Het creëren van cardiale weefsels die mechanische integratie van sferoïden tonen met behulp van 3D bioprinting
2 juli 2017
Dit protocol beschrijft 3D bioprinting van hartweefsel zonder het gebruik van biomaterialen. 3D bioprinted cardiac patches vertonen mechanische integratie van component sferoïden en zijn zeer veelbelovend in hartweefselregeneratie en als 3D-modellen van hart-en vaatziekten.
Het doel van deze video is om 3D bioprinting van hartweefsel te demonstreren zonder het gebruik van biomaterialen, alleen met behulp van cellen. Eerst worden cardiomyocyten, endotheelcellen en fibroblasten geïsoleerd, geteld en gemengd in de gewenste celverhoudingen. Vervolgens worden ze verdeeld met behulp van een meerkanaals pipette en in individuele putjes in ultra low attachment 96-well platen.
De cellen in de 96-well platen worden gedurende drie dagen geïncubeerd, waarna ze spontaan slaande sferen vormen. Confocale microscopie onthult de expressie van connecties in 43, die fluorescerend groen zijn gelabeld in Troponin T positieve cardiomyocyten, die fluorescerend ver rood zijn gelabeld binnen de sferen. De 96-well platen met de sferen worden vervolgens in de 3D bio-printer geladen.
De 3D bio-printer begint door de 96-well plaat over te brengen naar een locatie naast de naaldarray met behulp van een bewegend platform. De 3D bio-printer inspecteert vervolgens alle sferen in de 96-well plaat om relevante gegevens over elke sfeer te verkrijgen, zoals de diameter en de vorm. Dit is een close-up weergave van het 3D bioprinting proces.
De sfeer wordt vanuit de 96-well plaat aan de linkerkant opgenomen door een nozzle met behulp van vacuüm zuiging en wordt op een specifieke locatie in een naaldarray aan de rechterkant geplaatst. Dit proces wordt herhaald totdat het 3D bioprinting proces voltooid is. Totdat alle sferen en 96-well platen zijn gebioprinted, zal de 3D bioprinter de bestaande 96-well plaat opslaan en een nieuwe plaat laden, met behulp van het bewegende platform.
Dit is een timelapse video die een luchtfoto toont van het 3D bioprinting van een negen bij negen patch bij 100 keer snelheid, de naalden in de naaldarray zijn gerangschikt in een groepsformatie en sferen worden van bovenaf op elke naald geladen. Na drie dagen onder steriele omstandigheden wordt de 3D bioprinted hartpatch voorzichtig verwijderd uit de naaldarray door het stuk hard plastic in de naaldarray onder de patch voorzichtig omhoog te schuiven. Smeermiddel met fosfaat gebufferd zoutje of PBS kan tijdens deze stap worden toegepast op de naalden indien nodig, voor een soepeler en gemakkelijker verwijdering.
De 3D bioprinted hartpatch is zeer kwetsbaar, onmiddellijk na verwijdering uit de naaldarray, dus er moet voorzichtig worden omgegaan om het niet te beschadigen. De 3D bioprinted hartpatch wordt vervolgens overgebracht naar een 35 millimeter weefselkweekbakje met geschikte celmedium. Onmiddellijk na verwijdering uit de naaldarray wordt opgemerkt dat de patch al slaat, waarbij de naaldgaten met elke slag in grootte veranderen.
De 3D bioprinted hartpatch wordt toegestaan om te rijpen, gedurende welke tijd de weefselleemtes veroorzaakt door de naaldarray worden opgevuld door omringend weefsel. De 3D bioprinted hartpatch blijft spontaan slaan. Kortom, het is haalbaar om 3D bioprinting van hartweefsel te doen zonder het gebruik van biomaterialen.
3D bioprinted hartpatches vertonen mechanische integratie van component sferen. 3D bioprinting van hartweefsel heeft veelbelovende klinische toepassingen en regeneratie van hartweefsel en heeft 3D modellen van hartweefsel, replicatie in voorspellende farmacologie en toxicologie en ontwikkeling van cel- en genoomgerichte therapieën.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol beschrijft de 3D-bioprinting van hartweefsel met uitsluitend cellen, zonder biomaterialen. De resulterende hartpatches vertonen mechanische integratie en zijn veelbelovend voor de regeneratie van hartweefsel en als modellen voor hartaandoeningen.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- 3D-bioprinten
- Cardiale weefseltechnologie
- Regeneratieve geneeskunde
Achtergrond
- Regeneratie van hartweefsel is cruciaal voor de behandeling van hartaandoeningen.
- Traditionele methoden vertrouwen vaak op biomaterialen, wat de integratie kan beperken.
- Het uitsluitend gebruik van cellen kan de functionaliteit van biogeprinte weefsels verbeteren.
- Inzicht in celinteracties is essentieel voor een succesvolle weefseltechnologie.
Doel van de studie
- Om een methode te ontwikkelen voor 3D-bioprinten van hartweefsel zonder biomaterialen.
- Om de mechanische integratie van gebioprinte hartpleisters te evalueren.
- Om een model te creëren voor het bestuderen van hartaandoeningen.
Gebruikte methoden
- Isolatie en telling van cardiomyocyten, endotheelcellen en fibroblasten.
- Mengen van cellen in de gewenste verhoudingen en verdelen hiervan in 96-wellplaten met ultra-lage hechting.
- Incubatie van cellen voor de vorming van sferoïden die spontaan kloppen.
- Confocale microscopie om de cellulaire expressie en integratie te beoordelen.
Belangrijkste resultaten
- Sferoïden gevormd uit gemengde cellen vertoonden spontane beating.
- Confocale microscopie bevestigde de expressie van sleutelproteïnen in cardiomyocyten.
- De 3D-bioprinter integreerde de sferoïden succesvol in cardiac patches.
- De mechanische integratie van de patches werd aangetoond.
Conclusies
- 3D-bioprinten zonder biomaterialen is haalbaar en effectief.
- De aanpak vertoont potentieel voor regeneratie van hartweefsel.
- Deze methode kan dienen als een waardevol model voor onderzoek naar hartaandoeningen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
Deze methode maakt biomateriaal-vrij 3D-bioprinten van functioneel hartweefsel mogelijk en biedt een schaalbare benadering voor het genereren van mechanisch geïntegreerde weefselpatches voor preklinische ziektemodellering en regeneratieve geneeskunde. Door uitsluitend cellen te gebruiken, wordt de variabiliteit door exogene scaffolds verminderd en wordt de fysiologische relevantie bij drug-respons- en toxiciteitstesten verhoogd. De resulterende spontaan kloppende patches ondersteunen vroege target-validatie en mechanistische de-risking in cardiovasculaire discovery-pipelines.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & target-validatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek naar multicellulare interacties bij de vorming en functie van hartweefsel mogelijk.
- Operationele waarde: Biedt een reproduceerbaar platform om de effecten van verbindingen op geïntegreerde netwerken van cardiomyocyten, endotheelcellen en fibroblasten te beoordelen.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kloppende cardiale sferoïden die fuseren tot mechanisch geïntegreerde patches, wat functionele read-outs van de contractiliteit mogelijk maakt.
- Operationele waarde: Ondersteunt de standaardisatie van de weefselarchitectuur door nauwkeurige plaatsing van sferoïden via bioprinten, waardoor de consistentie van de assay wordt verbeterd.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Creëert ziekterelevante 3D-modellen van hartweefsel voor het bestuderen van pathofysiologie en therapeutische respons.
- Operationele waarde: Maakt rijping van gebioprinte patches in kweek mogelijk, wat longitudinale evaluatie van weefselintegratie en stabiliteit ondersteunt.
Integratie van Pipeline en Workflow
De workflow positioneert de generatie van sferoïden en bioprinting als een brug tussen vroege ontdekking en preklinische validatie, waardoor de creatie van complexe hartweefsels voor downstream functionele beoordeling mogelijk wordt gemaakt.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing van cel-celinteracties en mechanische integratie op weefselniveau in een gedefinieerd multicellular systeem.
- Screening: Levert gestandaardiseerde, kloppende cardiale patches met kwantificeerbare contractiele activiteit voor compound screening.
- Analytics: Maakt meting van spontaan kloppen en structurele integratie mogelijk via imaging en functionele read-outs.
- Translationeel onderzoek: Biedt een continuüm van sferoïdvorming tot gerijpte weefselpatches, waarmee ontwikkelings- en ziektegerelateerde weefselremodellering wordt gemodelleerd.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar bioprintproces voor het genereren van cardiale weefselmodellen voor meerdere targets en indicaties.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen door mechanica van hartweefsel en cellulaire integratie te modelleren op een manier die het natuurlijke weefsel benadert.
- Operationele waarde: Elimineert variabiliteit gerelateerd aan biomaterialen, waardoor de reproduceerbaarheid tussen experimenten en locaties wordt verbeterd.
- Strategische waarde: Vermindert het risico op falen in een laat stadium door vroege detectie van cardiotoxische of therapeutische effecten in een mensrelevant systeem mogelijk te maken.
- Impact op de portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde beslissingen in cardiovasculaire programma's door verbeterde modelgetrouwheid en translatie van gegevens.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in de isolatie van primaire cellen, sferoïdenkweek en het bedienen van een 3D-bioprinter.
- Afhankelijk van toegang tot een bioprinter met vacuümzuigfunctie en compatibele naaldarrays.
- Vereist gestandaardiseerde celmengverhoudingen en platen met ultra-lage hechting voor een consistente vorming van sferoïden.
- Omvat optimalisatie van de rijpingstijd en mediumcondities voor de ontwikkeling van functioneel weefsel.
- Beperkt door de huidige schaal van de gebioprinte patches en de noodzaak voor voorzichtige behandeling na het printen vanwege de fragiliteit.
