Aquí, presentamos un protocolo para producir cocultivos bioimpresos en 3D de neuronas y astrocitos derivados de iPSC. Este modelo de cocultivo, generado dentro de un andamio de hidrogel en formatos de 96 o 384 pocillos, demuestra una alta viabilidad post-impresión y crecimiento de neuritas en 7 días y muestra la expresión de marcadores de madurez para ambos tipos de células.
Para que un modelo celular sea viable para el cribado de fármacos, el sistema debe cumplir los requisitos de rendimiento y homogeneidad, además de tener un tiempo de desarrollo eficiente. Sin embargo, muchos modelos 3D publicados no satisfacen estos criterios. Esto, por lo tanto, limita su utilidad en las primeras aplicaciones de descubrimiento de fármacos. La bioimpresión tridimensional (3D) es una tecnología novedosa que se puede aplicar al desarrollo de modelos 3D para acelerar el tiempo de desarrollo, aumentar la estandarización y aumentar el rendimiento. Aquí, presentamos un protocolo para desarrollar modelos de cocultivo bioimpresos en 3D de neuronas glutamatérgicas y astrocitos derivados de células madre pluripotentes inducidas humanas (iPSC). Estos cocultivos están incrustados dentro de una matriz de hidrogel de péptidos bioactivos, proteínas de matriz extracelular (MEC) de longitud completa y con una rigidez fisiológica de 1,1 kPa. El modelo se puede establecer rápidamente en formatos de 96 y 384 pocillos y produce una viabilidad media posterior a la impresión del 72%. Se muestra que la relación astrocito-neurona en este modelo es de 1:1,5, que está dentro del rango fisiológico del cerebro humano. Estas poblaciones de células bioimpresas en 3D también muestran la expresión de marcadores de tipo de células neurales maduras y el crecimiento de proyecciones de neuritas y astrocitos dentro de los 7 días posteriores al cultivo. Como resultado, este modelo es adecuado para el análisis mediante colorantes celulares y técnicas de inmunotinción junto con ensayos de crecimiento de neuritas. La capacidad de producir estos modelos fisiológicamente representativos a escala los hace ideales para su uso en ensayos de cribado de rendimiento medio a alto para objetivos neurocientíficos.
La investigación sobre las enfermedades del sistema nervioso central (SNC) en la industria del descubrimiento de fármacos se está expandiendo1. Sin embargo, muchas enfermedades prevalentes del SNC, como la epilepsia, la esquizofrenia y la enfermedad de Alzheimer, aún no tienen tratamientos curativos 2,3,4. La falta de terapias efectivas en las enfermedades del SNC puede, al menos en parte, atribuirse a la falta de modelos in vitro precisos del cerebro5. Esto ha dado lugar a una brecha traslacional entre los modelos in vitro actuales y los datos in vivo, y un consiguiente cuello de botella en los esfuerzos de investigación.
Impulsado por esta brecha traslacional, en los últimos años se ha producido un aumento significativo en el desarrollo de nuevos modelos celulares en 3D, incluidos organoides neuronales, neurosferoides y modelos basados en andamios6. La estructura 3D de estos modelos ayuda a recapitular el microambiente neuronal, incluidas las tensiones biomecánicas, los contactos célula-célula y la matriz extracelular cerebral (MEC)7. La MEC cerebral es un elemento dinámico de la neurofisiología que ocupa el espacio entre los tipos de células neuronales, incluidas las neuronas, los astrocitos, los oligodendrocitos y la unidad neurovascular7. Se ha demostrado que la recapitulación de la MEC cerebral afecta a la morfología neuronal y a la activación neuronal, y muchos modelos 3D complejos del cerebro han demostrado la deposición de proteínas de la MEC por parte de los tipos de células neuronales 8,9,10,11. Los modelos basados en andamios consisten en cocultivos neurales maduros suspendidos en una matriz porosa de hidrogel sintético o biológico que representa la ECM12 del cerebro. A diferencia de los sistemas organoides y esferoides, los modelos 3D basados en andamios permiten la personalización de las proteínas de la MEC presentes y tienen el beneficio adicional de la capacidad de ajuste de la rigidez del hidrogel para imitar las tensiones biomecánicas13,14.
Aunque una abrumadora mayoría de los modelos neuronales 3D demuestran una mayor recapitulación del microambiente cerebral, no todos los modelos son adecuados para implementar aplicaciones de descubrimiento de fármacos15. Para que un modelo 3D se implemente en procesos industriales, el sistema debe cumplir con los requisitos de rendimiento para aplicaciones de cribado y tener un tiempo de desarrollo relativamente corto16. La bioimpresión 3D es una tecnología novedosa que ofrece el potencial de crear modelos neuronales basados en andamios 3D con un tiempo de desarrollo rápido, un mayor rendimiento y mayores niveles de control de precisión, junto con la eliminación de la variabilidad causada por el error humano17. Este protocolo presenta un modelo de cocultivo 3D de neuronas glutamatérgicas y astrocitos humanos derivados de iPSC en un andamio de hidrogel. Este andamio de hidrogel contiene péptidos bioactivos fisiológicamente representativos (RGD, IKVAV, YIGSR) y proteínas ECM dentro de una rigidez biomecánica mimética. Estas proteínas de MEC de longitud completa incluyen la laminina-211 de longitud completa y el ácido hialurónico, abundantes en la corteza humana, con una rigidez de 1,1 kPa en línea con las mediciones in vivo 18. Este modelo está diseñado con practicidad para el descubrimiento de fármacos, y se crea utilizando una bioimpresora 3D en un formato de placa de 96 o 384 pocillos adecuado para el análisis de cribado mediante técnicas de imagen con colorantes celulares y anticuerpos, junto con ensayos de crecimiento de neuritas. Las células muestran expresión de marcadores de tipo de células neurales y crecimiento de proyecciones de neuritas y astrocíticas dentro de los 7 días posteriores al cultivo. Por lo tanto, este protocolo presentará la metodología para desarrollar un modelo de cocultivo neuronal 3D de alto rendimiento para su uso en aplicaciones de descubrimiento de fármacos.
Figura 1: Resumen ilustrativo de la metodología utilizada para la bioimpresión 3D de cocultivos. Las neuronas y astrocitos derivados de iPSC humanas se combinan con soluciones activadoras y de biotinta que contienen péptidos bioactivos y se bioimprimen en andamios de hidrogel en formatos de 96 o 384 pocillos utilizando la tecnología de bioimpresión bajo demanda. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La necesidad de modelos precisos del SNC nunca ha sido mayor, y las limitaciones de los modelos de cultivo celular tradicionales bidimensionales (2D) han impulsado una generación de modelos complejos del SNC en los últimos años19. Sin embargo, muchos modelos 3D complejos que representan interacciones entre los tipos de células neuronales y la MEC tienen limitaciones que impedirían la aplicación de estos modelos en procesos industriales 6,20,21. En este protocolo, desarrollamos un modelo de cocultivo 3D de neuronas y astrocitos humanos derivados de iPSC, que tiene como objetivo resolver algunas de estas limitaciones utilizando la tecnología de bioimpresión 3D para crear un andamio de hidrogel bioactivo en formatos de 96 y 384 pocillos.
La metodología para el desarrollo de estos modelos se ha simplificado a través del software de diseño de mapas de placas, protocolos de impresión autogenerados y el proceso de impresión guiado desde la bioimpresora. Sin embargo, debido a la naturaleza sensible de los tipos de células sensibles derivadas de iPSC utilizados en este protocolo, se debe tener cuidado con los siguientes pasos críticos en la descongelación y el cultivo. En primer lugar, la inclusión del inhibidor de ROCK (ROCKi) tiene varios beneficios a lo largo del proceso de bioimpresión y durante el cultivo temprano. La descongelación celular es un punto crítico en el que las neuronas pueden experimentar una respuesta de estrés, y los protocolos de descongelación inadecuados pueden disminuir las posibilidades de supervivencia22. Por lo general, se recomienda descongelar las células, agregar medios y elevarlas a la temperatura de la incubadora de la manera más eficiente posible23. Sin embargo, durante el proceso de bioimpresión descrito en este protocolo, es necesario que las neuronas y los astrocitos se resuspendan en una solución activadora en lugar de en un medio, y las células no se elevarán por encima de la temperatura ambiente hasta el final de la tirada de impresión (hasta 30 minutos después de la descongelación). Por lo tanto, la adición de ROCKi al medio inmediatamente después de la descongelación e incluirlo durante los dos pasos de centrifugación (pasos 2.1-2.7 y 1.3.15-1.3.20) es imprescindible para inhibir las vías de estrés celular, lo que daría lugar a niveles de viabilidad más bajos24. Además, se ha demostrado que ROCKi promueve el crecimiento de neuritas y mejora la maduración neuronal25. Por lo tanto, la suplementación con ROCKi se continúa durante 48 h después de la bioimpresión. Sin embargo, es imperativo eliminar la suplementación con ROCKi después de 48 h para garantizar un lavado completo durante los cambios de medios posteriores antes de que las células se utilicen para el ensayo.
Un paso adicional que requiere una atención crítica es durante la adición de medios post-impresión y los cambios de medios (pasos 2.8-2.13). El andamio de hidrogel bioimpreso tiene una rigidez biomecánica equivalente de solo 1,1 kPa, equivalente a la materia gris. Como se describe en el paso 2.10, es fundamental pipetear suavemente en el costado del pocillo durante la adición y aspiración de medios para evitar perturbaciones. Esto es de particular relevancia para las placas de 384 pocillos, donde el nivel de gel ocupa una mayor proporción del volumen total del pocillo. Este método también debe utilizarse en pozos de control 2D para evitar el levantamiento de los bordes de las células y el cizallamiento de las excrecencias de las neuritas. Los autores también quieren destacar la importancia de la técnica estéril dentro de la bioimpresora, que debe tratarse con una precaución equivalente a la de una cabina de bioseguridad utilizada para cultivos celulares derivados de iPSC. Esto incluye el filtrado estéril al 70% de EtOH y dH2O utilizado en los procedimientos de impresión y luz verde, el mantenimiento de las tapas en los cartuchos y placas mientras se mueven las manos dentro y fuera de la bioimpresora, y la descontaminación de las superficies dentro de la bioimpresora con toallitas de etanol al 70% antes y después de la impresión.
El andamio de hidrogel bioimpreso, formado a partir de soluciones de biotinta y activador, seleccionado para desarrollar este modelo se selecciona entre una gama de biotintas y soluciones activadoras desarrolladas por Inventia Life Science para su uso dentro de la bioimpresora RASTRUM. La laminina y el ácido hialurónico fueron identificados como moléculas relevantes para la maduración neuronal derivada de iPSC debido a su papel en la guía axonal, la formación de sinapsis y la formación de la red perineuronal26,27. Además, se seleccionó una rigidez biomecánica de 1,1 kPa, ya que se ha demostrado que los hidrogeles de menor densidad permiten un mejor crecimiento de neuritas de las neuronas12. Si se realizan modificaciones en el protocolo mediante el uso de neuronas y astrocitos que han sido diferenciados internamente o de un proveedor comercial diferente, se recomendaría realizar una prueba de selección de matriz para determinar el andamio de hidrogel de mayor apoyo15. Además, es posible que también sea necesario optimizar la densidad celular si se realizan cambios en las fuentes celulares para garantizar una viabilidad óptima y evitar el hacinamiento de hidrogeles. Para todas las modificaciones y la resolución de problemas relacionados con la función de la bioimpresora, los autores recomiendan ponerse en contacto con los fabricantes y hacer referencia a los protocolos de los fabricantes.
El SNC contiene una amplia gama de subtipos neuronales y células gliales, todas las cuales existen en diferentes nichos cerebrales y tienen funciones específicas que contribuyen a la función neuronal28. En el contexto de este amplio alcance, este modelo representa solo los dos tipos celulares más abundantes (astrocitos y neuronas glutamatérgicas excitatorias). Los tipos de células importantes, como la microglía, los oligodendrocitos y las células endoteliales formadoras de la barrera hematoencefálica, se omiten de este sistema. La inclusión de la microglía podría ser relevante en el enfoque de las interacciones neuroinmunes, y los oligodendrocitos podrían ser de interés en las enfermedades que afectan a la mielinización central. Además de su papel en la patología, células como las células endoteliales formadoras de la barrera hematoencefálica excretan enzimas metabolizadoras de fármacos, lo que podría afectar al uso de este modelo para ensayos farmacocinéticos29. Otra limitación del modelo puede ser la relación entre astrocitos y neuronas; La relación entre astrocitos y neuronas varía mucho entre regiones cerebrales, con valores sugeridos entre 1:1 y 1:330,31. Este modelo tiene una relación aproximada de 1:1,5 astrocitos por neuronas; Por lo tanto, este modelo podría no ser relevante para modelar áreas cerebrales donde los astrocitos son más abundantes, como en las áreas de sustancia blanca30.
En los últimos años se han publicado otros protocolos para desarrollar modelos de cocultivo bioimpresos en 3D. Una publicación de Sullivan et al., 2021, presentó un modelo neuronal bioimpreso en 3D utilizando células progenitoras neurales derivadas de iPSC, que demuestra una alta viabilidad posterior a la impresión y una mejora de la función neuronal en comparación con los cultivos 2D32. Sin embargo, en este protocolo se utilizaron células progenitoras neurales como fuente celular y se mantuvieron en cultivo durante 4 semanas. En este protocolo, se utilizaron neuronas glutamatérgicas y astrocitos derivados de iPSC disponibles comercialmente. Esto permite establecer una red 3D de células cocultivadas en tan solo 7 días; Como se demostró mediante el análisis del crecimiento de las neuritas, el crecimiento de las neuritas comienza dentro de las 24 h y continúa de manera lineal durante el período de 156 h durante el cual se monitoreó el crecimiento celular. El rápido establecimiento de estas redes puede atribuirse en parte al uso de neuronas glutamatérgicas que utilizan la expresión génica optimizada inducible por doxiciclina de NGN2, que muestra la expresión de marcadores de subtipos neuronales maduros en 7 días, incluso en cultivo 2D33. El acortamiento de este período de crecimiento mediante esta técnica es importante para la implementación de modelos dentro de la industria biofarmacéutica, ya que el desarrollo de ensayos requiere una rápida respuesta y el desarrollo de modelos celulares15.
En conclusión, este modelo muestra potencial para un modelo 3D de neuronas y astrocitos, que se establece de forma rápida y cómoda para fines de cribado. Las aplicaciones futuras de este tipo de modelo podrían ser para los esfuerzos de descubrimiento de fármacos en diferentes enfermedades del SNC, con la oportunidad de expandirse a diferentes enfermedades utilizando líneas de iPSC de pacientes o enfermedades editadas genéticamente. Además, el uso de neuronas glutamatérgicas derivadas de iPSC derivadas de la expresión de NGN2 inducible por doxiciclina permite que las células alcancen la madurez en menos tiempo, lo que puede utilizarse para desarrollar modelos del cerebro envejecido para la investigación de la neurodegeneración. Este sistema también podría ampliarse mediante el uso de otros tipos de células en el cocultivo, como la microglía y los oligodendrocitos.
The authors have nothing to disclose.
Los autores desean agradecer a Alex Volkerling, Martin Engel y Rachel Bleach por su ayuda en el desarrollo del protocolo y los comentarios sobre el manuscrito.
2-mercaptoethanol | Thermofisher | 31350010 | |
384-well plate | PerkinElmer | 6057300 | |
96-well plate | PerkinElmer | 6055300 | |
Activator fluid F299 | Inventia Life Science | N/A | |
Activator fluid F3 | Inventia Life Science | N/A | |
B27 (50x) minus Vit A | Thermofisher | 12587010 | |
Bioink fluid F261 | Inventia Life Science | N/A | |
Bioink fluid F32 | Inventia Life Science | N/A | |
Doxycycline hyclate | Sigma Aldrich | D5207 | |
GlutaMAX (100x) | Thermofisher | 35050061 | |
Goat anti-mouse IgG H&L Alexa Fluor 647 | Abcam | ab150115 | |
Goat anti-rabbit IgG H&L Alexa Fluor 488 | Abcam | ab150077 | |
Hoechst | Abcam | ab228551 | |
Human BDNF Recombinant Protein | Thermofisher | PHC7074 | |
Human NT3 Recombinant Protein | Thermofisher | PHC7036 | |
iCell Astrocytes | Fujifilm CDI | 1434 | |
INCell Analyser 6500HS | Molecular Devices | N/A | high content imaging system |
Incucyte S3 | Sartorius | N/A | |
ioGlutamatergic Neurons (Large vial) | Bit.bio | e001 | |
Laminin (1 mg/mL) | Sigma Aldrich | L2020 | |
Live/dead kit (Calcein-AM, Ethidium homo-dimer-1) | Invitrogen | L3224 | |
Mouse anti-BIII tubulin NL637 conjugated | R&D systems | SC024 | |
Neurobasal media | Thermofisher | 21103049 | |
Normal Donkey Serum | Abcam | ab7475 | |
NucBlue Live (Hoechst 33342) | Thermofisher | R37605 | |
Opti-MEM | Thermofisher | 11058021 | |
Paraformaldehyde | Sigma Aldrich | P6148 | |
PEI 50% in H2O | Sigma Aldrich | 181978 | |
Pierce Borate Buffer 20x | Thermofisher | 28341 | |
Prism | GraphPad | Data analysis software | |
Rabbit anti-ionotropic glutamatre receptor 2 (GluR2) | Abcam | ab206293 | |
RASTRUM(TM) Bioprinter | Inventia Life Science | N/A | Bioprinter |
RASTRUM(TM) Bioprinter Cartridges | Inventia Life Science | N/A | Bioprinter Cartridges |
RASTRUM(TM) Targeting plate | Inventia Life Science | N/A | Targeting plate |
Rho kinase (ROCK) inhibitor | Abcam | ab120129 | |
Sheep anti-GFAP NL493 conjugated | R&D systems | SC024 | |
Signals Image Artist | PerkinElmer | N/A | Image analysis platform |
Triton X-100 | Thermofisher | HFH10 | |
Zeiss Axio Observer | Zeiss | N/A | Inverted microscope platform |