Трехмерная биопечать кокультур нейронов и астроцитов человека, полученных из ИПСК человека, для скрининговых применений
29 сентября 2023 г.
Здесь мы представляем протокол для получения 3D-биопечатных кокультур нейронов и астроцитов, полученных из ИПСК. Эта модель кокультуры, созданная в гидрогелевом каркасе в 96- или 384-луночном формате, демонстрирует высокую постпечатную жизнеспособность и рост нейрита в течение 7 дней и показывает экспрессию маркеров зрелости для обоих типов клеток.
3D-моделирование клеток — это новая область, которая экспоненциально расширилась за последнее десятилетие. Было показано, что эти модели способствуют росту нейронов и более точно представляют фенотипы заболеваний. Тем не менее, мы считаем, что существует сдвиг в сторону повышения производительности этих моделей и необходимость внедрения автоматизации в разработке.
Традиционные методы разработки 3D-культур могут быть трудоемкими и трудоемкими, но 3D-биопечать — это технология, которая может быть применена для масштабирования этих процессов разработки. Эта технология позволяет эффективно и без человеческих ошибок создавать сотни идентичных моделей. Этот протокол позволяет создавать сложные культуры, так как нервные клетки выращиваются в 3D в биологически активных гидрогелевых матрицах.
Но критически важно то, что этот протокол отдает приоритет скорости и удобству при разработке моделей, чего может не хватать в этой области и что может помешать внедрению в промышленность. Этот протокол определяет метод очень эффективного создания множества 3D-культур с ограниченным вкладом пользователей. Мы надеемся, что это устранит барьеры для использования сложных моделей клеточных культур в высокопроизводительных анализах и облегчит дальнейшее изучение влияния 3D-культуры на типы нервных клеток.
Обзор
В данной работе представлен протокол эффективного создания 3D-биопечатных кокультур нейронов и астроцитов, полученных из иПСК, внутри гидрогелевых каркасов. Разработанная модель функционирует в форматах 96- или 384-луночных планшетов и демонстрирует высокую жизнеспособность клеток после печати и рост нейритов в течение семи дней, при этом экспрессируя маркеры зрелости для обоих типов клеток. Данный подход направлен на повышение пропускной способности и автоматизацию систем 3D-культивирования клеток.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Клеточная биология
- Биотехнология
Теоретическая справка
- 3D-моделирование клеток стремительно развивается, позволяя более точно воспроизводить фенотипы заболеваний.
- Традиционные методы создания 3D-культур часто трудоемки и требуют больших временных затрат.
- 3D-биопечать предлагает решение за счет автоматизации и масштабирования процесса создания сложных культур.
- Эта технология позволяет быстро создавать множество идентичных моделей, сводя к минимуму человеческий фактор в данном процессе.
Цель исследования
- Создать высокопроизводительный протокол для создания 3D-кокультур нейральных клеток.
- Повысить скорость и удобство разработки моделей в нейробиологических исследованиях.
- Способствовать дальнейшему изучению влияния условий 3D-культивирования на типы нейральных клеток.
Используемые методы
- Данная платформа использует 3D-биопечать для создания кокультур в гидрогелевых матрицах.
- Биологическая модель включает нейроны и астроциты, полученные из иПСК, выращенные в контролируемой 3D-среде.
- В данном протоколе особое внимание уделяется эффективному созданию кокультуры с минимальным вмешательством пользователя.
- Основные временные рамки включают оценку жизнеспособности клеток и роста нейритов в течение семидневного периода.
- Гидрогелевые каркасы используются для поддержания структурной целостности и функциональности клеток.
Основные результаты
- Модель совместного культивирования продемонстрировала высокую жизнеспособность клеток после печати и значительный рост нейритов в течение семи дней.
- Оба типа клеток экспрессировали маркеры зрелости, что свидетельствует об успешном развитии.
- Быстрое создание модели способствует оптимизации исследовательских приложений и дальнейшему тестированию.
- Выводы подчеркивают потенциал данного протокола в преодолении существующих барьеров при создании сложных моделей клеточных культур.
Выводы
- В исследовании продемонстрирован новый метод разработки масштабируемых систем 3D-сокультивирования для нейробиологических исследований.
- Данное достижение может оказать существенное влияние на развитие высокопроизводительного скрининга в исследованиях нейронных сетей.
- Данные, полученные с использованием 3D-культур, могут способствовать более глубокому пониманию нейронных механизмов и пластичности.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Трехмерная биопечать кокультур нейронов и астроцитов, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) человека, решает критическую задачу создания масштабируемых и физиологически релевантных моделей для поиска лекарственных средств в нейробиологии. Данная платформа позволяет быстро и стандартизировано создавать сложные нейронные системы, подходящие для скрининга со средней и высокой пропускной способностью, что напрямую способствует валидации мишеней и разработке анализов на ранних этапах. Преодолевая барьеры пропускной способности и воспроизводимости, этот метод повышает прогностическую достоверность и эффективность принятия решений по портфелю препаратов в процессе разработки нейротерапевтических средств.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Позволяет проверять гипотезы о нейронных путях в физиологически релевантном 3D-контексте.
- Обеспечивает функциональную валидацию мишеней за счет масштабного моделирования взаимодействий между нейронами и астроцитами.
- Способствует прогностическому снижению рисков благодаря использованию стандартизированных и воспроизводимых систем кокультивирования.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает получение однородных 3D-моделей нейронов, совместимых с форматами 96- и 384-луночных планшетов для проведения скрининга.
- Поддерживает количественные показатели, такие как рост нейритов и жизнеспособность, для оценки соединений.
- Обеспечивает стандартизацию и масштабируемость анализа, снижая влияние человеческого фактора и увеличивая пропускную способность.
Трансляционные и доклинические исследования
- Обеспечивает создание релевантных заболеванию нейронных микроокружений для поиска трансляционных биомаркеров.
- Обеспечивает преемственность от этапа открытия до доклинической валидации за счет моделирования физиологии нейронов человека.
- Снижает риск неудач на поздних стадиях разработки путем повышения биологической релевантности первичного скрининга.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Данный протокол 3D-биопечати интегрируется в процесс поиска и идентификации ведущих соединений, позволяя быстро создавать нейронные модели для раннего скрининга и изучения механизмов действия.
- Фундаментальная биология: способствует проверке гипотез и уточнению путей передачи сигналов в нейронных системах человека.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные данные для сортировки и приоритезации соединений.
- Аналитика: позволяет измерять жизнеспособность, рост нейритов и экспрессию маркеров для сравнительного анализа.
- Трансляционные исследования: согласуются со стратегиями поиска биомаркеров за счет моделирования взаимодействий нейронов и астроцитов в 3D.
- Корпоративное повторное использование: представляет собой масштабируемую стандартизированную платформу, адаптируемую для различных программ НИОКР в области нейронаук.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает точность прогнозов и снижает механистическую неопределенность при валидации нейральных мишеней.
- Операционная ценность: оптимизирует разработку моделей благодаря использованию высокопроизводительных форматов, подходящих для автоматизации.
- Стратегическая ценность: улучшает процесс принятия решений о целесообразности дальнейшей разработки (go/no-go) и эффективность использования капитала за счет обеспечения надежного предварительного скрининга.
- Влияние на портфель: способствует приоритизации с учетом рисков и продвижению кандидатов в нейротерапевтические препараты.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области дифференцировки иПСК и технологий 3D-биопечати.
- Необходим доступ к оборудованию для биопечати и совместимым гидрогелевым матриксам.
- Требуется межкомандная стандартизация протоколов анализа и обработки данных.
- Может потребоваться адаптация для различных нейрональных подтипов или моделей заболеваний.
- Эффективность модели зависит от источника клеток и оптимизации состава гидрогеля.
