Stampa 3D lipidica a doppio strato di cellule corticali cerebrali umane che rivela interazioni di sviluppo

I RICERCATORI SVILUPPANO UN NUOVO METODO DI STAMPA 3D PER MIGLIORARE LA COMPRENSIONE DELLO SVILUPPO DEL CERVELLO UMANO

I ricercatori dell’Università di Oxford e dell’Università cinese di Hong Kong hanno ideato un nuovo metodo di bioprinting 3D per capire meglio come si sviluppa il cervello umano.

Utilizzando una tecnica di stampa supportata da lipidi a doppio strato, gli scienziati hanno stampato in 3D cellule corticali umane in un matrigel ECM morbido e biocompatibile. Questo processo ha permesso alle cellule di essere preconfigurate con precisione sia nei progetti di cellule naturali sia in quelli innaturali, il che ha prodotto importanti spunti sullo sviluppo della corteccia cerebrale umana.

I tessuti umani sono costituiti da complessi modelli cellulari che si presentano durante il loro sviluppo e sono cruciali per la loro funzione. Alcuni design cellulari sono stati replicati con successo con organoidi in vitro, che utilizzano le cellule staminali come strumento per combattere le malattie e sono utili per lo sviluppo di farmaci rigenerativi. Tuttavia, queste strutture sono state create utilizzando aggregati cellulari incontrollati, che si organizzano spontaneamente nel tempo, in modo imprevedibile e spazialmente disordinato.

Essere in grado di pre-posizionare i tipi di cellule nelle fasi iniziali del processo di auto-organizzazione, potrebbe consentire un maggiore controllo sui successivi stati organizzati, ma questo approccio non è stato ancora esteso per produrre geometrie 3D definite. Le strutture 3D pre-modellate generate manualmente potrebbero rappresentare potenti strumenti per lo studio della migrazione neuronale attraverso le regioni cerebrali e le specifiche delle regioni cerebrali indotte dalle molecole di segnalazione. Inoltre, l’automazione meccanica di questi processi di programmazione spaziale aumenterebbe la riproducibilità e la complessità dell’auto-organizzazione indotta all’interno dei modelli di tessuto 3D.

A causa della mancanza di modelli disponibili e strumenti sperimentali, il cervello umano non è completamente compreso. Mentre la bioprinting 3D offre un metodo rapido di pre-patterning, finora è stata limitata a tessuti più rigidi rispetto al cervello umano molle. Molti sforzi per biografare i tessuti molli che usano polisaccaridi o scaffold a base di polimeri sintetici per supportarli non sono stati progettati per supportare le proprietà e la complessità della matrice extracellulare del cervello (ECM).

Di conseguenza, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica di bioprinting sviluppata nel 2013, che in 3D ha stampato decine di migliaia di goccioline acquose picolitri, unite da strati doppi lipidici, in materiali simil-tessuti 3D. Il team di ricerca ha migliorato questo metodo in modo da consentire la costruzione di tessuti molli con ECM e senza materiali duri influenzare la successiva auto-organizzazione.

La nuova tecnica di stampa 3D dei ricercatori

Organizzando spazialmente le cellule staminali naturali (NSC) all’interno di un matrigel (un ECM simile a una membrana), i ricercatori hanno innescato una serie di eventi di sviluppo corticale: migrazione neuronale, differenziazione, crescita degli assoni e astrogenesi. Inoltre, gli astrociti pre-modellati (che circondano i NSC) hanno indotto un forte fascicolazione assonale, suggerendo che gli astrociti partecipano alla formazione del tratto neurale. Combinando i metodi emergenti di programmazione delle cellule veloci utilizzati dai ricercatori dell’Università di Cambridge nel 2017, con la loro tecnica di stampa 3D, il team di ricerca di Oxford è stato in grado di produrre rapidamente tessuti corticali differenziati.

L’uso di metodi spaziali di pre-patterning per studiare sommariamente la migrazione cellulare nei tessuti corticali, ha rivelato che gli astrociti mantenevano preferibilmente la segregazione dai neuroni. Ciò ha indicato chemorepulsione non precipitale tra neuroni e astrociti e ha permesso di approfondire i loro successivi processi di auto-organizzazione.

Per migliorare ulteriormente il loro precedente metodo di produzione, i ricercatori hanno progettato un driver piezoelettrico capace di tensioni di uscita più elevate, per espellere goccioline contenenti materiali con viscosità più elevata. Le goccioline posizionate una accanto all’altra formavano doppi strati di interfaccia (DIB), che fornivano l’importante forza adesiva richiesta per supportare l’architettura 3D delle reti di goccioline stampate e consentire la creazione di schemi. Inoltre, l’uso di ugelli di stampa con diametri interni diversi ha permesso alla squadra di generare goccioline di dimensioni diverse e la regolazione dell’ampiezza e della durata dell’impulso di stampa ha avuto un effetto simile.

A seguito del processo di stampa 3D, le strutture sono state gelate riscaldandole a temperatura ambiente, durante le quali i DIB intatti hanno tenuto separato il contenuto delle goccioline. L’innalzamento lento della temperatura da 25 ° C a 37 ° C ha impedito la rottura delle goccioline e ha permesso l’ulteriore gelificazione senza miscelazione del contenuto. La fluorescenza dei DIB etichettati è lentamente scomparsa dalle reti in pochi giorni, indicando che i lipidi si erano diffusi via, e l’ECM e le cellule sono state lasciate indietro senza la necessità di alcun supporto meccanico.

I ricercatori hanno successivamente utilizzato la tecnica di stampa 3D per studiare ulteriormente l’auto-organizzazione delle cellule neurali nei tessuti stampati, aumentando la densità cellulare a 3,5 × 10 7 ml -1 . I costrutti stampati a questa elevata densità cellulare presentavano una buona vitalità e le cellule erano in grado di proliferare, dando luogo a strutture dense entro i primi 28 giorni. Una cultura più lunga ha portato alla formazione di protuberanze e un numero crescente di neuroni a strato corticale profondo e dopo altri due mesi sono comparsi neuroni e astrociti maturi. Ciò ha dimostrato che il metodo di costruzione potrebbe produrre tessuti neurali vitali con diverse densità cellulari e esibire diverse formazioni di auto-organizzazione per lunghi periodi di tempo.

Pre-posizionando astrociti e neuroni corticali con differenti schemi, i ricercatori hanno dimostrato che i neuroni migrano verso domini di astrociti, ma che gli astrociti preferiscono rimanere separati dai neuroni. La ricerca futura potrebbe portare a diverse combinazioni di precursore e cellule mature assemblate mediante bioprinting, per sondare attività cerebrali locali o distanti e malfunzionamenti. Ciò potrebbe portare a una migliore comprensione dei processi di sviluppo del cervello umano, come l’espansione corticale e la migrazione / segregazione degli astrociti e le applicazioni di modellizzazione delle malattie. Inoltre, la tecnica di pre-patterning ha permesso al team di produrre una varietà di tessuti molli senza supporti artificiali, che è cruciale per lo studio di tessuti con accessibilità limitata, come il cervello umano.

Il cervello umano e la bioprinting 3D

La stampa 3D è stata utilizzata per migliorare la nostra comprensione delle funzioni del cervello e per curare le malattie del cervello attraverso una varietà di metodi negli ultimi anni.

Gli scienziati sudcoreani hanno creato dispositivi glioblastoma-su-un-chip bioprinted 3D per comprendere meglio il comportamento delle cellule tumorali nel marzo 2019. Gli scienziati hanno estratto cellule cancerose cerebrali aggressive da pazienti in un modello ex vivo, per emulare le caratteristiche dei tumori umani.

Il National Research Council of Canada (NRC) e Aspect Biosystems , una società di biotecnologia con sede a Vancouver, hanno utilizzato la bioprinting per studiare e curare le malattie cerebrali nel febbraio 2019. La ricerca mirava a sviluppare un modello di barriera emato-encefalica, adatto allo screening in vitro con “Una linea di vista alla commercializzazione”.

Nel marzo 2018, alcuni ricercatori dell’Università di Manchester, con sede nel Regno Unito, hanno sostenuto i modelli di cellule umane che possono essere studiati su larga scala, al fine di individuare le cellule difettose. Secondo il team di ricerca, la qualità dei modelli di test realizzati per imitare la struttura del cervello “è aumentata in modo significativo” quando si utilizzano bioink e bioprinting 3D.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Stampa 3D lipidica a doppio strato di cellule corticali cerebrali umane che rivela interazioni di sviluppo ” pubblicato sulla rivista Advanced Materials nel giugno 2020. Lo studio è stato co-autore di Linna Zhou, Anne C. Wolfes, Yichen Li, Danny CW Chan, Ho Ko Francis, G. Szele e Hagan Bayley.

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