardisation interéquipes pour les protocoles d’essai et l’analyse des données.
- Une adaptation peut être nécessaire selon les sous-types neuronaux ou les modèles de maladies.
- Les performances du modèle dépendent de l’approvisionnement cellulaire et de l’optimisation de la formulation de l’hydrogel.
