3D-Bioprinting
Nutzen Sie automatisierte 3D-Bioprint-Zellmodelle mit hohem Durchsatz für Forschung, Wirkstoffforschung und Toxikologie.
Was ist 3D-Bioprinting?
Die dreidimensionale (3D) Bioprinting-Technologie ist eine hochmoderne Lösung, bei der biologische Materialien – einschließlich verschiedener Zelltypen, Biotinten und Wachstumsfaktoren – schichtweise aufgetragen werden, um 3D-Strukturen zu schaffen, die die Architektur und Funktion von 3D-Zellmodellen imitieren. Dieser Prozess ähnelt dem herkömmlichen 3D-Druck, ist jedoch speziell auf biologische Anwendungen zugeschnitten.
Zu den wichtigsten Komponenten des 3D-Bioprintings gehören:
- Biotinten: Dies sind die druckbaren Materialien, die Lebendzellen und andere Biomaterialien enthalten. Sie dienen als Bausteine für die Erstellung von 3D-Zellmodellen.
- Drucker: Spezielle 3D-Drucker, die beim Bioprinting eingesetzt werden, ermöglichen eine präzise Kontrolle über die Platzierung von Zellen und Biomaterialien.
- Software: Die optimale Software ist in der Lage, benutzerdefinierte 3D-Druckstrukturen durch Programmierung von Biotinten in spezifische Muster zu entwerfen. Die Software sollte auch sicherstellen, dass benutzerdefinierte Arbeitsabläufe mit anderen Aufgaben zusammengefügt werden können.
https://vids.moleculardevices.com/watch/Ru4dmoEYsvT6nVceekhhWL
BioAssemblyBot 400 (BAB400) Bioprinter lässt sich nahtlos in das ImageXpress High-Content-Screening-System für einen automatisierten Arbeitsablauf in der 3D-Biologie integrieren.
Optimierung des Bioprintings für die 3D-Biologie
Verschiedene Arten von Bioprintern für die 3D-Biologie nutzen unterschiedliche Techniken zum Drucken und Dispensieren von Zellen. Einige davon umfassen Extrusions-, Tintenstrahl-, Stereolithographie-, lasergestützte und Fused-Deposition-Modellierung. Bei den meisten Techniken werden zellbeladene Hydrogele verwendet, die die komplexe Umgebung, die für die Organoidentwicklung erforderlich ist, nicht richtig nachahmen. Extrusionsbasierte Drucker wie der BioAssemblyBot® 400 hingegen unterstützen diese Umgebungen in angemessener Weise mit dem zusätzlichen Vorteil, dass sie die Skalierbarkeit in kurzer Zeit erhöhen können. Darüber hinaus ermöglichen extrusionsbasierte Drucker die Verwendung einer großen Bandbreite an Biotinten, wie Zellaggregate, Mikroträger, Hydrogele mit Zellen, dezellularisierte Matrixkomponenten, Mikroträger und vieles mehr. Extrusionsbasiertes Bioprinting ermöglicht das Drucken mit hoher Zelldichte, ist einfach zu implementieren, ermöglicht anatomisch poröse Strukturen, ist leicht zu erlernen, die Hardware ist erschwinglicher, bildet biokompatible Strukturen und verringert die Zellschädigung.
Potenzial für neu entstehende 3D-Bioprinting-Anwendungen
Mit dem Einzug des 3D-Bioprinting wurde eine neue Ära in der biomedizinischen Technik eingeläutet, die transformative Lösungen in den Bereichen Gewebezüchtung, Wirkstoffentwicklung, Krankheitsmodellierung, personalisierte Medizin und regenerative Therapie bietet. Diese innovative Technologie ermöglicht die präzise Herstellung funktioneller biologischer Strukturen und revolutioniert so die Forschung und das Gesundheitswesen mit ihrem Potenzial, kritische Herausforderungen zu bewältigen und Therapien zu verbessern.
- Gewebezüchtung: Bioprinting hat das Potenzial, das Gebiet der Gewebezüchtung zu revolutionieren, indem funktionelle Miniaturorgane oder „Organoide“ geschaffen werden, die zur Untersuchung biologischer Strukturen verwendet werden können. Dies hat das Potenzial, den Mangel an echten repräsentativen Modellen von Struktur und Funktion in vivo zu beheben.
- Wirkstofftests und -entwicklung: Bioprint-Modelle können für Wirkstofftests verwendet werden, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Zellkulturen ein genaueres Bild davon vermitteln, wie sich Wirkstoffe im menschlichen Körper verhalten. Dies kann möglicherweise den Bedarf an Tierversuchen verringern und die Effizienz der Wirkstoffentwicklung verbessern.
- Krankheitsmodellierung: Mittels Bioprinting lassen sich realistische Modelle menschlicher Gewebe und Organe erstellen, die den Forschern ein besseres Verständnis von Krankheiten vermitteln und die Entwicklung gezielter Behandlungen ermöglichen.
- Personalisierte Medizin: Die Möglichkeit, Gewebe und Organe aus patienteneigenen Zellen herzustellen, öffnet die Tür zur personalisierten Medizin. Dies kann zu Behandlungen führen, die auf die individuelle genetische Ausstattung des Einzelnen zugeschnitten sind, und das Risiko eines möglichen Versagens des Wirkstoffs verringern.
- Regenerative Medizin: Bioprinting kann einen Beitrag zur regenerativen Medizin leisten, indem es ein Mittel zur Reparatur oder zum Ersatz von geschädigten Geweben und Organen bereitstellt. Obwohl ihre Anwendbarkeit beim Menschen noch nicht untersucht wurde, haben sie das Potenzial, die natürlichen Heilungsprozesse des Körpers zu verbessern. Sie können als wichtige Brücke zwischen präklinischen und klinischen Studien dienen, wenn Protokolle genehmigt werden können, die eine umfassende und direkte Nutzung dieser Technologie in der regenerativen Medizin ermöglichen.
Bioprinting-Assay-Arbeitsablauf
Unsere Bioprinting-Plattform verfügt über ein fortschrittliches automatisiertes Gehäuse, den BioAssemblyBot 400 (BAB 400), für die Konstruktion von 3D-Modellsystemen mit erhöhtem Durchsatz und hoher Präzision, wodurch die häufigsten Probleme im Zusammenhang mit manuellen Arbeitsabläufen beseitigt werden. Der BAB 400 nutzt einen Sechs-Achsen-Roboterarm, der mit austauschbaren „BAB-Händen“ ausgestattet ist, um effizient lebende Gewebe, Organoide und Sphäroide herzustellen und zu erhalten. Er lässt sich nahtlos in unser ImageXpress Confocal HT.ai High-Content Imaging System integrieren, das mit der IN Carta Image Analysis Software ausgestattet ist, einer leistungsstarken Software für die Bildanalyse mit KI/maschinellem Lernen. Diese schlüsselfertige automatisierte Lösung gewährleistet einen vollständig optimierten Arbeitsablauf für 3D-Bioprinting-Assays.
- Vorbereitung von Zellsuspensionen: Die Zellen werden geerntet und gezählt und in der erforderlichen Konzentration in Zellkulturmedium resuspendiert.
- Vorbereitung der Biotinte: Die Assay-spezifische extrazelluläre Matrix wird mit der Zellsuspension in den erforderlichen Konzentrationen und bei spezifischen Temperaturen gemischt.
- Drucken in Mikroplatten-Wells: Der Druckkopf des Roboterarms druckt die Biotinte mit den Zellen „per Hand“ in die Zellkulturplatten.
- Inkubieren und Medien hinzufügen: Die gedruckten Strukturen werden je nach Temperatur- und Zeitanforderungen entweder auf der Plattform oder im Inkubator inkubiert. Die Zellen in den Strukturen werden mit Wachstumsfaktor-Medien gefüttert, die für die Zelllinie und die Assay-Bedingungen spezifisch sind.
- Austausch von Medien und Überwachung der Bildung von 3D-Zellmodellen: Die Zellen werden in regelmäßigen Abständen gefüttert, um die verbrauchten Nährstoffe wieder aufzufüllen. Diese Zellen werden in Strukturen inkubiert und gezüchtet, während sie für weitere Assayschritte akklimatisiert werden.
- Zugabe von Reagenzien: Verschiedene Reagenzien – z. B. Wachstumsfaktoren, Wirkstoffe oder sogar Farbstoffe – werden bei Bedarf im Arbeitsablauf für Wachstum, Wirkstoffscreening oder Biomarker-basiertes Imaging hinzugefügt.
- Endpunktassays, Imaging und Analyse: Die letzten Schritte des Assay-Arbeitsablaufs werden zum Sammeln relevanter Daten durchgeführt. Die gesammelten Daten werden dann mit Standard- oder benutzerdefinierten Methoden ausgewertet.
Obwohl das Bioprinting noch einige Herausforderungen zur Verbesserung der Formulierungen von Biotinten, der Modellvaskularisierung und der Funktionalität der Zellmodelle zu bewältigen hat, ist es eine vielversprechende und schnell voranschreitende Technologie. Ungeachtet dieser Herausforderungen kommen die Forscher der Nachbildung von In-vivo-Strukturen und -Funktionen durch Bioprinting schnell immer näher, um gezielte, effiziente und wirksame Therapien zu entwickeln.