Tworzenie tkanki serca wykazującej mechaniczną integrację sferoid za pomocą biodruku 3D
2 lipca 2017
Ten protokół opisuje biodrukowanie 3D tkanki serca bez użycia biomaterials. 3D biodrukowane plastry serca wykazują mechaniczną integrację sferoid składowych i są bardzo obiecujące w regeneracji tkanki serca oraz jako modele 3D chorób serca.
Celem tego filmu jest zademonstrowanie biodruku 3D tkanki serca bez użycia biomateriałów, przy użyciu samych komórek. Po pierwsze, kardiomiocyty, komórki śródbłonka i fibroblasty są izolowane, liczone i mieszane w pożądanych proporcjach komórek. Następnie są one rozprowadzane za pomocą pipety wielokanałowej i do poszczególnych dołków w 96-dołkowych płytkach o bardzo niskim mocowaniu.
Komórki w 96-dołkowych płytkach są inkubowane przez trzy dni, po trzech dniach tworzą sferoidy, które biją spontanicznie. Mikroskopia konfokalna ujawnia ekspresję połączeń w 43, które są fluorescencyjnie oznaczone na zielono w kardiomiocytach Troponiny T-dodatniej, które są fluorescencyjnie znakowane daleko na czerwono w sferoidach. 96-dołkowe płytki zawierające sferoidy są następnie ładowane do biodrukarki 3D.
Biodrukarka 3D rozpoczyna się od przeniesienia 96-dołkowej płytki w miejsce tuż obok układu igieł za pomocą ruchomej platformy. Biodrukarka 3D następnie sprawdza wszystkie sferoidy w 96-dołkowej płytce, aby uzyskać odpowiednie dane dotyczące każdej sferoidy, takie jak jej średnica i kształt. To jest zbliżenie na proces biodruku 3D.
Sferoida jest pobierana z płytki 96-dołkowej po lewej stronie za pomocą dyszy za pomocą ssania próżniowego i umieszczana w określonym miejscu w układzie igieł po prawej stronie. Proces ten jest powtarzany aż do zakończenia procesu biodruku 3D. Dopóki wszystkie sferoidy i płytka 96-dołkowa nie zostaną wydrukowane biograficznie, biodrukarka 3D będzie przechowywać istniejącą płytkę 96-dołkową i załadować nową płytkę za pomocą ruchomej platformy.
Jest to film poklatkowy przedstawiający widok z lotu ptaka na biodruk 3D łatki dziewięć na dziewięć z prędkością 100 razy, igły w układzie igieł są ułożone w formację grupową, a sferoidy są ładowane na każdą igłę od góry. Po trzech dniach w sterylnych warunkach, plaster serca do biodrukarki 3D jest bardzo ostrożnie usuwany z układu igieł poprzez delikatne przesuwanie kawałka twardego plastiku w układzie igieł pod plastrem w górę. Smarowanie solą fizjologiczną buforowaną fosforanami lub PBS, w razie potrzeby można nałożyć na igły na tym etapie, aby uzyskać płynniejsze i łatwiejsze usuwanie.
Biodrukowany w 3D plaster kardiologiczny jest bardzo delikatny, natychmiast po wyjęciu z układu igieł, dlatego należy zachować należytą ostrożność, aby go nie uszkodzić. Biodrukowana w 3D łatka serca jest następnie przenoszona do 35-milimetrowego naczynia do hodowli tkanek zawierającego odpowiednie pożywki komórkowe. Natychmiast po wyjęciu z układu igieł zauważa się, że plaster już bije, a otwory po igłach zmieniają swój rozmiar z każdym uderzeniem.
Biodrukowana w 3D łatka sercowa może dojrzeć, w tym czasie puste przestrzenie tkankowe spowodowane przez układ igieł są wypełniane przez otaczającą tkankę. Plaster na serce do biodruku 3D nadal bije spontanicznie. Podsumowując, możliwe jest biodrukowanie 3D tkanki serca bez użycia biomateriałów.
Biodrukowane w 3D plastry serca wykazują mechaniczną integrację komponentów spheroids. 3D biodrukowanie tkanki serca ma obiecujące zastosowania kliniczne i regenerację tkanki serca oraz ma modele 3D tkanki serca, replikację w farmakologii predykcyjnej i toksykologii oraz rozwój terapii ukierunkowanych na komórki i genom
.Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje 3D biodruk tkanki serca z wykorzystaniem wyłącznie komórek, bez użycia biomateriałów. Otrzymane łaty sercowe wykazują integrację mechaniczną i stanowią obiecujące narzędzie w regeneracji tkanki serca oraz jako modele chorób serca.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biodruk 3D
- Inżynieria tkanki serca
- Medycyna regeneracyjna
Wprowadzenie
- Regeneracja tkanki serca jest kluczowa w leczeniu chorób serca.
- Tradycyjne metody często opierają się na biomateriałach, co może ograniczać integrację.
- Wykorzystanie wyłącznie komórek może poprawić funkcjonalność tkanek biodrukowanych.
- Zrozumienie oddziaływań międzykomórkowych jest kluczem do sukcesu w inżynierii tkankowej.
Cel badania
- Opracowanie metody biodruku 3D tkanki serca bez użycia biomateriałów.
- Ocena integracji mechanicznej biodrukowanych łatek sercowych.
- Stworzenie modelu do badania chorób serca.
Zastosowane metody
- Izolacja i liczenie kardiomiocytów, komórek śródbłonka oraz fibroblastów.
- Mieszanie komórek w pożądanych proporcjach i rozdzielenie ich do płytek 96-dołkowych o ultra niskiej adhezji.
- Inkubacja komórek w celu utworzenia sferoidów wykazujących spontaniczną kurczliwość.
- Mikroskopia konfokalna w celu oceny ekspresji i integracji komórkowej.
Główne wyniki
- Sferoidy utworzone z mieszanych populacji komórek wykazały spontaniczne skurcze.
- Mikroskopia konfokalna potwierdziła ekspresję kluczowych białek w kardiomiocytach.
- Biodrukarka 3D pomyślnie zintegrowała sferoidy w łatki serca.
- Wykazano mechaniczną integrację łatek.
Wnioski
- Biodruk 3D bez użycia biomateriałów jest wykonalny i skuteczny.
- Podejście to wykazuje potencjał w zakresie regeneracji tkanki serca.
- Metoda ta może służyć jako wartościowy model w badaniach nad chorobami serca.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Metoda ta umożliwia biodruk 3D funkcjonalnej tkanki serca bez użycia biomateriałów, oferując skalowalne podejście do generowania mechanicznie zintegrowanych łat tkankowych do przedklinicznego modelowania chorób oraz medycyny regeneracyjnej. Dzięki zastosowaniu wyłącznie komórek, metoda ta ogranicza zmienność wynikającą z egzogennych rusztowań i zwiększa istotność fizjologiczną w badaniach odpowiedzi na leki oraz testach toksyczności. Powstałe w ten sposób spontanicznie bijące łaty wspomagają wczesny etap walidacji celów terapeutycznych oraz redukcję ryzyka mechanistycznego w procesach odkrywania leków w obszarze chorób układu krążenia.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wstępne odkrycia i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie interakcji wielokomórkowych w procesie tworzenia i funkcjonowania tkanki serca.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalną platformę do oceny wpływu związków na zintegrowane sieci kardiomiocytów, komórek śródbłonka i fibroblastów.
Przesiewy i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Pozwala na generowanie bijących sferoidów sercowych, które łączą się w mechanicznie zintegrowane łaty, umożliwiając funkcjonalny odczyt kurczliwości.
- Wartość operacyjna: Wspiera standaryzację architektury tkankowej poprzez precyzyjne rozmieszczanie sferoidów za pomocą biodruku, co poprawia spójność analizy.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Tworzenie istotnych w kontekście chorób trójwymiarowych modeli tkanki serca do badania patofizjologii i odpowiedzi terapeutycznej.
- Wartość operacyjna: Umożliwia dojrzewanie biodrukowanych łatek w kulturze, wspierając podłużną ocenę integracji i stabilności tkanki.
Integracja potoku i przepływu pracy
Przedstawiony schemat pracy pozycjonuje generowanie sferoidów i biodruk jako pomost pomiędzy wczesną fazą odkryć a walidacją przedkliniczną, umożliwiając tworzenie złożonych tkanek serca do późniejszej oceny funkcjonalnej.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących oddziaływań międzykomórkowych i mechanicznej integracji na poziomie tkanki w zdefiniowanym systemie wielokomórkowym.
- Przesiewanie: Dostarcza zestandaryzowane, bijące łaty serca z mierzalną aktywnością skurczową do przesiewania związków chemicznych.
- Analityka: Umożliwia pomiar spontanicznego bicia oraz integracji strukturalnej poprzez obrazowanie i odczyty funkcjonalne.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość od tworzenia sferoidów po dojrzałe łaty tkankowe, modelując przebudowę tkanek związaną z rozwojem i chorobami.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia powtarzalny proces biodruku do generowania modeli tkanki serca dla wielu celów i wskazań.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną dzięki modelowaniu mechaniki tkanki serca i integracji komórkowej w sposób zbliżony do naturalnego.
- Wartość operacyjna: Eliminuje zmienność związaną z biomateriałami, poprawiając powtarzalność między eksperymentami i ośrodkami.
- Wartość strategiczna: Redukuje ryzyko niepowodzenia na późnym etapie badań poprzez umożliwienie wczesnego wykrywania efektów kardiotoksycznych lub terapeutycznych w systemie istotnym dla człowieka.
- Wpływ na portfolio: Wspiera decyzje uwzględniające ryzyko w programach sercowo-naczyniowych dzięki zwiększonej wierności modelu i lepszej translacyjności danych.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w izolacji pierwotnych komórek, hodowli sferoidów oraz obsłudze biodrukarki 3D.
- Zależne od dostępu do biodrukarki z funkcją ssania próżniowego i kompatybilnych zestawów igieł.
- Wymaga standaryzacji proporcji mieszania komórek oraz zastosowania płytek o ultra-niskiej adhezji w celu zapewnienia powtarzalnego tworzenia sferoidów.
- Wiąże się z optymalizacją czasu dojrzewania i składu pożywek dla rozwoju funkcjonalnej tkanki.
- Ograniczone obecną skalą biodrukowanych łatek oraz koniecznością ostrożnej manipulacji po drukowaniu ze względu na ich kruchość.
