הדפסה ביולוגית תלת-ממדית של תרביות נוירון-אסטרוציטים אנושיות שמקורן ב-iPSC עבור יישומי סינון
29 בספטמבר 2023
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לייצור תרביות משולבות בהדפסה ביולוגית תלת-ממדית של נוירונים ואסטרוציטים שמקורם ב-iPSC. מודל קוקולטורה זה, שנוצר בתוך פיגום הידרוג'ל בפורמטים של 96 או 384 בארות, מדגים כדאיות גבוהה לאחר ההדפסה וצמיחת עצבים תוך 7 ימים ומראה את הביטוי של סמני בשלות עבור שני סוגי התאים.
מידול תאים תלת ממדי הוא תחום חדשני שהתרחב באופן אקספוננציאלי בעשור האחרון. מודלים אלה הוכחו הן להקל על צמיחה עצבית ובאופן מדויק יותר לייצג פנוטיפים של מחלות. עם זאת, אנו מאמינים שיש שינוי לכיוון הפיכת מודלים אלה לתפוקה גבוהה יותר וצורך לאמץ אוטומציה בתוך הפיתוח.
שיטות מסורתיות לפיתוח תרבויות תלת-ממדיות יכולות להיות מייגעות וגוזלות זמן להקמה, אך הדפסה ביולוגית תלת-ממדית היא טכנולוגיה שניתן ליישם כדי להרחיב את תהליכי הפיתוח הללו. טכנולוגיה זו מאפשרת ליצור מאות דגמים זהים ביעילות וללא טעויות אנוש. פרוטוקול זה מפתח תרביות מורכבות מכיוון שהתאים העצביים גדלים בתלת-ממד במטריצות הידרוג'ל פעילות ביולוגית.
אבל באופן קריטי, פרוטוקול זה מתעדף מהירות ונוחות בפיתוח מודלים, אשר יכול להיות חסר בתחום זה יכול לעכב את היישום לתוך התעשייה. פרוטוקול זה מגדיר שיטה להקים תרבויות תלת-ממדיות רבות ביעילות רבה עם קלט מוגבל מהמשתמשים. אנו מקווים שזה יסיר מחסומים לשימוש במודלים מורכבים של תרביות תאים במבחני תפוקה גבוהה ויקל על חקירה נוספת של ההשפעה של תרבית תלת-ממדית על סוגי תאים עצביים.
סקירה כללית
מחקר זה מציג פרוטוקול לייצור יעיל של תרביות משולבות (cocultures) בהדפסה ביו-תלת-ממדית של נוירונים ואסטרוציטים המופקים מ-iPSC בתוך פיגומים של הידרוג'ל. המודל שפותח פועל בפורמטים של 96 או 384 בארות ומראה חיוניות גבוהה לאחר ההדפסה וצמיחת נוריטים בתוך שבעה ימים, תוך ביטוי של סמני בגרות עבור שני סוגי התאים. גישה זו שואפת להגביר את התפוקה ואת האוטומציה של מערכות תרביות תאים בתלת-ממד.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביולוגיה של התא
- ביוטכנולוגיה
רקע
- מידול תאים בתלת-ממד התקדם במהירות, מה שמאפשר ייצוגים מדויקים יותר של פנוטיפים של מחלות.
- שיטות מסורתיות לפיתוח תרביות בתלת-ממד הן לרוב עתירות עבודה וזמן.
- הדפסה ביובית בתלת-ממד מציעה פתרון באמצעות אוטומציה והרחבה של פיתוח תרביות מורכבות.
- טכנולוגיה זו יכולה להפיק מספר רב של מודלים זהים במהירות, ובכך למזער טעויות אנוש בתהליך.
מטרת המחקר
- ליצור פרוטוקול בעבודת תפוקה גבוהה (high-throughput) להקמת תרביות משותפות תלת-ממדיות (3D cocultures) של תאי עצב.
- לשפר את המהירות והנוחות של פיתוח מודלים במחקר בתחום מדעי העצבים.
- להקל על חקירה מעמיקה יותר של השפעות סביבות גידול תלת-ממדיות על סוגים שונים של תאי עצב.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הפלטפורמה משתמשת בביו-הדפסה בתלת-ממד ליצירת תרביות משולבות (cocultures) בתוך מטריצות של הידרוג'ל.
- המודל הביולוגי כולל נוירונים ואסטרוציטים המופקים מ-iPSC, הגדלים בסביבת תלת-ממד מבוקרת.
- פרוטוקול זה שם דגש על הקמה יעילה של תרבית משולבת עם מינימום התערבות של המשתמש.
- לוחות הזמנים המרכזיים כוללים הערכת חיוניות תאים וצמיחת נוריטים בתוך תקופה של שבעה ימים.
- פיגומים של הידרוג'ל משמשים לתמיכה בשלמות המבנית ובתפקודיות של התאים.
תוצאות עיקריות
- מודל השילוב התרבותי הראה חיוניות תאים גבוהה לאחר ההדפסה וצמיחה משמעותית של נוריטים בתוך שבעה ימים.
- שני סוגי התאים הראו ביטוי של סממני בשלות, המעידים על התפתחות מוצלחת.
- יצירה מהירה של המודל תומכת ביישומים מחקריים יעילים יותר ובבדיקות נוספות.
- המסקנות מדגישות את הפוטנציאל של פרוטוקול זה להתגבר על מחסומים קיימים במודלים מורכבים של תרביות תאים.
מסקנות
- המחקר מדגים שיטה חדשנית לפיתוח מערכות תרביות משולבות (coculture) בתלת-ממד בעלות יכולת הרחבה (scalable) למחקר במדעי העצבים.
- התקדמות זו עשויה להשפיע באופן משמעותי על עתידן של בדיקות תפוקה גבוהה (high-throughput assays) במחקר עצבי.
- תובנות שיושגו משימוש בתרביות תלת-ממד עשויות לשפר את ההבנה של מנגנונים עצביים ושל פלסטיות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
ביודפוס תלת-ממדי של תרביות משותפות של נוירונים ואסטרוציטים המופקים מתאי גזע פלוריאנטים של בני אדם (iPSC) נותן מענה לצורך הקריטי במודלים ניתנים להרחבה ובעלי רלוונטיות פיזיולוגית בתחום גילוי תרופות למדעי העצבים. פלטפורמה זו מאפשרת יצירה מהירה וסטנדרטית של מערכות עצביות מורכבות המתאימות לסריקות בקיבולת בינונית עד גבוהה, ובכך היא תומכת באופן ישיר בתיקוף מטרות ובפיתוח בדיקות בשלבים מוקדמים. על ידי התגברות על מחסומי קיבולת וניתנות לשחזור, היא משפרת את רמת הביטחון בניבוי ואת קבלת ההחלטות לגבי תיקי הפיתוח בקווי הייצור של תרופות נוירותרפיוטיות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של היפותזות על מסלולים עצביים בהקשר תלת-ממדי רלוונטי פיזיולוגית.
- תומך בתיקוף פונקציונלי של מטרות על ידי מידול אינטראקציות בין נוירונים לאסטרוציטים בקנה מידה רחב.
- מסייע בהפחתת סיכונים חזויה באמצעות מערכות תרביות משולבות (coculture) סטנדרטיות וניתנות לשחזור.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק מודלים עצביים תלת-ממדיים הומוגניים התואמים לפורמטים של 96 ו-384 בארות עבור תהליכי סריקה.
- תומך בקריאות כמותיות כגון צמיחת נוריטים וחיוניות לצורך הערכת תרכובות.
- מאפשר סטנדרטיזציה של הבדיקה ויכולת הרחבה, תוך הפחתת שונות ידנית והגברת התפוקה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מספק מיקרו-סביבות עצביות רלוונטיות למחלה לצורך חקר ביומרקרים תרגומיים.
- שומר על רציפות משלב הגילוי ועד לאישור פרה-קלניי על ידי מידול פיזיולוגיה עצבית אנושית.
- מפחית את הסיכון לנשירה בשלבים מאוחרים על ידי שיפור הרלוונטיות הביולוגית של סריקות מוקדמות.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד (Pipeline)
פרוטוקול ביו-הדפסה תלת-ממדית זה משתלב ברצף של תהליך הזיהוי משלב הגילוי ועד לשלב זיהוי המועמד המוביל (lead identification), ומאפשר יצירה מהירה של מודלים עצביים לצורך סריקה מוקדמת ומחקרי מנגנון.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת השערות ובבירור מסלולים במערכות עצביות רלוונטיות לבני אדם.
- סריקה: מספקת פלטים כמותיים הניתנים לשחזור לצורך מיון ותיעדוף של תרכובות.
- אנליזה: מאפשרת מדידה של חיוניות, צמיחת נוריטים וביטוי סמנים לצורך ניתוח השוואתי.
- מחקר תרגומי: עולה בקנה אחד עם אסטרטגיות של סמנים ביולוגיים על ידי מידול אינטראקציות בין נוירונים לאסטרוציטים בתלת-ממד.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה פלטפורמה סטנדרטית וניתנת להרחבה, הניתנת להתאמה בתוכניות מו"פ שונות בתחום מדעי המוח.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתיקוף של מטרות עצביות.
- ערך תפעולי: מייעל את פיתוח המודלים באמצעות פורמטים בעלי תפוקה גבוהה ומוכנים לאוטומציה.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת החלטות go/no-go ואת היעילות ההונית על ידי אפשור סריקת ראשונית רבדית.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכון ובקידום של מועמדים לטיפולים נוירותרפויטיים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בהגבהה של iPSC ובטכנולוגיות הדפסה ביוביולוגית בתלת-ממד.
- נדרשת גישה לציוד הדפסה ביוביולוגית ולמטריצות הידרוג'ל תואמות.
- נדרש סטנדרטיזציה בין-צוותית עבור פרוטוקולי בדיקה וניתוח נתונים.
- ייתכן שיהיה צורך בהתאמה עבור תתי-סוגים עצביים שונים או מודלים של מחלות.
- ביצועי המודל תלויים במקור התאים ובאופטימיזציה של פורמולציית ההידרוג'ל.
