Twee-foton polymerisatie 3D-printen van neuronale celkweekapparaten op microschaal
7 juni 2024
3D-printen op micrometerschaal maakt snelle prototyping mogelijk van polymere apparaten voor neuronale celculturen. Als proof-of-principle werden structurele verbindingen tussen neuronen beperkt door barrières en kanalen te creëren die de uitgroei van neurieten beïnvloedden, terwijl de functionele gevolgen van dergelijke manipulatie werden waargenomen door extracellulaire elektrofysiologie.
We zijn breed geïnteresseerd in de relatie tussen structurele en functies in de hersenen, met name op het niveau van microschakelingen. We gebruiken vaak gereduceerde experimentele preparaten zoals gedissocieerde neuroncelkweek, omdat ze een kostbaar model zijn om elektrische activiteit, synaptische transmissie en in het algemeen het ontstaan van collectieve toestanden te onderzoeken. De methode die wij voorstellen is ideaal voor de snelle fabricage van polymere apparaten op microschaal.
Dit kan onmiddellijk worden gebruikt voor de experimentele studie van modulaire neurale netwerken in een schaal, en het vereist geen hoog niveau van technische expertise op het gebied van zachte fotolithografie. Deze methode en onze eenvoudige proof of concept maken het mogelijk om modulaire neuronale netwerken te ontwerpen waar we de structuur kunnen definiëren en de stroom van biologische signalen kunnen controleren. Screening van geneesmiddelen en onderzoek naar pathologische aandoeningen profiteren onmiddellijk van deze geavanceerde in vitro neuronale netwerken.
Overzicht
Deze studie onderzoekt het gebruik van 3D-printen op micrometer schaal voor het creëren van polymere apparaten voor neuronale celculturen, waardoor het ontwerp van modulaire neurale netwerken mogelijk wordt. Door structurele verbindingen tussen neuronen te beperken via barrières en kanalen, hebben de onderzoekers de functionele gevolgen voor de uitgroei van neurieten onderzocht met behulp van extracellulaire elektrofysiologie.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Celbiologie
- 3D-bioprinten
Achtergrond
- De relatie tussen structuur en functie in neuronale microcircuits.
- Het gebruik van gedissocieerde neuronenculturen voor het bestuderen van elektrische activiteit en synaptische transmissie.
- Het belang van snel gefabriceerde apparaten voor experimenteel onderzoek.
- Een focus op drugscreening en het onderzoek naar pathologische aandoeningen.
Doel van de studie
- Om de snelle fabricage van polymere apparaten op microschaal aan te tonen.
- Om de experimentele studie van modulaire neurale netwerken in vitro te faciliteren.
- Om de structuur te definiëren en de biologische signaalstroom te beheersen.
Gebruikte methoden
- 3D-printtechnieken voor het maken van PDMS-gebaseerde apparaten voor neuronale culturen.
- Isolatie en cultivering van neuronale cellen uit ratpups op micro-elektrodearrays (MEA's).
- Extracellulaire elektrofysiologie om de neuronale activiteit te monitoren.
- De stappen omvattenden ontwerpsoftware voor 3D-componenten, UV-uitharding en sterilisatie van het apparaat.
Belangrijkste resultaten
- Live imaging toonde aan dat de uitgroei van neurieten wordt beïnvloed door structurele modificaties.
- Elektrofysiologische analyse wees op significante neuronale activiteitspatronen als reactie op structurele beperkingen.
- De bevindingen onderstrepen het belang van de fysieke structuur bij het bevorderen van cellulaire interacties.
Conclusies
- De studie demonstreert een nieuwe methode voor het creëren van op maat gemaakte neuronale omgevingen in vitro.
- Stimuleert verdere exploratie van engineered neurale netwerken voor onderzoek en klinische toepassingen.
- Implicaties voor het begrijpen van neuronale mechanismen en ziektemodellering.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Snel prototypen van neuronale kweekapparaten op microschaal met behulp van tweefoton-polymerisatie (2PP) 3D-printen maakt nauwkeurige controle over de architectuur van neurale netwerken mogelijk, wat geavanceerde in vitro modellering van hersenmicrocircuits ondersteunt. Deze mogelijkheid vergroot het voorspellend vertrouwen bij vroege neurotechnologische ontdekkingen en faciliteert translationeel onderzoek door de kloof te overbruggen tussen vereenvoudigde celculturen en complexe in vivo systemen. De aanpak is bijzonder relevant voor high-throughput neurale data-acquisitie, ziektemodellering en preklinische neurofarmacologische pipelines.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt het onderzoeken van neuronale connectiviteit en synaptische functie in gecontroleerde micro-omgevingen mogelijk.
- Ondersteunt mechanische risicoreductie door modulair netwerkontwerp en studies naar directionele signaalstroom mogelijk te maken.
- Faciliteert functionele targetvalidatie via elektrofysiologische read-outs in real-time.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Biedt gestandaardiseerde, reproduceerbare platforms voor compoundscreening in fysiologisch relevante neurale circuits.
- Versnelt de ontwikkeling van assays door snelle iteratie van apparaatgeometrieën en netwerkconfiguraties mogelijk te maken.
- Maakt kwantitatieve, multisite extracellulaire opname mogelijk voor robuuste datageneratie.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Verbetert de relevantie voor ziektebeelden door gecompartimenteerde neurale connectiviteit en synaptische plasticiteit te modelleren.
- Ondersteunt de continuïteit van ontdekking naar preklinische validatie met schaalbare, aanpasbare in vitro systemen.
- Maakt risicogebaseerde beslissingen over verdere ontwikkeling mogelijk door functionele gegevens over reacties op netwerkniveau te verschaffen.
Integratie van pipeline en workflow
Deze 2PP 3D-printworkflow integreert op het snijvlak van vroege ontdekking, assay-ontwikkeling en preklinisch onderzoek, waardoor iteratief ontwerp en functionele testen van neurale netwerken mogelijk worden gemaakt.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothese-testen over structuur-functierelaties in neurale circuits.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve elektrofysiologische resultaten voor de evaluatie van verbindingen.
- Analytiek: Biedt hoge-resolutie, multisite-gegevens voor vergelijkende analyse van netwerkactiviteit.
- Translationeel onderzoek: Stemt in vitro-modellen af op ziekterelevante connectiviteit en functionele eindpunten.
- Herbruikbaarheid in organisaties: Biedt een flexibel platform dat aanpasbaar is aan diverse neurobiologische en farmacologische studies.
Operationele en ondernemingsbrede impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit in studies naar neurale targets.
- Operationele waarde: Stroomlijnt prototyping, standaardisatie en reproduceerbaarheid van neurale cultureapparaten.
- Strategische waarde: Maakt geïnformeerde go/no-go-beslissingen en kapitaalefficiënte portfolio-progressie mogelijk.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risicogecorrigeerde prioritering en het verder ontwikkelen van neurotechnologische activa.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in 3D-ontwerpsoftware en microfabricatie-workflows.
- Vereist toegang tot tweefoton-polymerisatie 3D-printers en elektrofysiologische instrumentatie.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor de fabricage van apparaten en protocollen voor gegevensverwerving.
- Aanpasbaar aan verschillende neurontypen en experimentele paradigma's door optimalisatie van het protocol.
- Schaalbaarheid en doorvoer kunnen beperkt worden door restricties in de fabricage en hantering.
Veelgestelde vragen over biofarmaceutica
Chapters in this video
0:00
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
