Биоинженерные модели in vitro тканей коры головного мозга

Разработчики

Каролина Чвалек, Мин Д. Танг-Шомер, Фиоренцо Г. Оменетто, Дэвид Л. Каплан.

Описание технологии

Биоинженерная 3D модель из мозгоподобной ткани, являющаяся основным объектом этой технологии, была разработана с использованием каркаса из белков шелка и коллагена, на котором посеяны первичные корковые нейроны. Конструкция каркаса обеспечивает контроль в каждом его компартменте за пространственным разделением клеточных тел нейронов и нейронных проекций, что в целом напоминает слоистую структуру головного мозга (коры головного мозга). Нейроны, посеянные в торообразной пористой шелковой губке, образуют устойчивые нейрональные проекции в заполненной коллагеном центральной области, создавая 3D нейронные сети со структурными и функциональными связями. Шелковый каркас сохраняет механическую устойчивость биоинженерных тканей, создавая возможность простого обращения с моделью, долгосрочного культивирования in vitro и закрепления центральной части коллагенового геля для предотвращения его сжатия, а также позволяет нейронной сети развиться. Протокол согласно данной технологии описывает получение и обработку шелко-коллагеновых конструктов, в том числе выделение и посев нейронов первичной коры головного мозга крыс. Сборка конструктов согласно протоколу занимает 2 дня, а полученные ткани можно поддерживать в культуре в течение нескольких недель.

Практическое применение

Этот 3D метод пригоден для исследования механических травм, а также применим в качестве инструмента для скрининга лекарственных препаратов, и кроме того, он мог бы послужить основой для моделей заболеваний мозга. В частности, технология показывает, что 3D модель тканей мозга может быть применена к изучению травматического повреждения головного мозга. Модель ткани реагирует in vitro, показывая такие биохимические и электрофизиологические результаты, которые имитируют наблюдения, проводимые in vivo. Кроме того, модель ткани позволяет проводить в режиме реального времени неразрушающие оценки, такие как измерения локального потенциала и жидкостная хроматография супернатантов культуральной среды. Также, на ее основании могут быть предложены новые направления исследований гомеостаза мозга и травм.

Клеточная сложность модели может быть дополнительно увеличена за счет включения других полученных из головного мозга типов клеток, таких как астроциты, микроглия и олигодендроциты, с целью изучения межклеточных взаимодействий и их воздействия на структуру и функции мозга в процессе гемостаза и сценариев восстановления и репарации.

Протокол также может быть адаптирован для разработки новых моделей ткани, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток пациента для имитации болезней, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона или эпилепсия.

Лаборатории

• Department of Biomedical Engineering, Tufts University, Medford (USA)
• Connecticut Children’s Medical Center, Departments of Pediatrics, Farmington (USA)
• Department of Physics, Tufts University, Medford (USA)

Ссылки

Публикации

• Chwalek, K. et al. «In vitro bioengineered model of cortical brain tissue." 10 Nature Protocols (2015): 1362–1373.
• Hopkins, A.M. et al. «3D in vitro modeling of the central nervous system." 125 °C Prog. Neurobiol. (2015): 1–25.
• Vepari, C. & Kaplan, D.L. «Silk as a biomaterial." 32 Prog. Polym. Sci. (2007): 991–1007.