3D Cell-printing技術を用いた脳のような組織構築物のエンジニアリング

Engineering of brain-like tissue constructs via 3D Cell-printing technology.

• Yu Song
• Xiaolei Su
• Kevin F Firouzian
• Yongcong Fang
• Ting Zhang
• Wei Sun

抄録

3D Cell-printing技術の開発は、神経科学におけるin vitro組織構築物の応用に貢献しています。患者から神経細胞を採取することは、個々のターゲットの健康状態を監視するための効率的な方法であり、その結果、医薬品の強化にも貢献します。神経細胞の作製したサンプルは、神経細胞の応答を分析するために潜在的な薬剤にさらされます。新興のバイオファブリケーション技術としての3D細胞プリンティングは、広くin vitro組織研究、特に神経科学におけるin vitroの脳のような組織構築物における天然の3Dモデルを模倣するために使用されています。捏造された脳のような組織構築物は、一次神経細胞が内で成長するための3D微小環境を提供します。数週間以上のin vitro培養の後、構造物内での神経回路の形成は、刺激に敏感に反応する能力を備えています。本研究では、まずin vitroで脳のような層状の組織構造を提案し、その後、3D細胞プリント技術を用いて開発した。本研究では、印刷パラメータの最適化から生物学的機能性に至るまで、層状構造を系統的に解析した。最適化された印刷ノズル径は0.51mm、印刷速度は5μl s、弾性率は約6kPaである。印刷構造体中の神経細胞の成長を確認するために、ライブ/デッドおよび免疫染色イメージングを使用しています。2Dサンプルと3Dサンプルの神経細胞の生存率を比較し、その結果、3Dプリントされた構造体がより良い人工培養環境とより高い生存率を示すことを示している。2Dサンプルと3Dサンプルの両方を4×4の多重電極アレイで直接培養します。局所的なフィールド電位を収集し、Med64記録システムによって検証します。テトロドトキシンは、印刷された構造体の薬物感受性をテストするために使用され、生理学的性能の興奮性シナプス後電位信号は、3D印刷された構造体が製薬学的研究における薬物テストモデルとして大きな可能性を持っていることを示しています。

The development of 3D Cell-printing technology contributes to the application of tissue constructs in vitro in neuroscience. Collecting neural cells from patients is an efficient way of monitoring health of an individual target, which, in turn, benefits the enhancement of medicines. The fabricated sample of neural cells is exposed to potential drugs for the analysis of neuron responses. 3D cell-printing as an emerging biofabrication technology has been widely used to mimic natural 3D models in in vitro tissue research, especially in vitro brain-like tissue constructs in neuroscience. Fabricated brain-like tissue constructs provide a 3D microenvironment for primary neural cells to grow within. After more than several weeks of in vitro culturing, the formation of neural circuits in structures equips them with the capability of sensitively responding to a stimulus. In this study, an in vitro layered brain-like tissue construct is first proposed and later developed by 3D cell-printing technology. The layered structure is systematically analyzed, starting from printing parameter optimization to biological functionality performance. The optimized diameter of printing nozzle and printing speed are 0.51 mm and 5 μl s, respectively, and the elastic modulus is approximately 6 kPa. Live/dead and immunostaining imaging is used to verify the growth of neural cells in the printed structure. The survival rate of neural cells in 2D and 3D samples is compared, and the results demonstrate that the 3D-printed structures exhibit a better artificial culturing environment and a higher survival rate. Both 2D and 3D samples are directly cultured in a 4 × 4 multiple electrode array. Local field potentials are collected and validated by the Med64 recording system. Tetrodotoxin is used to test the drug sensitivity of the printed structure, and the excitatory postsynaptic potential signals of the physiological performance indicate that the 3D-printed structure has great potential as a drug testing model in the pharmaypeceutical study.