פילמור שני פוטונים הדפסה תלת-ממדית של התקני תרבית תאים עצביים בקנה מידה מיקרוני
7 ביוני 2024
הדפסה תלת ממדית בקנה מידה מיקרומטרי מאפשרת אב טיפוס מהיר של התקנים פולימריים עבור תרביות תאים עצביים. כהוכחה עקרונית, קשרים מבניים בין נוירונים הוגבלו על ידי יצירת מחסומים וערוצים המשפיעים על צמיחת נוירוטים, בעוד שההשלכות התפקודיות של מניפולציה כזו נצפו על ידי אלקטרופיזיולוגיה חוץ-תאית.
אנו מתעניינים באופן נרחב בקשר שבין מבנים ותפקודים במוח, במיוחד ברמת המיקרו-מעגלים. לעתים קרובות אנו משתמשים בתכשירים ניסיוניים מופחתים כגון תרבית תאי נוירון מנותקת מכיוון שהם מודל יקר ערך לחקר פעילות חשמלית, שידור סינפטי, ובאופן כללי, הופעתם של מצבים קולקטיביים. השיטה שאנו מציעים אידיאלית לייצור מהיר של התקנים פולימריים בקנה מידה מיקרו.
זה יכול לשמש באופן מיידי למחקר ניסיוני של רשתות עצביות מודולריות בצלחת, וזה לא דורש רמה גבוהה של מומחיות טכנית פוטוליתוגרפיה רכה. שיטה זו והוכחת ההיתכנות הפשוטה שלנו מאפשרות תכנון של רשתות נוירונים מודולריות שבהן אנו יכולים להגדיר את המבנה ולשלוט בזרימת האותות הביולוגיים. סינון תרופות וחקירה של מצבים פתולוגיים מפיקים תועלת מיידית מרשתות עצביות מתוחכמות אלה במבחנה.
סקירה כללית
מחקר זה בוחן את השימוש בהדפסה בתלת-ממד בקנה מידה מיקרומטרי ליצירת התקנים פולימריים עבור תרביות של תאי עצב, המאפשרים תכנון של רשתות עצביות מודולריות. באמצעות הגבלת הקשרים מבניים בין נוירונים באמצעות מחסומים ותעלות, חקרו החוקרים את ההשלכות התפקודיות על צמיחת נוריטים באמצעות אלקטרופיזיולוגיה חוץ-תאית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביולוגיה של התא
- הדפסה ביו-תלת ממדית
רקע
- הקשר בין מבנה לתפקוד במעגלים עצביים זעירים.
- שימוש בתרביתי תאים של נוירונים מופרדים לחקר פעילות חשמלית ותמסורת סינפטית.
- חשיבותם של התקנים המיוצרים במהירות לצורך מחקר ניסויי.
- התמקדות בסינון תרופות ובבדיקת מצבים פתולוגיים.
מטרת המחקר
- להדגמה של ייצור מהיר של התקנים פולימריים בקנה מידה מיקרוסקופי.
- להקלה על המחקר הניסויי של רשתות עצביות מודולריות in vitro.
- להגדרה של המבנה ולשליטה על זרימת אותות ביולוגיים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- טכניקות הדפסה בתלת-ממד ליצירת התקנים מבוססי PDMS עבור תרביות עצביות.
- בידוד וגידול של תאי עצב מגורי גור חולדה על מערכי מיקרו-אלקטרודות (MEAs).
- אלקטרופיזיולוגיה חוץ-תאית לניטור פעילות עצבית.
- השלבים כללו תוכנת עיצוב לרכיבי תלת-ממד, הקשיה באמצעות UV וסטריליזציה של ההתקן.
תוצאות עיקריות
- דימות חי הראה כי צמיחתה של הניוריט הושפעה משינויים מבניים.
- ניתוח אלקטרופיזיולוגי הצביע על דפוסי פעילות נוירונלית משמעותיים בתגובה למגבלות מבניות.
- הממצאים מדגישים את חשיבות המבנה הפיזי בקידום אינטראקציות תאיות.
מסקנות
- המחקר מדגים שיטה חדשנית ליצירת סביבות עצביות מותאמות באופן אישי in vitro.
- מעודד חקירה נוספת של רשתות עצביות מהונדסות עבור יישומים מחקריים וקליניים.
- השלכות על הבנת מנגנונים עצביים ומידול מחלות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסגרת ניהולית
אב-טיפוס מהיר של התקני תרביות עצביות בקנה מידה מיקרוסקופי באמצעות הדפסת תלת-ממד בשיטת פולימריזציה דו-פוטונית (2PP) מאפשרת שליטה מדויקת בארכיטקטורה של רשתות עצביות, ובכך תומכת במידול מתקדם in vitro של מעגלים מוחיים זעירים. יכולת זו מגבירה את הביטחון החזוי בגילויים מוקדמים של נוירוטכנולוגיה ומסייעת למחקר תרגומי על ידי גישור הפער בין תרביות תאים מפושטות למערכות in vivo מורכבות. גישה זו רלוונטית במיוחד לרכישת נתונים עצביים בספיקו (high-throughput), למידול מחלות ולמסלולי עבודה של נוירופרמקולוגיה פרה-קלינית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של קישוריות עצבית ותפקוד סינפטי בסביבות מיקרו מבוקרות.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי מתן אפשרות לתכנון רשת מודולרי ומחקרי זרימת אותות כיוונית.
- מסייע בתיקוף פונקציונלי של מטרות באמצעות קריאות אלקטרופיזיולוגיות בזמן אמת.
סריקה ופיתוח מערכי בדיקה
- מספק פלטפורמות סטנדרטיות וניתנות לשחזור לסריקת תרכובות במעגלים עצביים רלוונטיים פיזיולוגית.
- מאיץ את פיתוח הבדיקות על ידי התרת חזרות מהירות של גיאומטריות מכשירים ותצורות רשת.
- מאפשר הקלטות חוץ-תאיות כמותיות ממספר אתרים ליצירת נתונים חסונים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- משפר את הרלוונטיות למחלה על ידי מידול של קישוריות עצבית ממוסגרת ופלסטיקה סינפטית.
- תומך ברציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני באמצעות מערכות in vitro ניתנות להתאמה ולהרחבה.
- מאפשר קבלת החלטות על קידום מותאם סיכונים על ידי אספקת נתונים פונקציונליים על תגובות ברמת הרשת.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
סבב עבודה זה של הדפסת תלת-ממד ב-2PP משתלב בממשק שבין שלבי הגילוי המוקדמים, פיתוח בדיקות ומחקר פרה-קליני, ומאפשר תכנון איטרטיבי ובדיקה תפקודית של רשתות עצביות.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת היפותזות על קשרי מבנה-תפקוד במעגלים עצביים.
- סריקה: מספק פלטים אלקטרופיזיולוגיים כמותיים וניתנים לשחזור לצורך הערכת תרכובות.
- אנליטיקה: מספק נתונים ברזולוציה גבוהה ממספר אתרים לצורך ניתוח השוואתי של פעילות הרשת.
- מחקר תרגומי: מתאים מודלים in vitro לקישוריות ונקודות סוף תפקודיות הרלוונטיות למחלה.
- שימוש חוזר ארגוני: מציע פלטפורמה גמישה הניתנת להתאמה למגוון מחקרים נוירוביולוגיים ופרמקולוגיים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית במחקרי מטרות עצביות.
- ערך תפעולי: מייעל את בניית האב-טיפוס, הסטנדרטיזציה והשחזור של התקני תרביות עצביות.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מושכלת לגבי המשך או עצירה של פיתוחים (go/no-go) וקידום תיק פיתוח יעיל מבחינה הונית.
- השפעה על תיק הפיתוח: תומך בתעדוף מותאם סיכון ובקידום נכסים של טכנולוגיות עצביות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בתוכנות לתכנון תלת-ממדי ובתהליכי מיקרו-פבריקציה.
- דורש גישה למדפסות תלת-ממדיות המבוססות על פולימריזציה דו-פוטונית ומכשור אלקטרופיזיולוגי.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית עבור ייצור המכשירים ופרוטוקולי רכישת נתונים.
- ניתן להתאמה לסוגי נוירונים ופראדיגמות ניסיוניות שונות באמצעות אופטימיזציה של הפרוטוקול.
- היכולת להרחבה (Scalability) והתפוקה עשויות להיות מוגבלות על ידי אילוצי ייצור וטיפול.
שאלות נפוצות בביופארמה
Chapters in this video
0:00
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
