Создание сердечной ткани, обеспечивающей механическую интеграцию сфероидов с использованием 3D-биопреобразования
2 июля 2017 г.
Этот протокол описывает трехмерную биотрансляцию сердечной ткани без использования биоматериалов. 3D-биотрансгированные сердечные патч демонстрируют механическую интеграцию компонентов сфероидов и являются многообещающими в регенерации сердечной ткани и в качестве трехмерных моделей сердечных заболеваний.
Цель данного видео – продемонстрировать 3D-биопечать сердечной ткани без использования биоматериалов, с использованием только клеток. Во-первых, кардиомиоциты, эндотелиальные клетки и фибробласты изолируются, подсчитываются и смешиваются в желаемых соотношениях клеток. Затем они распределяются с помощью многоканального дозатора по отдельным лункам в 96-луночных планшетах со сверхнизким уровнем крепления.
Клетки в 96 луночных планшетах инкубируются в течение трех дней, через три дня у них образуются сфероиды, которые бьются самопроизвольно. Конфокальная микроскопия выявляет экспрессию соединений в 43, который флуоресцентно помечен зеленым цветом в тропонин-Т-положительных кардиомиоцитах, которые флуоресцентно помечены далеко красным цветом внутри сфероидов. 96 луночных планшетов, содержащих сфероиды, затем загружаются в 3D-биопринтер.
3D-биопринтер начинает с переноса 96-луночной пластины в место, расположенное рядом с массивом игл, с помощью движущейся платформы. Затем 3D-биопринтер проверяет все сфероиды в 96-луночной пластине, чтобы получить соответствующие данные о каждом сфероиде, такие как его диаметр и форма. Это крупный план процесса 3D-биопечати.
Сфероид захватывается с 96-луночной пластины слева с помощью сопла с помощью вакуумного всасывания и помещается в определенное место в массиве игл справа. Этот процесс повторяется до тех пор, пока процесс 3D-биопечати не будет завершен. До тех пор, пока все сфероиды и 96-луночная пластина не будут бионапечатаны, 3D-биопринтер будет хранить существующую 96-луночную пластину и загружать новую пластину с помощью движущейся платформы.
Это таймлапс-видео, показывающее вид с воздуха на 3D-биопечать пластыря размером девять на девять со скоростью в 100 раз, иглы в массиве игл расположены в групповом строю, а сфероиды загружены на каждую иглу сверху. Через три дня в стерильных условиях сердечный пластырь на 3D-биопринтере очень осторожно извлекается из игольчатой решетки, аккуратно скользя куском твердого пластика в игольчатой решетке под пластырем вверх. Смазывание фосфатно-соевым буфером или PBS, которое можно наносить на иглы на этом этапе по мере необходимости, для более плавного и легкого удаления.
Сердечный пластырь, напечатанный на 3D-принтере, очень хрупкий, сразу после извлечения из игольчатого массива, поэтому необходимо соблюдать должную осторожность, чтобы не повредить его. Затем напечатанный на 3D-принтере сердечный пластырь переносится в 35-миллиметровую чашку для культуры тканей, содержащую соответствующие клеточные среды. Сразу после извлечения из игольчатого массива отмечается, что пластырь уже бьется, при этом отверстия от игл меняются в размерах с каждым ударом.
Напечатанному на 3D-принтере сердечному пластырю дают созреть, в течение которого тканевые пустоты, вызванные массивом игл, заполняются окружающими тканями. Сердечный пластырь, напечатанный с помощью 3D-биопринтера, продолжает биться спонтанно. В заключение следует отметить, что 3D-биопечать сердечной ткани возможна без использования биоматериалов.
3D-биопечатные сердечные пластыри демонстрируют механическую интеграцию компонента spheroids. 3D биопечать сердечной ткани, имеют многообещающее клиническое применение и регенерацию сердечной ткани, а также имеют 3D-модели сердечной ткани, репликацию в предиктивной фармакологии и токсикологии, а также разработку клеточной и геномной терапии.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном протоколе описывается метод 3D-биопечати сердечной ткани с использованием только клеток, без применения биоматериалов. Полученные сердечные заплатки демонстрируют механическую интеграцию и являются перспективными как для регенерации сердечной ткани, так и в качестве моделей сердечных заболеваний.
Основные компоненты исследования
Область науки
- 3D-биопечать
- Инженерия сердечной ткани
- Регенеративная медицина
Теоретические сведения
- Регенерация сердечной ткани имеет решающее значение для лечения сердечных заболеваний.
- Традиционные методы часто опираются на биоматериалы, что может ограничивать интеграцию.
- Использование только клеток может повысить функциональность биопечатных тканей.
- Понимание взаимодействий между клетками является ключом к успеху в тканевой инженерии.
Цель исследования
- Разработать метод 3D-биопечати сердечной ткани без использования биоматериалов.
- Оценить механическую интеграцию биопечатных сердечных патчей.
- Создать модель для изучения заболеваний сердца.
Используемые методы
- Выделение и подсчет кардиомиоцитов, эндотелиальных клеток и фибробластов.
- Смешивание клеток в заданных соотношениях и распределение их по 96-луночным планшетам с ультранизкой адгезией.
- Инкубация клеток для формирования спонтанно сокращающихся сфероидов.
- Конфокальная микроскопия для оценки клеточной экспрессии и интеграции.
Основные результаты
- Сфероиды, сформированные из смешанных клеток, проявляли спонтанное сокращение.
- Конфокальная микроскопия подтвердила экспрессию ключевых белков в кардиомиоцитах.
- С помощью 3D-биопринтера сфероиды были успешно интегрированы в сердечные заплатки.
- Была продемонстрирована механическая интеграция заплаток.
Выводы
- 3D-биопечать без использования биоматериалов является осуществимой и эффективной.
- Данный подход демонстрирует потенциал для регенерации сердечной ткани.
- Этот метод может служить ценной моделью для исследования сердечных заболеваний.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Данный метод позволяет осуществлять 3D-биопечать функциональной сердечной ткани без использования биоматериалов, предлагая масштабируемый подход к созданию механически интегрированных тканевых пластырей для доклинического моделирования заболеваний и регенеративной медицины. Использование только клеток снижает вариабельность, связанную с экзогенными каркасами, и повышает физиологическую релевантность при тестировании токсичности и ответа на лекарственные препараты. Полученные спонтанно сокращающиеся пластыри способствуют валидации мишеней на ранних стадиях и снижению механистических рисков в процессах разработки сердечно-сосудистых препаратов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичное обнаружение и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать многоклеточные взаимодействия при формировании и функционировании сердечной ткани.
- Практическая ценность: предоставляет воспроизводимую платформу для оценки влияния соединений на интегрированные сети кардиомиоцитов, эндотелиальных клеток и фибробластов.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет создавать сокращающиеся сердечные сфероиды, которые сливаются в механически интегрированные пласты, что обеспечивает возможность функционального анализа сократимости.
- Практическая ценность: способствует стандартизации архитектуры ткани за счет точного размещения сфероидов с помощью биопечати, что повышает воспроизводимость анализа.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Создание релевантных для заболеваний 3D-моделей сердечной ткани для изучения патофизиологии и терапевтического ответа.
- Практическая ценность: Обеспечивает созревание биопечатных патчей в культуре, что позволяет проводить лонгитюдную оценку интеграции и стабильности ткани.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный рабочий процесс представляет генерацию сфероидов и биопечать как связующее звено между этапом ранних открытий и доклинической валидацией, позволяя создавать сложные сердечные ткани для последующего функционального анализа.
- Открытия в биологии: Позволяет проверять гипотезы о межклеточных взаимодействиях и механической интеграции на уровне тканей в определенной многоклеточной системе.
- Скрининг: Обеспечивает создание стандартизированных сокращающихся сердечных заплаток с количественно определяемой сократительной активностью для скрининга соединений.
- Аналитика: Позволяет измерять спонтанное сокращение и структурную интеграцию с помощью визуализации и функциональных показателей.
- Трансляционные исследования: Обеспечивает непрерывный переход от формирования сфероидов к зрелым тканевым заплаткам, моделируя развитие и ремоделирование тканей при заболеваниях.
- Промышленное использование: Устанавливает воспроизводимый процесс биопечати для создания моделей сердечной ткани для различных мишеней и показаний.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов за счет моделирования механики сердечной ткани, близкой к нативной, и клеточной интеграции.
- Операционная ценность: Устраняет вариативность, связанную с биоматериалами, что улучшает воспроизводимость экспериментов в различных лабораториях и центрах.
- Стратегическая ценность: Снижает риск неудач на поздних стадиях разработки, позволяя на ранних этапах выявлять кардиотоксические или терапевтические эффекты в системе, релевантной человеку.
- Влияние на портфель: Помогает принимать обоснованные с учетом рисков решения в программах по сердечно-сосудистым заболеваниям благодаря повышенной точности моделей и лучшей транслируемости данных.
Особенности внедрения
- Требуется опыт в области выделения первичных клеток, культивирования сфероидов и работы с 3D-биопринтером.
- Зависит от наличия биопринтера с функцией вакуумного всасывания и совместимыми массивами игл.
- Необходимы стандартизированные соотношения смешивания клеток и планшеты с ультранизкой адгезией для стабильного формирования сфероидов.
- Требуется оптимизация времени созревания и условий среды для развития функциональной ткани.
- Ограничено текущим масштабом биопечатных патчей и необходимостью осторожного обращения после печати в связи с их хрупкостью.
