Trójwymiarowe biodrukowanie ludzkich kokultur neuronów i astrocytów pochodzących z iPSC do zastosowań przesiewowych
29 września 2023
Tutaj prezentujemy protokół do produkcji 3D-drukowanych biologicznie kokultur neuronów i astrocytów pochodzących z iPSC. Ten model kokultury, wygenerowany w rusztowaniu hydrożelowym w formatach 96- lub 384-dołkowych, wykazuje wysoką żywotność po wydrukowaniu i wzrost neurytów w ciągu 7 dni oraz pokazuje ekspresję markerów dojrzałości dla obu typów komórek.
Modelowanie komórek 3D to nowa dziedzina, która w ciągu ostatniej dekady gwałtownie się rozwinęła. Wykazano, że modele te zarówno ułatwiają wzrost neuronów, jak i dokładniej reprezentują fenotypy choroby. Uważamy jednak, że następuje zmiana w kierunku zwiększenia przepustowości tych modeli i konieczność uwzględnienia automatyzacji w programowaniu.
Tradycyjne metody opracowywania kultur 3D mogą być pracochłonne i czasochłonne do ustalenia, ale biodruk 3D to technologia, którą można zastosować do zwiększenia skali tych procesów rozwoju. Technologia ta pozwala na sprawne i pozbawione błędów ludzkich tworzenie setek identycznych modeli. Protokół ten rozwija złożone kultury, ponieważ komórki nerwowe są hodowane w 3D w biologicznie aktywnych matrycach hydrożelowych.
Ale co najważniejsze, protokół ten priorytetowo traktuje szybkość i wygodę w tworzeniu modeli, których może brakować w tej dziedzinie i może utrudniać wdrożenie w przemyśle. Protokół ten definiuje metodę bardzo efektywnego ustanawiania wielu kokultur 3D przy ograniczonym udziale użytkowników. Mamy nadzieję, że usunie to bariery w stosowaniu złożonych modeli hodowli komórkowych w testach wysokoprzepustowych i ułatwi dalsze badania wpływu hodowli 3D na typy komórek nerwowych.
Przegląd
To badanie przedstawia protokół do wydajnej produkcji 3D-biodrukowane kokultur neuronów pochodzących z iPSC i astrocytów w obrębie szkieletu hydrożelowego. Opracowany model działa w formatach 96- lub 384-dołkowych i wykazuje wysoką żywotność po druku oraz wzrost neurytów w ciągu siedmiu dni, wyrażając markery dojrzałości dla obu typów komórek. To podejście ma na celu zwiększenie wydajności i automatyzacji systemów 3D hodowli komórkowych.
Kluczowe komponenty badania
Obszar nauki
- Neuronauki
- Biologia komórki
- Biotechnologia
Tło
- Modelowanie komórkowe 3D szybko się rozwija, umożliwiając bardziej dokładne reprezentacje fenotypów chorobowych.
- Tradycyjne metody rozwoju hodowli 3D są często pracochłonne i czasochłonne.
- 3D bioprinting oferuje rozwiązanie poprzez automatyzację i skalowanie rozwoju złożonych kultur.
- Ta technologia może szybko wytwarzać liczne identyczne modele, minimalizując błędy ludzkie w procesie.
Cel badania
- Stworzenie protokołu o wysokiej wydajności do ustanowienia 3D kokultur neuronów.
- Poprawa szybkości i wygody rozwoju modeli w badaniach neuronaukowych.
- Ułatwienie dalszych badań nad wpływem środowisk hodowli 3D na typy komórek nerwowych.
Stosowane metody
- Platforma wykorzystuje 3D bioprinting do tworzenia kokultur w macierzy hydrożelowej.
- Model biologiczny obejmuje neurony i astrocyty pochodzące z iPSC, hodowane w kontrolowanym środowisku 3D.
- Ten protokół podkreśla wydajne utworzenie kokultur przy minimalnej potrzebie interwencji użytkownika.
- Kluczowe terminy obejmują ocenę żywotności komórek i wzrostu neurytów w ciągu siedmiu dni.
- Szkielety hydrożelowe są stosowane do wspierania integralności strukturalnej i funkcjonalności komórek.
Główne wyniki
- Model kokultury wykazywał wysoką żywotność komórek po druku i znaczny wzrost neurytów w ciągu siedmiu dni.
- Oba typy komórek wykazywały występowanie markerów dojrzałości, co wskazuje na pomyślny rozwój.
- Szybkie tworzenie modelu wspiera bardziej uproszczone zastosowania badawcze i dalsze testy.
- Wnioski podkreślają potencjał tego protokołu do przezwyciężania istniejących barier w złożonych modelach hodowlania komórek.
Wnioski
- Badanie pokazuje nowatorską metodę opracowywania skalowalnych systemów 3D kokultur w badaniach neuronaukowych.
- Ten postęp może znacząco wpłynąć na przyszłość wysokowydajnych badań w dziedzinie neuronauki.
- Wgląd zdobyty z wykorzystania kultur 3D może poprawić zrozumienie mechanizmów nerwowych i ich plastyczności.
Często zadawane pytania
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.
