3D-биопечать фотонастраиваемых гидрогелей для изучения активации фибробластов
30 июня 2023 г.
В данной статье описывается, как выполнить 3D-биопечать фотонастраиваемых гидрогелей для изучения жесткости внеклеточного матрикса и активации фибробластов.
Мы разработали 3D-модели легочной ткани, чтобы помочь миру дышать легче. Наша миссия состоит в том, чтобы использовать 3D-биоматериалы и такие методы, как 3D-печать, для создания платформ, которые помогают нам понять, что вызывает хронические заболевания легких и как лучше лечить эти состояния. Одной из экспериментальных проблем в нашем исследовании является сложность 3D-печати мягких материалов в сложные формы.
Мы точно осаждаем клетки, печатая наши биочернила и поддерживающую ванну для истончения тканей, которая помогает сохранить их форму в процессе печати. Наши биоматериалы обеспечивают контроль механических свойств образца на протяжении всего эксперимента. Эта формула позволяет исследователям выращивать клетки в гидрогеле, который соответствует жесткости как здоровой, так и больной легочной ткани.
Пользователи могут решать, когда делать образцы жесткими и измерять клеточные реакции. Фотоперестраиваемые биоматериалы, используемые в этом протоколе, позволяют создать смягченную модель, которую позже можно сделать более жесткой для изучения клеточных реакций на ужесточение микросреды. Аналогичные методы, использующие статический биоматериал вместо фотонастраиваемого биоматериала, приводят к тому, что модель не может быть затвердевшей после печати.
Результаты других исследований, проведенных в нашей лаборатории, свидетельствуют о том, что пол и возраст играют решающую роль в прогрессировании заболевания легких. Будущие модели будут изучать эти переменные и включать в них более сложные элементы, такие как дополнительные слои, специфичные для клеток. Объединение этих усилий приведет к созданию более реалистичных биоотпечатков и приведет к новым способам лечения фиброзных заболеваний.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье описывается создание 3D-моделей легочной ткани с использованием фоторегулируемых гидрогелей. Эти модели предназначены для изучения повышения жесткости внеклеточного матрикса и активации фибробластов, что способствует пониманию механизмов развития хронических заболеваний легких.
Основные компоненты исследования
Область науки
- 3D-биопринтинг
- Исследование внеклеточного матрикса
- Моделирование легочной ткани
Теоретические основы
- Хронические заболевания легких представляют серьезную проблему для здравоохранения.
- Понимание механических свойств легочной ткани имеет решающее значение для разработки методов лечения.
- Методы 3D-печати позволяют создавать сложные тканевые структуры.
- Гидрогели могут имитировать жесткость как здоровых, так и пораженных болезнью тканей.
Цель исследования
- Разработать метод 3D-биопечати гидрогелей.
- Изучить влияние жесткости внеклеточного матрикса на поведение фибробластов.
- Создать платформу для изучения механизмов развития хронических заболеваний легких.
Используемые методы
- 3D-биопечать фоторегулируемых гидрогелей.
- Использование поддерживающих ванн с эффектом сдвигового разжижения для осаждения клеток.
- Контроль механических свойств в ходе экспериментов.
- Сравнение роста клеток в гидрогелях, имитирующих здоровую и пораженную ткань легкого.
Основные результаты
- Успешная 3D-печать гидрогелей с регулируемой жесткостью.
- Продемонстрированная активация фибробластов в ответ на жесткость матрикса.
- Полученные данные о механических свойствах легочной ткани.
- Создание новой платформы для исследования хронических заболеваний легких.
Выводы
- Данное исследование расширяет понимание механики легочной ткани.
- 3D-биопечать может эффективно моделировать патологические состояния.
- Полученные результаты могут лечь в основу будущих терапевтических стратегий лечения заболеваний легких.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Динамическая 3D-биопечать фоторегулируемых гидрогелей позволяет точно моделировать повышение жесткости внеклеточного матрикса (ВКМ), которое является ключевым фактором прогрессирования фиброзных заболеваний. Эта возможность способствует механистическому снижению рисков и валидации мишеней для путей активации фибробластов, что напрямую влияет на принятие решений по портфелю проектов на ранних стадиях исследований хронических заболеваний легких. Данный подход повышает прогностическую достоверность за счет обеспечения временного контроля микроокружения в релевантных патологии 3D-системах.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Позволяет изучать механизмы активации фибробластов в ответ на контролируемое повышение жесткости внеклеточного матрикса.
- Обеспечивает функциональную валидацию мишеней за счет воспроизведения микроокружения, характерного для патологических процессов.
- Способствует снижению рисков при исследовании механизмов сигнальных путей, вовлеченных в фиброз и ремоделирование тканей.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает платформу для стандартизированного 3D-культивирования клеток с регулируемыми механическими свойствами.
- Позволяет воспроизводимо оценивать клеточные ответы на изменения микроокружения.
- Обеспечивает возможность количественного анализа жизнеспособности и активации фибробластов внутри физиологически релевантных конструктов.
Трансляционные и доклинические исследования
- Приводит модели in vitro в соответствие с механикой тканей, характерной для конкретного заболевания, для проведения трансляционных исследований биомаркеров.
- Обеспечивает преемственность от этапа поиска до доклинической валидации за счет возможности динамической модуляции внеклеточного матрикса.
- Снижает трансляционные риски путем моделирования прогрессирующего повышения жесткости тканей, наблюдаемого при фиброзных заболеваниях.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в континуум от этапа открытия до доклинических исследований, позволяя проводить исследования активации клеток под воздействием внеклеточного матрикса на основе выдвинутых гипотез и поддерживая последующую разработку анализов для изучения фиброза.
- Биология открытий: способствует проверке нулевой гипотезы активации фибробластов в ответ на повышение жесткости внеклеточного матрикса (ECM).
- Скрининг: позволяет получать готовые к анализу 3D-конструкции с регулируемой жесткостью для оценки соединений.
- Аналитика: обеспечивает количественное измерение жизнеспособности и активации для сравнительного анализа.
- Трансляционные исследования: связывают результаты in vitro с доклиническими моделями путем воспроизведения механических сигналов, имеющих значение при патологиях.
- Корпоративное повторное использование: предоставляет модульную платформу, адаптируемую к различным моделям тканей и заболеваний, требующим динамического контроля ECM.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает прогностическую достоверность при валидации мишеней и механистических исследованиях фиброза.
- Операционная ценность: стандартизирует рабочие процессы 3D-биопечати для создания воспроизводимых и масштабируемых моделей.
- Стратегическая ценность: улучшает процесс принятия решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) за счет возможности динамического моделирования прогрессирования заболевания.
- Влияние на портфель: обеспечивает приоритизацию мишеней и путей, связанных с фиброзом, с учетом оценки рисков.
Особенности реализации
- Для выполнения протокола требуются экспертные знания в области 3D-биопринтинга и химии гидрогелей.
- Необходим доступ к оборудованию для биопринтинга и контролируемым источникам света для фотоотверждения.
- Требуется межкомандная стандартизация состава биочернил и параметров печати.
- Метод может быть адаптирован для различных типов клеток и тканевых моделей путем оптимизации протокола.
- Возможности ограничены необходимостью точного контроля pH и концентрации фотоинициатора для обеспечения воспроизводимости.
