Polymérisation à deux photons : impression 3D de dispositifs de culture de cellules neuronales à micro-échelle
7 juin 2024
L’impression 3D à l’échelle micrométrique permet le prototypage rapide de dispositifs polymères pour les cultures cellulaires neuronales. En tant que preuve de principe, les connexions structurelles entre les neurones ont été contraintes par la création de barrières et de canaux influençant la croissance des neurites, tandis que les conséquences fonctionnelles d’une telle manipulation ont été observées par électrophysiologie extracellulaire.
Nous nous intéressons de manière générale à la relation entre les fonctions structurelles et les fonctions dans le cerveau, en particulier au niveau des micro-circuits. Nous utilisons souvent des préparations expérimentales réduites telles que la culture de cellules neuronales dissociées car elles constituent un modèle précieux pour étudier l’activité électrique, la transmission synaptique et, dans l’ensemble, l’émergence d’états collectifs. La méthode que nous proposons est idéale pour la fabrication rapide de dispositifs polymères à l’échelle microscopique.
Cela peut être immédiatement utilisé pour l’étude expérimentale de réseaux neuronaux modulaires dans une boîte, et cela ne nécessite pas un haut niveau d’expertise technique en photolithographie douce. Cette méthode et notre preuve de concept simple permettent de concevoir des réseaux neuronaux modulaires où nous pouvons définir la structure et contrôler le flux de signaux biologiques. Le criblage de médicaments et l’investigation des conditions pathologiques bénéficient immédiatement de ces réseaux neuronaux in vitro sophistiqués.
Aperçu
Cette étude explore l'utilisation de l'impression 3D à l'échelle micrométrique pour créer des dispositifs polymères destinés aux cultures de cellules neuronales, permettant ainsi la conception de réseaux neuronaux modulaires. En contrôlant les connexions structurelles entre les neurones au moyen de barrières et de canaux, les chercheurs ont examiné les conséquences fonctionnelles sur la croissance des neurites à l'aide d'une électrophysiologie extracellulaire.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Biologie cellulaire
- Impression biologique 3D
Contexte
- La relation entre la structure et la fonction dans les microcircuits neuronaux.
- Utilisation de cultures cellulaires de neurones dissociés pour l'étude de l'activité électrique et de la transmission synaptique.
- Importance des dispositifs fabriqués rapidement pour la recherche expérimentale.
- Un accent mis sur le criblage de médicaments et l'investigation des conditions pathologiques.
Objectif de l'étude
- Démontrer la fabrication rapide de dispositifs polymériques à l'échelle microscopique.
- Faciliter l'étude expérimentale de réseaux neuronaux modulaires in vitro.
- Définir la structure et contrôler le flux des signaux biologiques.
Méthodes utilisées
- Techniques d'impression 3D pour créer des dispositifs à base de PDMS destinés aux cultures neuronales.
- Isolation et culture de cellules neuronales de ratons sur des réseaux de microélectrodes (MEA).
- Électrophysiologie extracellulaire pour surveiller l'activité neuronale.
- Les étapes comprenaient l'utilisation d'un logiciel de conception pour les composants 3D, la polymérisation UV et la stérilisation du dispositif.
Résultats principaux
- L'imagerie en direct a montré que la croissance des neurites était influencée par des modifications structurelles.
- L'analyse électrophysiologique a révélé des schémas d'activité neuronale significatifs en réponse à des contraintes structurelles.
- Les résultats soulignent l'importance de la structure physique dans la promotion des interactions cellulaires.
Conclusions
- L'étude démontre une méthode novatrice pour créer des environnements neuronaux sur mesure in vitro.
- Encourage une exploration approfondie des réseaux neuronaux conçus pour des applications de recherche et cliniques.
- Des implications pour la compréhension des mécanismes neuronaux et la modélisation des maladies.
Questions fréquemment posées
Pertinence industrielle pour les cadres
La prototypage rapide de dispositifs de culture neuronale à l'échelle microscopique par impression 3D par polymérisation à deux photons (2PP) permet un contrôle précis de l'architecture des réseaux neuronaux, soutenant ainsi une modélisation avancée des microcircuits cérébraux in vitro. Cette capacité renforce la fiabilité prédictive dans les premières phases de découverte en neurotechnologie et facilite la recherche translationnelle en comblant l'écart entre les cultures cellulaires simplifiées et les systèmes complexes in vivo. Cette approche est particulièrement pertinente pour l'acquisition de données neuronales à haut débit, la modélisation des maladies et les pipelines de neuropharmacologie préclinique.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Découverte précoce et validation de cibles
- Permet l'interrogation de la connectivité neuronale et de la fonction synaptique dans des microenvironnements contrôlés.
- Prend en charge la réduction des risques mécanistiques en permettant une conception modulaire des réseaux et des études sur le flux directionnel des signaux.
- Facilite la validation fonctionnelle des cibles grâce à des lectures électrophysiologiques en temps réel.
Développement de criblage et de tests
- Offre des plateformes standardisées et reproductibles pour le criblage de composés dans des circuits neuronaux physiologiquement pertinents.
- Accélère le développement des tests en permettant une itération rapide des géométries de dispositifs et des configurations de réseaux.
- Permet des enregistrements extracellulaires quantitatifs et multipoints pour une génération de données robuste.
Recherche translationnelle et préclinique
- Améliore la pertinence pathologique en modélisant la connectivité neuronale compartimentée et la plasticité synaptique.
- Permet une continuité entre la découverte et la validation préclinique grâce à des systèmes in vitro évolutifs et personnalisables.
- Permet de prendre des décisions d'avancement ajustées au risque en fournissant des données fonctionnelles sur les réponses au niveau du réseau.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Ce flux de travail d'impression 3D par 2PP s'intègre à l'interface entre la découverte précoce, le développement de tests et la recherche préclinique, permettant une conception itérative et des tests fonctionnels de réseaux neuronaux.
- Biologie de la découverte : Permet la vérification d'hypothèses sur les relations structure-fonction dans les circuits neuronaux.
- Écrantage : Fournit des résultats électrophysiologiques quantitatifs et reproductibles pour l'évaluation de composés.
- Analytique : Fournit des données multisites à haute résolution pour l'analyse comparative de l'activité des réseaux.
- Recherche translationnelle : Aligne les modèles in vitro avec les connexions et les paramètres fonctionnels pertinents pour la maladie.
- Réutilisation en entreprise : Offre une plateforme souple adaptable à diverses études neurobiologiques et pharmacologiques.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive et réduit l'ambiguïté mécanistique dans les études sur les cibles neuronales.
- Valeur opérationnelle : Simplifie la conception préliminaire, la standardisation et la reproductibilité des dispositifs de culture neuronale.
- Valeur stratégique : Permet de prendre des décisions éclairées d'aller/arrêt et d'assurer une progression du portefeuille efficiente en capital.
- Impact sur le portefeuille : Favorise la priorisation et l'avancement, ajustées au risque, des actifs en neurotechnologie.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en logiciels de conception 3D et en procédés de microfabrication.
- Exige un accès à des imprimantes 3D utilisant la polymérisation à deux photons et à des instruments d'électrophysiologie.
- Implique une standardisation interéquipes pour les protocoles de fabrication des dispositifs et d'acquisition des données.
- Adaptable à divers types de neurones et à différents paradigmes expérimentaux moyennant une optimisation des protocoles.
- La reproductibilité à grande échelle et le débit peuvent être limités par les contraintes de fabrication et de manipulation.
F.A.Q. sur la bio-industrie pharmaceutique
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
