Polimerização de dois fótons Impressão 3D de dispositivos de cultura de células neuronais em microescala
7 de junho de 2024
A impressão 3D em escala micrométrica permite a prototipagem rápida de dispositivos poliméricos para culturas de células neuronais. Como prova de princípio, as conexões estruturais entre os neurônios foram restringidas pela criação de barreiras e canais que influenciam o crescimento dos neuritos, enquanto as consequências funcionais de tal manipulação foram observadas pela eletrofisiologia extracelular.
Estamos amplamente interessados na relação entre funções estruturais e no cérebro, particularmente ao nível dos micro-circuitos. Muitas vezes empregamos preparações experimentais reduzidas, como cultura de células de neurônios dissociados, porque elas são um modelo precioso para investigar a atividade elétrica, a transmissão sináptica e, em geral, o surgimento de estados coletivos. O método que propomos é ideal para fabricação rápida de dispositivos poliméricos em microescala.
Isso pode ser imediatamente usado para o estudo experimental de redes neurais modulares em um prato, e não requer um alto nível de conhecimento técnico em fotolitografia mole. Este método e nossa simples prova de conceito permitem o projeto de redes neuronais modulares onde podemos definir a estrutura, e controlar o fluxo de sinais biológicos. A triagem de drogas e a investigação de condições patológicas se beneficiam imediatamente dessas sofisticadas redes neuronais in vitro.
Visão Geral
Este estudo explora o uso da impressão 3D em escala micrométrica para criar dispositivos poliméricos destinados a culturas de células neuronais, permitindo o design de redes neurais modulares. Ao restringir as conexões estruturais entre neurônios por meio de barreiras e canais, os pesquisadores investigaram as consequências funcionais sobre o crescimento de neuritos utilizando eletrofisiologia extracelular.
Principais Componentes do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Biologia Celular
- Bioprintagem 3D
Contexto
- A relação entre estrutura e função em microcircuitos neuronais.
- Utilização de culturas celulares de neurônios dissociados para o estudo da atividade elétrica e da transmissão sináptica.
- Importância de dispositivos fabricados rapidamente para pesquisas experimentais.
- Ênfase no rastreamento de fármacos e na investigação de condições patológicas.
Objetivo do Estudo
- Demonstrar a fabricação rápida de dispositivos poliméricos em microescala.
- Facilitar o estudo experimental de redes neurais modulares in vitro.
- Definir a estrutura e controlar o fluxo de sinais biológicos.
Métodos Utilizados
- Técnicas de impressão 3D para criar dispositivos baseados em PDMS para culturas neuronais.
- Isolamento e cultivo de células neuronais de filhotes de rato em matrizes de microeletrodos (MEAs).
- Eletrfisiologia extracelular para monitorar a atividade neuronal.
- Os passos incluíram software de design para componentes 3D, cura por UV e esterilização do dispositivo.
Resultados Principais
- A imagem em tempo real mostrou o crescimento de neuritos influenciado por modificações estruturais.
- A análise eletrofisiológica indicou padrões significativos de atividade neuronal em resposta a restrições estruturais.
- Os resultados enfatizam a importância da estrutura física no favorecimento de interações celulares.
Conclusões
- O estudo demonstra um método inovador para criar ambientes neuronais personalizados in vitro.
- Incentiva a exploração adicional de redes neurais projetadas para aplicações em pesquisa e clínicas.
- Implicações para o entendimento dos mecanismos neuronais e modelagem de doenças.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A prototipagem rápida de dispositivos para cultivo neuronal em microescala utilizando impressão 3D por polimerização de dois fótons (2PP) permite controle preciso sobre a arquitetura da rede neural, apoiando modelos avançados in vitro de microcircuitos cerebrais. Essa capacidade aumenta a confiança preditiva na descoberta precoce de neurotecnologias e facilita a pesquisa translacional ao preencher a lacuna entre cultivos celulares simplificados e sistemas complexos in vivo. A abordagem é particularmente relevante para a aquisição de dados neurais em alto rendimento, modelagem de doenças e pipelines de neurofarmacologia pré-clínica.
Aplicações Estratégicas na P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite a investigação da conectividade neuronal e da função sináptica em microambientes controlados.
- Apoia a desmistificação mecanicista ao permitir o design modular de redes e estudos de fluxo direcional de sinais.
- Facilita a validação funcional de alvos por meio de leituras eletrofisiológicas em tempo real.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Oferece plataformas padronizadas e reprodutíveis para triagem de compostos em circuitos neurais fisiologicamente relevantes.
- Acelera o desenvolvimento de ensaios ao permitir iteração rápida de geometrias de dispositivos e configurações de redes.
- Permite gravações extracelulares quantitativas e multissítio para geração robusta de dados.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Aprimora a relevância da doença ao modelar conectividade neural compartimentalizada e plasticidade sináptica.
- Permite continuidade do descobrimento à validação pré-clínica com sistemas in vitro escalonáveis e personalizáveis.
- Permite decisões de avanço ajustadas ao risco ao fornecer dados funcionais sobre respostas em nível de rede.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Este fluxo de trabalho de impressão 3D por 2PP integra-se na interface entre descoberta inicial, desenvolvimento de ensaios e pesquisa pré-clínica, permitindo o design iterativo e a testagem funcional de redes neuronais.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses sobre relações estrutura-função em circuitos neurais.
- Triagem: Fornece saídas eletrofisiológicas quantitativas e reprodutíveis para avaliação de compostos.
- Análises: Oferece dados multissítio de alta resolução para análise comparativa da atividade em rede.
- Pesquisa Translacional: Alinha modelos in vitro com conectividade e pontos finais funcionais relevantes para doenças.
- Reutilização Empresarial: Oferece uma plataforma flexível adaptável a diversos estudos neurobiológicos e farmacológicos.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista em estudos de alvos neurais.
- Valor Operacional: Agiliza a prototipagem, padronização e reprodutibilidade de dispositivos para cultivo neural.
- Valor Estratégico: Permite decisões informadas de prosseguir/não prosseguir e o avanço eficiente em termos de capital da carteira de projetos.
- Impacto na Carteira: Apoia a priorização e o avanço ajustados ao risco dos ativos em neurotecnologia.
Considerações de Implementação
- Requer experiência em software de design 3D e fluxos de trabalho de microfabricação.
- Necessita de acesso a impressoras 3D por polimerização de dois fótons e a instrumentação de eletrofisiologia.
- Exige padronização entre equipes para protocolos de fabricação de dispositivos e aquisição de dados.
- Adaptável a diversos tipos neuronais e paradigmas experimentais mediante otimização do protocolo.
- A escalabilidade e produtividade podem ser limitadas por restrições de fabricação e manipulação.
Perguntas Frequentes sobre Biotecnologia Farmacêutica
Chapters in this video
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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
