Driedimensionale bioprinting van menselijke iPSC-afgeleide neuron-astrocyt coculturen voor screeningstoepassingen
29 september 2023
Hier presenteren we een protocol om 3D-gebioprinte coculturen van iPSC-afgeleide neuronen en astrocyten te produceren. Dit cocultuurmodel, gegenereerd in een hydrogelsteiger in formaten met 96 of 384 putjes, toont een hoge levensvatbaarheid na het printen en neurietuitgroei binnen 7 dagen en toont de expressie van rijpheidsmarkers voor beide celtypen.
3D-celmodellering is een nieuw vakgebied dat de afgelopen tien jaar exponentieel is uitgebreid. Van deze modellen is aangetoond dat ze zowel de neuronale groei vergemakkelijken als de fenotypes van de ziekte nauwkeuriger weergeven. Wij zijn echter van mening dat er een verschuiving is naar het maken van een hogere doorvoer van deze modellen en een noodzaak om automatisering binnen de ontwikkeling te omarmen.
Traditionele methoden voor het ontwikkelen van 3D-culturen kunnen moeizaam en tijdrovend zijn om op te zetten, maar 3D-bioprinten is een technologie die kan worden toegepast om deze ontwikkelingsprocessen op te schalen. Deze technologie maakt het mogelijk om honderden identieke modellen efficiënt en zonder menselijke fouten te maken. Dit protocol ontwikkelt complexe culturen doordat de neurale cellen in 3D worden gekweekt in biologisch actieve hydrogelmatrices.
Maar van cruciaal belang is dat dit protocol prioriteit geeft aan snelheid en gemak bij de ontwikkeling van modellen, wat op dit gebied kan ontbreken en de implementatie in de industrie kan belemmeren. Dit protocol definieert een methode om veel 3D-coculturen zeer efficiënt op te zetten met beperkte input van gebruikers. We hopen dat dit barrières zal wegnemen voor het gebruik van complexe celkweekmodellen binnen high-throughput assays en verder onderzoek naar het effect van 3D-kweek op neurale celtypen zal vergemakkelijken.
Overzicht
Deze studie presenteert een protocol voor de efficiënte productie van 3D-biogeprinte cocultures van uit iPSC afgeleide neuronen en astrocyten binnen hydrogel-steunstructuren. Het ontwikkelde model werkt in formaten van 96 of 384 wells en vertoont een hoge levensvatbaarheid na het printen en neurietuitgroei binnen zeven dagen, terwijl rijpingsmarkers voor beide celtypen tot expressie komen. Deze aanpak is erop gericht de doorvoersnelheid en automatisering van 3D-celcultuursystemen te verbeteren.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschap
- Celbiologie
- Biotechnologie
Achtergrond
- 3D-celmodellering is snel gevorderd, waardoor nauwkeurigere representaties van ziektefenotypen mogelijk zijn geworden.
- Traditionele methoden voor de ontwikkeling van 3D-culturen zijn vaak arbeidsintensief en tijdrovend.
- 3D-bioprinten biedt een oplossing door de ontwikkeling van complexe culturen te automatiseren en op te schalen.
- Deze technologie kan snel talrijke identieke modellen produceren, waardoor menselijke fouten in het proces worden geminimaliseerd.
Doel van de studie
- Om een high-throughput protocol te creëren voor het opzetten van 3D-coculturen van neurale cellen.
- Om de snelheid en het gemak van modelontwikkeling in neurowetenschappelijk onderzoek te verbeteren.
- Om verder onderzoek te faciliteren naar de effecten van 3D-culturele omgevingen op neurale celtypen.
Gebruikte methoden
- Het platform maakt gebruik van 3D-bioprinten om coculturen binnen hydrogelmatrices te creëren.
- Het biologische model omvat uit iPSC afgeleide neuronen en astrocyten, gekweekt in een gecontroleerde 3D-omgeving.
- Dit protocol legt de nadruk op de efficiënte vestiging van de cocultuur met minimale tussenkomst van de gebruiker.
- De belangrijkste tijdlijnen omvatten het beoordelen van de celviabiliteit en de neurietuitgroei gedurende een periode van zeven dagen.
- Hydrogel-scaffolds worden ingezet om de structurele integriteit en functionaliteit van de cellen te ondersteunen.
Belangrijkste resultaten
- Het cocultuurmodel vertoonde een hoge celviabiliteit na het printen en een significante neurietuitgroei binnen zeven dagen.
- Beide celtypen vertoonden expressie van maturiteitsmarkers, wat duidt op een succesvolle ontwikkeling.
- De snelle creatie van het model ondersteunt meer gestroomlijnde onderzoekstoepassingen en verdere tests.
- De conclusies benadrukken het potentieel van dit protocol om bestaande barrières in complexe celcultuurmodellen te overwinnen.
Conclusies
- De studie demonstreert een nieuwe methode voor de ontwikkeling van schaalbare 3D-cocultuursystemen in neurowetenschappelijk onderzoek.
- Deze vooruitgang kan een aanzienlijke impact hebben op de toekomst van high-throughput assays in neuraal onderzoek.
- Inzichten verkregen uit het gebruik van 3D-culturen kunnen het begrip van neurale mechanismen en plasticiteit verbeteren.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Driedimensionale bioprinting van neuron-astrocyten-cocultures afgeleid van menselijke iPSC's beantwoordt de kritieke behoefte aan schaalbare, fysiologisch relevante modellen voor drug discovery in de neurowetenschappen. Dit platform maakt de snelle, gestandaardiseerde generatie van complexe neurale systemen mogelijk die geschikt zijn voor screening met een gemiddelde tot hoge doorvoer, wat direct bijdraagt aan targetvalidatie en assay-ontwikkeling in een vroeg stadium. Door barrières op het gebied van doorvoer en reproduceerbaarheid te overwinnen, vergroot het de voorspellende betrouwbaarheid en de besluitvorming over portfolio's binnen neurotherapeutische pipelines.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt het mogelijk om hypothesen over neurale paden te onderzoeken in een fysiologisch relevante 3D-context.
- Ondersteunt functionele targetvalidatie door neuron-astrocyteninteracties op schaal te modelleren.
- Faciliteert predictieve risicoreductie door gestandaardiseerde, reproduceerbare coculturesystemen.
Screening & assayontwikkeling
- Levert homogene 3D-neurale modellen die compatibel zijn met 96- en 384-well formaten voor screening-workflows.
- Ondersteunt kwantitatieve read-outs zoals neurietuitgroei en levensvatbaarheid voor de evaluatie van verbindingen.
- Maakt standaardisatie en schaalbaarheid van assays mogelijk, waardoor handmatige variabiliteit wordt verminderd en de doorvoer wordt verhoogd.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Biedt ziekterelevante neurale micro-omgevingen voor translationeel onderzoek naar biomarkers.
- Handhaaft continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie door de menselijke neurale fysiologie te modelleren.
- Vermindert het risico op uitval in een laat stadium door de biologische relevantie van vroege screenings te verbeteren.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit 3D-bioprintprotocol is geïntegreerd in het continuüm van discovery-to-lead identificatie, waardoor de snelle generatie van neurale modellen voor vroege screening en mechanistische studies mogelijk wordt.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing en het verduidelijken van signaalpaden in mens-relevante neurale systemen.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve resultaten voor de triage en prioritering van verbindingen.
- Analytiek: Maakt meting van viabiliteit, neurietuitgroei en markerexpressie mogelijk voor comparatieve analyse.
- Translationeel onderzoek: Sluit aan bij biomarkerstrategieën door neuron-astrocyteninteracties in 3D te modelleren.
- Enterprise-hergebruik: Biedt een schaalbaar, gestandaardiseerd platform dat aanpasbaar is voor verschillende R&D-programma's in de neurowetenschappen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit bij de validatie van neurale targets.
- Operationele waarde: Stroomlijnt de modelontwikkeling met automatisering-geschikte high-throughput formaten.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen en kapitaalefficiëntie door robuuste vroege screening mogelijk te maken.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering en verdere ontwikkeling van neurotherapeutische kandidaten.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in iPSC-differentiatie en 3D-bioprinttechnologieën.
- Toegang tot bioprint-instrumentatie en compatibele hydrogelmatrices is noodzakelijk.
- Standaardisatie van assay-protocollen en data-analyse tussen teams is vereist.
- Aanpassing kan nodig zijn voor verschillende neurale subtypen of ziektemodellen.
- De prestaties van het model zijn afhankelijk van de celbron en de optimalisatie van de hydrogelformulering.
