Stampa 3D a polimerizzazione a due fotoni di dispositivi di coltura cellulare neuronale su microscala
7 giugno 2024
La stampa 3D su scala micrometrica consente la prototipazione rapida di dispositivi polimerici per colture cellulari neuronali. Come prova di principio, le connessioni strutturali tra i neuroni sono state vincolate creando barriere e canali che influenzano la crescita dei neuriti, mentre le conseguenze funzionali di tale manipolazione sono state osservate dall'elettrofisiologia extracellulare.
Siamo ampiamente interessati alla relazione tra strutture e funzioni nel cervello, in particolare a livello di microcircuiti. Spesso impieghiamo preparati sperimentali ridotti come la coltura di cellule neuronali dissociate perché sono un modello prezioso per studiare l'attività elettrica, la trasmissione sinaptica e, in generale, l'emergere di stati collettivi. Il metodo che proponiamo è ideale per la fabbricazione rapida di dispositivi polimerici su microscala.
Questo può essere immediatamente utilizzato per lo studio sperimentale di reti neurali modulari in un piatto e non richiede un alto livello di competenza tecnica nella fotolitografia morbida. Questo metodo e il nostro semplice proof of concept consentono la progettazione di reti neuronali modulari in cui possiamo definire la struttura e controllare il flusso dei segnali biologici. Lo screening farmacologico e l'indagine delle condizioni patologiche beneficiano immediatamente di queste sofisticate reti neuronali in vitro.
Panoramica
Questo studio esplora l'uso della stampa 3D su scala micrometrica per creare dispositivi polimerici destinati a colture cellulari neuronali, consentendo la progettazione di reti neurali modulari. Limitando le connessioni strutturali tra i neuroni mediante barriere e canali, i ricercatori hanno analizzato le conseguenze funzionali sulla crescita dei neuriti mediante elettrofisiologia extracellulare.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Biologia cellulare
- Stampa biologica 3D
Sfondo
- La relazione tra struttura e funzione nei microcircuiti neuronali.
- Utilizzo di colture cellulari di neuroni dissociati per lo studio dell'attività elettrica e della trasmissione sinaptica.
- Importanza di dispositivi realizzati rapidamente per la ricerca sperimentale.
- Un focus sulla selezione di farmaci e sull'indagine delle condizioni patologiche.
Scopo dello studio
- Dimostrare la fabbricazione rapida di dispositivi polimerici su scala micrometrica.
- Facilitare lo studio sperimentale di reti neurali modulari in vitro.
- Definire la struttura e controllare il flusso di segnali biologici.
Metodi Utilizzati
- Tecniche di stampa 3D per creare dispositivi a base di PDMS per colture neuronali.
- Isolamento e coltivazione di cellule neuronali da ratto su array di microelettrodi (MEA).
- Elelettrofisiologia extracellulare per monitorare l'attività neuronale.
- I passaggi includono software di progettazione per componenti 3D, reticolazione UV e sterilizzazione del dispositivo.
Risultati principali
- L'imaging in tempo reale ha mostrato una crescita dei neuriti influenzata da modifiche strutturali.
- L'analisi elettrofisiologica ha indicato schemi significativi di attività neuronale in risposta a vincoli strutturali.
- I risultati sottolineano l'importanza della struttura fisica nel favorire le interazioni cellulari.
Conclusioni
- Lo studio dimostra un nuovo metodo per creare ambienti neuronali personalizzati in vitro.
- Promuove un'ulteriore esplorazione di reti neurali ingegnerizzate per applicazioni di ricerca e cliniche.
- Ripercussioni per la comprensione dei meccanismi neuronali e la modellizzazione delle malattie.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La prototipazione rapida di dispositivi per colture neuronali su scala microscopica mediante stampa 3D a polimerizzazione a due fotoni (2PP) consente un controllo preciso dell'architettura delle reti neurali, supportando modelli avanzati in vitro di microcircuiti cerebrali. Questa capacità aumenta la fiducia predittiva nelle fasi iniziali della scoperta nel campo della neurotecnologia e favorisce la ricerca traslazionale, colmando il divario tra colture cellulari semplificate e sistemi complessi in vivo. L'approccio risulta particolarmente rilevante per l'acquisizione di dati neurali ad alto rendimento, la modellizzazione delle malattie e i percorsi preclinici di neurofarmacologia.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette l'analisi della connettività neuronale e della funzione sinaptica in microambienti controllati.
- Consente la riduzione dei rischi meccanicistici permettendo la progettazione modulare di reti e lo studio del flusso direzionale del segnale.
- Facilita la validazione funzionale di bersagli mediante letture elettrofisiologiche in tempo reale.
Sviluppo di screening e saggi
- Fornisce piattaforme standardizzate e riproducibili per lo screening di composti in circuiti neurali fisiologicamente rilevanti.
- Accelera lo sviluppo di saggi consentendo un'iterazione rapida delle geometrie del dispositivo e delle configurazioni della rete.
- Permette registrazioni extracellulari quantitative e multisito per una generazione robusta di dati.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Migliora la rilevanza per le malattie modellando la connettività neurale compartimentalizzata e la plasticità sinaptica.
- Consente una continuità dalla scoperta alla validazione preclinica grazie a sistemi in vitro scalabili e personalizzabili.
- Permette decisioni di avanzamento basate sulla valutazione del rischio fornendo dati funzionali sulle risposte a livello di rete.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo flusso di lavoro di stampa 3D a 2PP integra l'interfaccia tra la fase iniziale della scoperta, lo sviluppo dei saggi e la ricerca preclinica, consentendo la progettazione iterativa e il test funzionale di reti neuronali.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi sulle relazioni struttura-funzione nei circuiti neurali.
- Screening: Fornisce output elettrofisiologici quantitativi e riproducibili per la valutazione di composti.
- Analisi: Offre dati ad alta risoluzione e multisito per l'analisi comparativa dell'attività di rete.
- Ricerca traslazionale: Allinea modelli in vitro a connettività e endpoint funzionali rilevanti per le malattie.
- Riutilizzo aziendale: Offre una piattaforma flessibile adattabile a diversi studi neurobiologici e farmacologici.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica negli studi sui bersagli neurali.
- Valore operativo: Ottimizza la prototipazione, la standardizzazione e la riproducibilità dei dispositivi per colture neurali.
- Valore strategico: Permette decisioni informate di prosecuzione o interruzione e un avanzamento del portafoglio efficiente in termini di capitale.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione e l'avanzamento degli asset in neurotecnologia con adeguamento al rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nel software di progettazione 3D e nei flussi di lavoro di microfabbricazione.
- Necessita dell'accesso a stampanti 3D a polimerizzazione a due fotoni e a strumentazione per elettrofisiologia.
- Richiede standardizzazione tra team diversi per le procedure di fabbricazione dei dispositivi e di acquisizione dati.
- Adattabile a diversi tipi di neuroni e paradigmi sperimentali con ottimizzazione delle procedure.
- La scalabilità e la produttività potrebbero essere limitate dai vincoli di fabbricazione e manipolazione.
Domande frequenti sul biopharma
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
