Двухфотонная полимеризационная 3D-печать микромасштабных устройств для культивирования нейрональных клеток
7 июня 2024 г.
3D-печать в микрометровом масштабе позволяет быстро создавать прототипы полимерных устройств для культур нейрональных клеток. В качестве доказательства принципа структурные связи между нейронами ограничивались созданием барьеров и каналов, влияющих на рост нейритов, в то время как функциональные последствия таких манипуляций наблюдались внеклеточной электрофизиологией.
Нас в целом интересует взаимосвязь между структурой и функциями мозга, особенно на уровне микросхем. Мы часто используем сокращенные экспериментальные препараты, такие как культура диссоциированных нейронных клеток, потому что они являются ценной моделью для исследования электрической активности, синаптической передачи и, в целом, возникновения коллективных состояний. Предлагаемый нами метод идеально подходит для быстрого изготовления микромасштабных полимерных устройств.
Это может быть сразу использовано для экспериментального исследования модульных нейронных сетей в тарелке, и для этого не требуется высокий уровень технических знаний в области мягкой фотолитографии. Этот метод и наше простое доказательство концепции позволяют проектировать модульные нейронные сети, в которых мы можем определять структуру и управлять потоком биологических сигналов. Скрининг лекарств и исследование патологических состояний немедленно выигрывают от этих сложных нейронных сетей in vitro.
Обзор
В данном исследовании изучается применение 3D-печати микронного масштаба для создания полимерных устройств для культур нейрональных клеток, что позволяет проектировать модульные нейронные сети. Ограничивая структурные связи между нейронами с помощью барьеров и каналов, исследователи изучили функциональные последствия для роста нейритов с использованием внеклеточной электрофизиологии.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Клеточная биология
- 3D-биопечать
Теоретические основы
- Связь между структурой и функцией в нейронных микроцепях.
- Использование культур диссоциированных нейронов для изучения электрической активности и синаптической передачи.
- Значимость быстро изготавливаемых устройств для экспериментальных исследований.
- Особое внимание к скринингу лекарственных препаратов и исследованию патологических состояний.
Цель исследования
- Продемонстрировать возможность быстрого изготовления полимерных устройств микромасштаба.
- Облегчить экспериментальное изучение модульных нейронных сетей in vitro.
- Определить структуру и обеспечить контроль потока биологических сигналов.
Используемые методы
- Методы 3D-печати для создания устройств на основе PDMS для нейрональных культур.
- Выделение и культивирование нейрональных клеток детенышей крыс на мультиэлектродных матрицах (MEA).
- Внеклеточная электрофизиология для мониторинга нейрональной активности.
- Этапы включали использование программного обеспечения для проектирования 3D-компонентов, УФ-отверждение и стерилизацию устройств.
Основные результаты
- Живая визуализация показала, что на рост нейритов влияют структурные модификации.
- Электрофизиологический анализ выявил значимые паттерны нейронной активности в ответ на структурные ограничения.
- Полученные результаты подчеркивают важность физической структуры в стимулировании клеточных взаимодействий.
Выводы
- В исследовании продемонстрирован новый метод создания специализированных нейронных сред in vitro.
- Работа стимулирует дальнейшее изучение искусственно сконструированных нейронных сетей для исследовательских и клинических целей.
- Результаты имеют важное значение для понимания нейронных механизмов и моделирования заболеваний.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Быстрое прототипирование устройств для микромасштабного культивирования нейронов с помощью 3D-печати методом двухфотонной полимеризации (2PP) обеспечивает точный контроль над архитектурой нейронной сети, что позволяет осуществлять передовое моделирование микроциркуляторных систем мозга in vitro. Эта возможность повышает прогностическую достоверность на ранних этапах разработки нейротехнологий и способствует трансляционным исследованиям, сокращая разрыв между упрощенными клеточными культурами и сложными системами in vivo. Данный подход особенно актуален для высокопроизводительного сбора нейронных данных, моделирования заболеваний и разработки преклинических нейрофармакологических протоколов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет исследовать нейронную связность и синаптическую функцию в контролируемых микросредах.
- Способствует снижению технических рисков за счет возможности модульного проектирования сетей и изучения направленного потока сигналов.
- Облегчает функциональную валидацию мишеней с помощью электрофизиологического считывания данных в режиме реального времени.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает стандартизированные, воспроизводимые платформы для скрининга соединений в физиологически релевантных нейронных цепях.
- Ускоряет разработку анализов за счет возможности быстрой итерации геометрии устройств и конфигураций сетей.
- Обеспечивает количественную многоканальную внеклеточную регистрацию для получения надежных данных.
Трансляционные и доклинические исследования
- Повышает релевантность модели для изучения заболеваний за счет моделирования компартментализированных нейронных связей и синаптической пластичности.
- Обеспечивает преемственность от этапа первичного поиска до доклинической валидации благодаря масштабируемым и настраиваемым системам in vitro.
- Позволяет принимать обоснованные решения о продвижении разработки с учетом рисков, предоставляя функциональные данные о реакциях на уровне нейронных сетей.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный рабочий процесс 3D-печати методом 2PP интегрируется на стыке ранних этапов поиска, разработки анализов и доклинических исследований, обеспечивая возможность итеративного проектирования и функционального тестирования нейронных сетей.
- Фундаментальная биология: обеспечивает проверку гипотез о взаимосвязи структуры и функций в нейронных цепях.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные электрофизиологические результаты для оценки соединений.
- Аналитика: предоставляет многосайтовые данные высокого разрешения для сравнительного анализа активности сети.
- Трансляционные исследования: приводит модели in vitro в соответствие с connectivity и функциональными конечными точками, имеющими значение для заболевания.
- Повторное использование в корпоративном секторе: предлагает гибкую платформу, адаптируемую к различным нейробиологическим и фармакологическим исследованиям.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозов и снижает механистическую неоднозначность при исследовании нейронных мишеней.
- Операционная ценность: оптимизирует прототипирование, стандартизацию и воспроизводимость устройств для культивирования нейронов.
- Стратегическая ценность: позволяет принимать обоснованные решения о продолжении или прекращении разработки, а также эффективно распределять капитал при продвижении портфеля проектов.
- Влияние на портфель: способствует приоритезации с учетом рисков и развитию активов в области нейротехнологий.
Особенности реализации
- Требуются навыки работы с программным обеспечением для 3D-проектирования и процессами микрофабрикации.
- Необходим доступ к 3D-принтерам двухфотонной полимеризации и оборудованию для электрофизиологических исследований.
- Требуется межгрупповая стандартизация протоколов изготовления устройств и сбора данных.
- При оптимизации протокола метод может быть адаптирован к различным типам нейронов и экспериментальным парадигмам.
- Масштабируемость и пропускная способность могут быть ограничены технологическими особенностями изготовления и манипуляций с образцами.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
Chapters in this video
0:00
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
