Developing an Engineered Silk-Collagen-Based 3D Model of Polarized Neural Tissue
JoVE Encyclopedia of Experiments
Neurowetenschap
0 weergaven • 3:14 min • July 8th, 2025
Place donut-shaped, poly-D-lysine-coated, porous silk scaffolds into a multi-well plate.
Add culture media to hydrate the scaffolds, facilitating cell attachment.
Aspirate excess media. Seed the scaffolds with a neuronal cell suspension and incubate.
The coated surface and the scaffold pores provide a large surface area for high-density cell attachment and facilitate efficient nutrient and waste diffusion.
Remove the non-attached cells and add collagen, an extracellular matrix protein.
Incubate for collagen polymerization. This process embeds the cells within a gel-like 3D matrix on the porous scaffold.
Add media. Culture, and regularly replace half of the culture media to replenish nutrients without disturbing the cells.
Within the culture, the neuronal cell bodies remain anchored to the silk scaffold while the axons grow through the collagen matrix, forming 3D axonal networks.
This compartmentalized cell body and axonal localization results in the formation of a 3D brain-like polarized neural tissue model.
Inside a cell culture hood, place a pair of sterilized forceps, cell culture media, and the autoclaved scaffolds. Remove a 96-well plate from its wrapping and place inside. To seed the scaffolds, first, place one sterile scaffold per well in the 96-well plate. Add cell culture medium to immerse the scaffolds, and incubate at 37 degrees Celsius in a tissue culture incubator to equilibrate them for at least 30 minutes.
Following incubation, aspirate the excess medium from the scaffolds. Then, add 2 times 10 to the 6 rat cortical neuronal cells in 100 microliters of neurobasal medium per scaffold. Return the plate to the incubator, and leave overnight to allow the cells to attach to the scaffold. On the following morning, carefully aspirate the non-attached cells, and replace with 200 microliters of fresh cell culture medium. Incubate at 37 degrees Celsius for a brief period.
Next, aspirate the medium from the wells. Using sterile forceps, transfer the scaffolds containing cells to empty wells of the 96-well plate. Then to each scaffold, add 100 microliters of freshly diluted ice-cold 3 milligrams per milliliter rat tail collagen solution.
Return the cells to the 37 degrees Celsius incubator to allow polymerization of collagen for 30 minutes. Remove the plate from the incubator, and add 100 microliters of pre-warmed cell culture medium per well. Return the plate to the incubator for the desired period of cell growth, replacing half of the medium from each well with fresh medium every day for up to one week.
Overzicht
Dit artikel beschrijft een methode voor het creëren van een 3D gepolariseerd neuraal weefselmodel dat op de hersenen lijkt, gebruikmakend van poreuze zijdestersels. Het proces omvat het zaaien van neuronale cellen op de stersels en het inbedden ervan in een collageenmatrix, waardoor de vorming van axonale netwerken mogelijk wordt.
Belangrijkste studieonderdelen
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschappen
- Celkweek
- Tissue Engineering
Achtergrond
- 3D-neurale weefselmodellen zijn essentieel voor het bestuderen van het neuronale gedrag.
- Zijden steigers bieden een ondersteunende omgeving voor celgroei.
- Collageen wordt veelvuldig gebruikt als extracellulaire matrix bij weefselengineering.
- Inzicht in axonale groei is cruciaal voor de ontwikkeling van neuraal weefsel.
Doel van de studie
- Om een methode te ontwikkelen voor het creëren van een 3D-model van neuraal weefsel.
- Om de interactie tussen neurale cellen en het scaffold te onderzoeken.
- Om de studie naar de vorming van neurale netwerken in vitro te faciliteren.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding van met poly-D-lysine gecoate zijde-scaffolds.
- Uitzaaien van corticale neuronale cellen van ratten op de scaffolds.
- Inbedding van cellen in een collageenmatrix voor structurele ondersteuning.
- Regelmatige vervanging van het medium om de celgezondheid tijdens de kweek te behouden.
Belangrijkste resultaten
- Neurale cellen hechtten succesvol aan de zijde-steunstructuren.
- Collageenpolymerisatie sloot de cellen in binnen een 3D-matrix.
- Er vormden zich axonale netwerken, wat wijst op een effectieve neurale connectiviteit.
- Het model vertoonde kenmerken van gepolariseerd neuraal weefsel.
Conclusies
- De methode biedt een levensvatbare aanpak voor het creëren van 3D-neurale weefselmodellen.
- Dit model kan worden gebruikt voor verdere studies naar het neuronale gedrag.
- Toekomstige toepassingen kunnen drugstesten en ziektemodellering omvatten.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Dit 3D-gepolariseerde neurale weefselmodel ondersteunt vroege ontdekkingen door mechanische risicovermindering van neuronale targets mogelijk te maken via fysiologisch relevante axonale netwerkvorming. Het zijde-collageen scaffold-systeem biedt een reproduceerbaar platform voor het evalueren van de effecten van verbindingen op de neuronale connectiviteit en netwerkintegriteit. Het slaat een brug tussen de eenvoud van in vitro en de in vivo-achtige weefselorganisatie, waardoor het voorspellend vertrouwen bij de preklinische targetvalidatie wordt verbeterd.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om therapeutische hypothesen met betrekking tot axonale groei en neuronale polarisatie in een 3D-context te onderzoeken.
- Operationele waarde: Ondersteunt functionele target-validatie door het modelleren van de vorming en stabiliteit van neuronale netwerken.
- Voorspellende waarde: Verbetert de identificatie van lead-verbindingen door een ziekterelevant systeem te bieden voor de beoordeling van neuroactieve verbindingen.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Klaarheid voor assay: Genereert gestandaardiseerd, gepolariseerd neuraal weefsel dat geschikt is voor compound-screening en dosis-responsanalyse.
- Kwantitatieve output: Faciliteert de meting van axonale netwerkvorming en neuronale connectiviteit als functionele eindpunten.
- Schaalbaarheid: Compatibel met multi-well plaatformaten, waardoor medium-throughput screeningcampagnes mogelijk zijn.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Relevantie voor ziektebeelden: Modelleert de gepolariseerde architectuur van neuraal weefsel, toepasbaar bij studies naar neurodegeneratieve en neurodevelopmentale ziekten.
- Translationele continuïteit: Ondersteunt de progressie van target hit naar lead-optimalisatie door het neuronale fenotype gedurende langdurige kweek te behouden.
- Mechanistische risicoreductie: Vermindert onduidelijkheid over het targetmechanisme door effecten van verbindingen te koppelen aan structurele en functionele neuronale uitkomsten.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen het ontdekkingscontinuüm van targetvalidatie tot lead-identificatie en biedt een biologisch relevante tussenstap voorafgaand aan in vivo testen.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothese-testen van neuronale targets via een gecontroleerde 3D-micro-omgeving en beoordeling van axonale uitgroei.
- Screening: Maakt standaardisatie en reproduceerbaarheid van assays mogelijk voor het evalueren van effecten van verbindingen op de integriteit van neurale netwerken.
- Analytics: Biedt kwantitatieve imaging en morfometrische read-outs om behandelingscondities te vergelijken en neurietextensie te beoordelen.
- Translationeel Onderzoek: Beoudt neuronale polariteit en netwerkvorming, wat bijdraagt aan preklinische evaluatie op basis van biomarkers.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar platform voor meerdere neurowetenschapsprojecten die 3D-neurale weefselmodellen vereisen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verbetert de betrouwbaarheid van het target door in vitro modellering van axonale netwerkvorming en neuronale polarisatie.
- Operationele waarde: Waarborgt reproduceerbaarheid door gestandaardiseerde protocollen voor scaffold-preparatie en collageen-inbedding.
- Strategische waarde: Ondersteunt go/no-go-beslissingen door biologische onzekerheid over het neuronale werkingsmechanisme te verminderen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van neuroactieve verbindingen mogelijk op basis van effecten op de integriteit van 3D-neuraal weefsel.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in neuronale celkweek en 3D-tissue engineering technieken.
- Afhankelijk van toegang tot steriele zijde-scaffolds, collageen-reagentia en standaard celkweekincubators.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor een consistente seeding van scaffolds en matrix-inbedding over laboratoria heen.
- Omvat overwegingen voor adaptatie bij uitbreiding naar menselijke neuronale of iPSC-afgeleide neuronale celtypen.
- Beperkt door de noodzaak van langdurige kweekonderhoud om chronische effecten van verbindingen op de netwerkstabiliteit te beoordelen.
Veelgestelde vragen over biopharma
Bioprinting van kraakbeen en huid weefsel analogen met behulp van een roman passief mengen eenheid techniek voor Bioink Precellularization
Gerelateerde video's
0 Bekeken
3D Bioprinting van Murine Cortiical Astrocytes voor Engineering Neural-Like Tissue
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Ontwerp van een bioreactor om de data-acquisitie en modeldoorvoer van gemanipuleerde hartweefsels te verbeteren
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Developing a Micro-Tissue-Engineered Neural Network Using a Hydrogel-Based Micro-column
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Engineering 3D Cellularized Collageen Gel voor Vasculaire Tissue Regeneration
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Engineered 3D Silk-collageen-gebaseerde model van de gepolariseerde zenuwweefsel
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Interfacing 3D Engineered neuronale culturen op micro-elektrode arrays: een innovatieve
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Anatomisch Geïnspireerde Driedimensionale Microweefsel Geanimeerde Neurale Netwerken voor Nervous System Reconstructie, Modulatie en Modellering
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Drie-dimensionale weefsel ontworpen uitgelijnd Astrocyt netwerken vergemakkelijken zenuwstelsel regeneratie te recapituleren Developmental mechanismen
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Generatie van 3-D collageen-based hydrogels om axonale groei en gedrag te analyseren tijdens de ontwikkeling van het zenuwstelsel
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Laatst bijgewerkt: 22 augustus 2026