Dans une étude récente publiée dans cellule cellule soucheLes chercheurs ont créé du tissu cérébral humain bio-imprimé en trois dimensions (3D), permettant la création de réseaux neuronaux fonctionnels capables de simuler l’activité du réseau dans des situations normales et pathologiques.
arrière-plan
Comprendre les réseaux neuronaux du cerveau humain est essentiel pour comprendre la santé et les maladies du cerveau. Cependant, les modèles animaux ne peuvent pas reproduire efficacement le calcul de haut niveau du cerveau humain en raison des variations de la composition cellulaire, des réseaux neuronaux et de l’intégration synaptique. La bio-impression 3D offre une méthode plus précise pour produire du tissu cérébral humain en repositionnant physiquement les hydrogels et les cellules vivantes au sein d’une cytoarchitecture physiologiquement compliquée. Cependant, la bio-impression de tissus mous tels que le cerveau est préoccupante car les biomatériaux mous ne peuvent pas supporter des architectures 3D complexes ou des gels rigides.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont développé une plateforme de bio-impression 3D pour produire des tissus contenant des types de cellules cérébrales humaines définis dans n’importe quelle dimension souhaitée.
L’objectif de l’équipe était de construire du tissu neural en couches, y compris des cellules progénitrices neurales (NPC), qui créent des connexions au sein et entre les couches du cerveau, en gardant la structure intacte. Ils ont développé une bio-encre pour l’impression. Ils ont utilisé du gel de fibrine pour imprimer les tissus. Les méthodes de bio-impression comprennent des techniques basées sur l’extrusion, le laser et les gouttelettes. La technique d’extrusion de bio-impression tridimensionnelle applique du gel en couches pour simuler les structures cérébrales telles que les stratifications du cortex humain.
Les chercheurs ont choisi une épaisseur de 50 mm pour chaque couche et ont construit des tissus multicouches en plaçant les couches horizontalement les unes à côté des autres. Ils ont conçu un tissu cérébral imprimé en 3D qui est relativement fin mais fonctionnel et multicouche, a des compositions cellulaires établies et des dimensions souhaitées, et est facile à entretenir et à tester dans un environnement de laboratoire standard.
Les chercheurs ont découvert que 2,50 mg par ml de fibrinogène et 0,50 à 1,0 U de thrombine constituaient des concentrations optimales pour la formation d’hydrogel, entraînant un temps de gélification de 145 secondes, permettant l’impression sur des plaques à 24 puits. Après six heures, la plupart (85 %) des cellules étaient viables et ont survécu pendant sept jours. L’équipe a créé des précurseurs de l’acide gamma-aminobutyrique (GABA) dérivé de l’éminence ganglionnaire médiale (MGE) et de la protéine fluorescente verte (GFP) corticale (glutamate).+) et GFP– Cellules souches pluripotentes humaines (hPSC) pour étudier si les interneurones GABAergiques et les neurones glutamatergiques forment des connexions synaptiques lorsqu’ils sont introduits dans des tissus imprimés. Avant l’impression, ils ont combiné les deux populations progénitrices dans un rapport de 1:4 pour ajuster le rapport entre les interneurones et les neurones de projection corticale dans le cortex cérébral.
Les chercheurs ont enregistré des données électrophysiologiques à partir de tissus imprimés avec des progéniteurs corticaux glutamatergiques GFP+, des progéniteurs GABAergiques MGE non colorés et des progéniteurs d’astrocytes dérivés de hPSC incorporés dans les neurones glutamate et les interneurones GABA. Le tissu imprimé a été immunocoloré avec un marqueur axonal, SMI312. Ils ont étudié la maladie d’Alexander (AxD), une maladie neurodégénérative provoquée par des anomalies du gène GFAP, afin d’étudier les mécanismes pathogènes. Ils ont utilisé l’imagerie en direct de l’absorption du glutamate par des rapporteurs fluorescents sensibles au glutamate (iGluSnFR) pour examiner les interactions neurones-astrocytes et les connexions neurones-gliales dans AxD.
Résultats
Les précurseurs neuronaux imprimés se sont développés en neurones en quelques semaines et ont formé des réseaux neuronaux fonctionnels au sein et entre les couches tissulaires. Les progéniteurs d’astrocytes imprimés se sont transformés en astrocytes en utilisant des processus complexes pour fonctionner dans les réseaux neurones-astrocytaires. Les techniques de culture conventionnelles pourraient préserver le tissu cérébral 3D, facilitant ainsi l’étude dans des environnements physiologiques et pathologiques. La viabilité cellulaire a diminué avec l’augmentation des concentrations de thrombine à une concentration de fibrinogène de 2,50 mg/ml, mais est restée inchangée à une concentration constante de 0,50 U de fibrinogène, et à des niveaux de fibrinogène accrus, les cellules se sont agrégées.
Les neurones bio-imprimés ont mûri et ont conservé la forme des tissus, les cellules exprimant la GFP dans une bande se transformant en neurones de la protéine 2 associée aux microtubules (MAP2+) une semaine après l’impression. Le tissu imprimé a conservé une configuration stable dans laquelle les progéniteurs neuronaux ont proliféré et des réseaux neuronaux ont été établis. Les sous-types neuronaux ont établi des réseaux fonctionnels au sein des tissus bio-imprimés, avec des cellules MGE dérivées de hPSC exprimant NK2 homeobox 1 (NKX2.1) et GABA et des progéniteurs corticaux positifs pour la boîte de tête de fourche G1 (FOXG1) et la boîte appariée 6 (PAX6). Les constructions de tissus neuronaux bio-imprimés favorisent la croissance des neurones glutamatergiques corticaux et des interneurones GABAergiques.
Les chercheurs ont utilisé une solution hautement concentrée de chlorure de potassium pour imprimer des tissus contenant des neurones et des astrocytes afin de démontrer les connexions fonctionnelles. Les astrocytes expriment le transporteur de glutamate 1 (GLT-1), indiquant une maturation. Les bandes neuronales corticales et striatales imprimées sont restées intactes 15 jours après l’impression et les neurites GFP et mCherry se sont développés l’un vers l’autre. Le tissu cérébral humain imprimé pourrait recréer des processus pathologiques, les astrocytes AxD présentant une agrégation intracellulaire de GFAP. Après 30 jours, les neurones MAP2+ et les astrocytes GFAP+ présentaient une morphologie et une expression complexes de la synapsine.
Diplôme
Dans l’ensemble, les résultats de l’étude ont démontré la capacité de l’impression 3D à créer du tissu cérébral fonctionnel pour simuler l’activité du réseau dans des environnements normaux et pathologiques. Les tissus créés par bioink établissent des connexions synaptiques fonctionnelles entre les sous-types neuronaux et les réseaux neurones-astrocytaires en deux à cinq semaines. La plateforme 3D fournit un environnement défini pour étudier les réseaux cérébraux humains dans des environnements sains et pathologiques ; Il existe cependant des limites telles que : B. la douceur du gel et l’épaisseur des tissus imprimés de 50 mm.