Applicazioni di imaging e analisi ad alto contenuto 3D sulla piattaforma organ-on-a-chip
Immaginate di essere in grado di riprodurre l’ambiente biologico umano per la modellazione di malattie e per lo screening farmacologico e di poterlo fare in un sistema su scala microscopica. Con lo sviluppo di modelli organo su chip, questo non è più plausibile. Integrando la microfluidica con le cellule e i fattori di crescita, gli scienziati possono ora generare modelli rilevanti dal punto di vista biologico che emulano i comportamenti fisiologici e meccanici del tessuto reale.
Con un’implementazione di successo, i modelli organo su chip possono far risparmiare tempo significativo nella scoperta di nuovi farmaci, consentendo una valutazione più rapida e accurata per quanto riguarda la farmacocinetica, l’efficacia e la citotonicità, e la ricerca personalizzata in materia di medicina.
In un futuro non così lontano, saremmo meno dipendenti dai modelli animali per i test di valutazione dello sviluppo di farmaci e della tossicità, in quanto simulano in modo più accurato le condizioni in vivo.
Questi sistemi di organo in microscala sono progettati per rappresentare meglio le intricacità della biologia umano. Tuttavia, la loro complessità presenta difficoltà nell’imaging su larga scala per ottenere risultati quantitativi e riproducibili.
La rivoluzionaria collaborazione tra Molecular Devices e MIMETAS, leader globale nei modelli organ-on-a-chip, può aiutarci a dimostrare come superare queste sfide di imaging 3D ad alto contenuto.
Che cos’è un organo su un chip?
Organs-on-chip sono dispositivi di coltivazione cellulare basati sulla microfluidica che hanno le dimensioni di una chiavetta di memoria e possono ricapitolare le strutture e i processi complessi degli organi umani . Consistono di un biopolimeri flessibile e traslucente con minuscoli canali cavi contenenti cellule umane viventi.
Organizzando e dividendo specificamente diversi tipi di cellule, si possono simulare e controllare le interazioni tra altre cellule tissutali nell’organo. Una membrana porosa di solito separa i microcanali per consentire la diaframmi intercellulari, come le interazioni tra le cellule endoteliali ed epiteliali.
organopiastra: La soluzione all’avanguardia di MIMETAS per la modellizzazione dei tessuti
Nato 2014 a Leiden, nei Paesi Bassi, MIMETAS è un pioniere dei modelli di organo su chip che consentono lo studio di modelli di malattie umane. La loro principale innovazione, OrganoPlate®, è una piattaforma basata sulla microfluidica che supporta fino a modelli 96 tissutali su una singola placca.
OrganoPlate deve la sua flessibilità e la sua semplicità alla tecnologia PhaseGuideý. A differenza degli organi su chip tradizionali, la tecnologia di movimentazione dei liquidi brevettata consente la formazione senza membrana di matrici extracellulari in 3D . Ciò consente la libera circolazione e le interazioni delle cellule e l'introduzione di proteine e composti di co-coltura.
Le reti microfluidiche in OrganoPlate facilitano un flusso medio continuo senza pompe o tubi esterni. Il movimento di sostanze stupefacenti, ossigeno, fattori di crescita e condizioni di co-coltura è mediato da una tecnologia a gravità. Ciò si traduce in una perfusione continua che simula il flusso di sangue. Questi fattori rendono OrganoPlate una fonte eccellente per lo studio di permeabilità, migrazione, escrescita, invasione, angiogenesi e complesse interazioni cellula-cellula .
soluzioni di imaging 3D ad alto contenuto per organo su chip
Poiché i modelli organo-su-chip sono compatibili con vari test, dall’immunizzazione alla vitalità fino alla qPCR, il monitoraggio e l’analisi dei risultati sono spesso più complessi dei modelli in vitro 2D.
La buona notizia è che OrganoPlate contiene un fondo in vetro per microscopia che lo rende l'unico modello organ-on-a-chip adatto per l'imaging ad alto rendimento e ad alto contenuto.
MIMETAS ha stretto una collaborazione con la divisione Dispositivi Molecolari per migliorare le proprie competenze e apparecchiature di diagnostica per immagini 3D ad alto contenuto. Uno dei prodotti recenti di questa collaborazione è l’installazione del nuovo sistema di imaging ad alto contenuto microconfocale ImageXpress® di . Facendo un ulteriore passo avanti, offriamo anche formazione personalizzata ai clienti di MIMETAS. I Ricercatori possono imparare a disegnare e a condurre sperimentazioni su organo su chip su organoPlate e acquisire immagini delle coltivazioni di cellule 3D utilizzando ImageXpress Micro Confocal.
Ora diamo un’occhiata a come questo si applica a modelli di tessuti specifici.
Angiogenesi
L’angogenesi comporta la formazione di nuovi vasi sanguigni, nonché la rigenerazione di quelli danneggiati. Non è solo una parte solidale della crescita, dello sviluppo e della riparazione dei tessuti, ma un fenomeno comune nell’invasione e nella metastatizzazione del tessuto . Pertanto, l’imaging di successo dei meccanismi angiogenici può aprire le porte alla scoperta di farmaci anti-cancro angiogenico . Tuttavia, gli attuali test in vitro forniscono informazioni limitate e non riescono a illustrare la sprouting endoteliale e la crescita del recipiente.
La piattaforma OrganoPlate fornisce ai ricercatori un modello più informato per quantificare e visualizzare il numero e le dimensioni dei cavi di sprono angiogenico e i marker angiogenici per la proliferazione e l’espressione.
Durante il primo studio di angiogenesi condotto da MIMETAS con dispositivi Molecolari, è stato utilizzato OrganoPlate 3-lane per sviluppare il modello di angiogenesi. Ciascuno dei 40 chip in OrganoPlate era costituito da tre canali, con il seguente contenuto dall'alto verso il basso: Cellule endoteliali, gel di matrice extracellulare (ECM) di Collagen-I e fattori angiogenici. Quindi, come mostrato nella nota applicativa, Analisi delle immagini 3D e Caratterizzazione dell’angiogenesi nel modello organo su chip , la formazione di cavolini angiogenici è stata monitorata nei prossimi quattro giorni.
Il giorno 1 (sinistra) e il giorno 4 (destra) di sprout angiogenico in organopiastra con ingrandimento 20X.
I nuclei, la Molecola di adesione cellulare VE-caderina e i filamenti di actina delle cellule endoteliali sono stati colorati in modo differenziale. Utilizzando la modalità confocale del sistema di imaging ad alto contenuto ImageXpress Micro Confocal, i ricercatori potrebbero visualizzare i prosciutti dopo 1 giorno e 4 giorni in coltura . Ulteriori analisi di queste immagini sono state eseguite con l’editor del modulo personalizzato (CME) in MetaXpress® High-Content Image Acquisition and Analysis Software . Questa analisi ha fornito preziose informazioni sulla crescita dipendente dal tempo dei recipienti, svelando vari fattori, come il numero totale di sprout, il numero di nuclei per sprout, il volume, l’intensità e le distanze tra i sprout.
Analisi 3D di cavi angiogenici (verdi) e nuclei (blu) utilizzando il software di acquisizione e analisi delle immagini ad alto contenuto MetaXpress®.
Crescita neuritica
Lo sviluppo di farmaci per le malattie neurodegenerative richiede una conoscenza rigorosa delle connessioni tra i neuroni. Queste connessioni, mediate dalle strutture neurali estese sulle cellule denominate assoni e dendriti, sono definite come neuriti. Pertanto, la crescita di neuriti è un indicatore significativo di connettività o interruzioni al suo interno.
I test di crescita della neurite possono aiutare a visualizzare e analizzare in modo quantitativo i segnali intracellulari ed extracellulari coinvolti nella rigenerazione dei neuroni, ma ciò richiede modelli di tessuto 3D fisiologico rilevanti.
Per esaminare l’inibizione della crescita dei neuriti, i ricercatori di MIMETAS hanno utilizzato la piattaforma OrganoPlate per sviluppare colture neuronali a base di microfluidica e sostenibili. Come mostrato nel test ad alto contenuto per la Caratterizzazione morfaologica delle reti neuronali 3D in una piattaforma microfluidica , i neuroni derivati da iPSC umano sono stati trattati con composti, che hanno inibito la crescita neuritica e sono stati colorati in modo differenziale con tre diversi coloranti.
iNeroni delle cellule in organoPlate pozzo capillare per 72 ore (sinistra) e cellule viventi colorate con tre coloranti esaminati con il sistema di imaging ad alto contenuto microconfocale ImageXpress® (destra).
Il sistema di imaging ad alto contenuto microconfocale ImageXpress ha agevolato la valutazione della vitalità neurale, nonché delle variazioni morfologiche nei neuroni. L’analisi 3D con il software MetaXpress ha restituito dati quantitativi, come il numero di neuriti, il volume dei neuriti, il numero di nuclei e il numero di ramificazioni neuritiche.
I risultati hanno dimostrato che la combinazione di organopiastra di MIMETAS e sistemi di diagnostica per immagini ad alto contenuto di dispositivi Molecolari può essere utilizzata per valutare l’efficacia e la tossicità del farmaco neurologico .
Inizia con i modelli di tessuto umano 3D e l'imaging
L'implementazione efficiente dei sistemi organo su chip richiede una conoscenza approfondita del meccanismo di lavoro. Fortunatamente, tutte le informazioni necessarie sono a portata di clic.
In, Come iniziare con il tessuto umano 3D e l’imaging , Chiwan Chiang (Field Application Scientist, MIMETAS) e Oksana Sirenko, PhD (Sr. Applications Scientist, Dispositivi Molecolari) mostrano come ottenere nuove e potenti informazioni da questi modelli in modo rapido, facile e accessibile .
Immergersi nella predisposizione di modelli di tessuti organotipici 3D nella piastraorgano e scoprire il ruolo dell’imaging ad alto contenuto negli studi organo su chip. I presentatori discutono i benefici della modellizzazione del tessuto umano con due casi di studio. Il primo caso di studio, gut-on-a-chip, coinvolge il modello gut caco-2 per valutare l’integrità della barriera. Il secondo caso di studio, l’angiogenesi, riguarda la sprouting angiogena in microvasi HUVEC.
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