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 bioimprimées en 3D de neurones et d'astrocyte dérivés de iPSC au sein de échafaudages en hydrogel. Le modèle développé fonctionne en formats de 96 ou 384 puits et démontre une viabilité élevée après impression et une croissance des neurites en sept jours, tout en exprimant des marqueurs de maturité pour les deux types de cellules. Cette approche vise à améliorer le débit et l'automatisation des systèmes de culture cellulaire 3D.
Composants clés de l'étude
Domaine de la science
- Neuroscience
- Biologie cellulaire
- Biotechnologie
Contexte
- La modélisation cellulaire 3D a rapidement progressé, permettant des représentations plus précises des phénotypes de maladies.
- Les méthodes traditionnelles de développement de culture 3D sont souvent laborieuses et chronophages.
- La bioimpression 3D offre une solution en automatisant et en mettant à l'échelle le développement de cultures complexes.
- Cette technologie peut produire rapidement de nombreux modèles identiques, minimisant l'erreur humaine dans le processus.
Objectif de l'étude
- Créer un protocole à haut débit pour établir des cocultures 3D de cellules neurales.
- Améliorer la rapidité et la commodité du développement de modèles dans la recherche en neurosciences.
- Faciliter l'investigation approfondie des effets des environnements de culture 3D sur les types de cellules neurales.
Méthodes utilisées
- La plateforme utilise la bioimpression 3D pour créer des cocultures dans des matrices d'hydrogel.
- Le modèle biologique comprend des neurones et des astrocytes dérivés de iPSC, 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 principaux délais impliquent l'évaluation de la viabilité cellulaire et de la croissance des neurites sur une période de sept jours.
- Les échafaudages en hydrogel sont utilisés pour soutenir l'intégrité structurelle et la fonctionnalité des cellules.
Résultats principaux
- Le modèle de coculture a présenté une viabilité cellulaire élevée après impression et une croissance significative des neurites en sept jours.
- Les deux types de cellules ont démontré l'expression de marqueurs de maturité, indiquant un développement réussi.
- La création rapide du modèle soutient des applications de recherche plus rationalisées et des tests supplémentaires.
- Les conclusions soulignent le potentiel de ce protocole pour surmonter les barrières existantes dans les modèles de culture cellulaire complexes.
Conclusions
- L'étude démontre une nouvelle méthode pour développer des systèmes de coculture 3D évolutifs dans la recherche en neurosciences.
- Cette avancée pourrait avoir un impact significatif sur l'avenir des tests à haut débit dans la recherche neurale.
- Les connaissances acquises grâce à l'utilisation de cultures 3D pourraient améliorer la compréhension des mécanismes neuronaux et de la plasticité.
Questions fréquemment posées
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.
