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-gebioprintte cocultures van iPSC-afgeleide neuronen en astrocyten binnen hydrogel-scaffolds. Het ontwikkelde model werkt in 96- of 384-well formaten en toont hoge post-print levensvatbaarheid en neurietuitgroei binnen zeven dagen, terwijl het rijpheidsmarkers voor beide celtypen toont. Deze aanpak heeft tot doel de doorvoer en automatisering van 3D-celcultuursystemen te verbeteren.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Celbiologie
- Biotechnologie
Achtergrond
- 3D-cellemodellering is snel gevorderd, waardoor nauwkeurigere representaties van ziektefenotypen mogelijk zijn.
- Traditionele methoden voor de ontwikkeling van 3D-cultuur zijn vaak arbeidsintensief en tijdrovend.
- 3D-bioprinting biedt een oplossing door de ontwikkeling van complexe culturen te automatiseren en op te schalen.
- Deze technologie kan snel talloze identieke modellen produceren, waardoor menselijke fouten in het proces worden geminimaliseerd.
Doel van de studie
- Een hoogdoorvoerprotocol creëren voor het opzetten van 3D cocultures van neurale cellen.
- De snelheid en gemak van modelontwikkeling in neurowetenschappelijk onderzoek verbeteren.
- Verder onderzoek faciliteren naar de effecten van 3D-cultuuromgevingen op neurale celtypen.
Gebruikte methoden
- Het platform maakt gebruik van 3D-bioprinting om cocultures binnen hydrogel-matrices te creëren.
- Het biologische model omvat iPSC-afgeleide neuronen en astrocyten, gekweekt in een gecontroleerde 3D-omgeving.
- Dit protocol benadrukt efficiënte coculture-opbouw met minimale gebruikersinterventie nodig.
- Belangrijke tijdlijnen betreffen het beoordelen van cellevensvatbaarheid en neurietuitgroei binnen een periode van zeven dagen.
- Hydrogel-scaffolds worden gebruikt om de structurele integriteit en functionaliteit van de cellen te ondersteunen.
Belangrijkste resultaten
- Het cocultuurmodel vertoonde hoge post-print cellevensvatbaarheid en significante neurietuitgroei binnen zeven dagen.
- Beide celtypen toonden de expressie van rijpheidsmarkers, wat duidt op succesvolle ontwikkeling.
- Snelle modelcreatie ondersteunt meer gestroomlijnde onderzoekstoepassingen en verder testen.
- Conclusies benadrukken het potentieel van dit protocol om bestaande belemmeringen in complexe celcultuurmodellen te overwinnen.
Conclusies
- De studie demonstreert een nieuwe methode voor het ontwikkelen van schaalbare 3D-cocultuursystemen in neurowetenschappelijk onderzoek.
- Deze vooruitgang kan een significante impact hebben op de toekomst van hoogdoorvoer-assays in neurologisch onderzoek.
- Inzichten verkregen uit het gebruik van 3D-culturen kunnen de begrip van neurale mechanismen en plasticiteit verbeteren.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Three-dimensional bioprinting of human iPSC-derived neuron-astrocyte cocultures addresses the critical need for scalable, physiologically relevant models in neuroscience drug discovery. This platform enables rapid, standardized generation of complex neural systems suitable for medium-to-high throughput screening, directly supporting early-stage target validation and assay development. By overcoming throughput and reproducibility barriers, it enhances predictive confidence and portfolio decision-making in neurotherapeutic pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of neural pathway hypotheses in a physiologically relevant 3D context.
- Supports functional target validation by modeling neuron-astrocyte interactions at scale.
- Facilitates predictive de-risking through standardized, reproducible coculture systems.
Screening & Assay Development
- Delivers homogeneous 3D neural models compatible with 96- and 384-well formats for screening workflows.
- Supports quantitative readouts such as neurite outgrowth and viability for compound evaluation.
- Enables assay standardization and scalability, reducing manual variability and increasing throughput.
Translational & Preclinical Research
- Provides disease-relevant neural microenvironments for translational biomarker exploration.
- Maintains continuity from discovery to preclinical validation by modeling human neural physiology.
- Reduces risk of late-stage attrition by improving biological relevance of early screens.
Pipeline & Workflow Integration
This 3D bioprinting protocol integrates into the discovery-to-lead identification continuum, enabling rapid generation of neural models for early screening and mechanistic studies.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification in human-relevant neural systems.
- Screening: Provides reproducible, quantitative outputs for compound triage and prioritization.
- Analytics: Enables measurement of viability, neurite outgrowth, and marker expression for comparative analysis.
- Translational Research: Aligns with biomarker strategies by modeling neuron-astrocyte interactions in 3D.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, standardized platform adaptable across neuroscience R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in neural target validation.
- Operational Value: Streamlines model development with automation-ready, high-throughput formats.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by enabling robust early screening.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of neurotherapeutic candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in iPSC differentiation and 3D bioprinting technologies.
- Needs access to bioprinting instrumentation and compatible hydrogel matrices.
- Demands cross-team standardization for assay protocols and data analysis.
- Adaptation may be needed for different neural subtypes or disease models.
- Model performance depends on cell sourcing and hydrogel formulation optimization.
