StemoniX verwendet drei unserer Lösungen, um seine microBrain 3D Assay Ready Plates zu validieren

Die Herausforderung

Die für Forscher der Neurowissenschaften verfügbaren aktuellen Modelle weisen Einschränkungen auf, die die Entwicklung neuer Medikamente behindern. Komplexe Modelle, wie postmortale Gehirne und Tiermodelle spiegeln die Komplexität des menschlichen Gehirns genauer wieder. Postmortale menschliche Gehirne sind jedoch schwer zu erhalten und zeigen nur das finale Stadium einer Erkrankung auf. Darüber hinaus spiegeln Tiermodelle die Eigenschaften und die Funktionalität des menschlichen Gehirns möglicherweise nur unvollständig wider. Dies erschwert die Übertragung solcher Modelle in die klinischen Anwendungen. Obwohl In-vitro-Modelle, die auf einfachen Zellkultursystemen basieren, einfach vergrößert werden können, fehlt ihnen die komplexe Organisation und Struktur des menschlichen Gehirns. Gehirn-Organoide, die aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) gewonnen wurden, stellen ein sehr vielversprechendes Werkzeug dar. Sie zeigen jedoch nach wie vor eine hohe Variabilität und es fehlen funktionale Assays zur Untersuchung ihrer Phenotypen. Zur Entwicklung neuer Wirkstoffe für die Behandlung von Erkrankungen des Nervensystems fehlt es im Bereich der Neurowissenschaften an einem Modell, das in der Lage ist, die Einzigartigkeit der Entwicklung und der Funktion des menschlichen Gehirns in vitro auf äußerst homogene Weise widerzuspiegeln.

Die Lösung

Wissenschaftler von StemoniX® schlossen diese Lücke mit der Entwicklung der microBrain® 3D Plattform. Sie nutzen aus hiPSCs gewonnene neurale Vorläuferzellen zur Generierung hoch homogener kortikaler 3D Nervenspheroide, die der menschlichen Großhirnrinde stärker ähneln. Ihre Plattform setzt sich aus reifen Neuronen und Astrozyten zusammen, die aktiv sind und auf Neuromodulatoren ähnlich reagieren wie primäre Nervenzellkulturen. Zudem konzipierten sie ihre Plattform in 96- und 384-Well-Formaten, um diese zusammen mit High-Content-Screeninginstrumenten, wie dem FLIPR Tetra® High-Throughput Cellular Screening System und dem ImageXpress® Micro Confocal High-Content-Imaging System (beide von Molecular Devices), zu verwenden. Dadurch wird die homogene Untersuchung der funktionalen Physiologie des humanen Gehirns in vitro möglich.

ImageXpress Micro Confocal High-Content Imaging System

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SpectraMax i3x Multi-Mode Mikroplatten-Reader

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FLIPR Penta High-Throughput Cellular Screening System

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Verwendete Produkte

Das FLIPR^® Tetra^® High-Throughput Cellular Screening System bietet eine automatisierte Lösung zur Identifizierung von frühen Anhaltspunkten in der Wirkstoffforschung und zur Beurteilung der Wirksamkeit und Toxizität von Wirkstoffen. Mit der Funktionalität des gleichzeitigen Pipettierens und Lesens unterstützt das System schnelle zelluläre Kinetik-Assays. Es kann auf Grundlage der Größe der Bibliothek, des Detektionsmodus, Screeningformats, Assays und Zielantigens schnell konfiguriert werden. Die vollintegrierte Lösung gewährleistet einen nahtlosen Übergang von der Assay-Entwicklung zur Optimierung der Leitverbindungs-Struktur.

Mit dem ImageXpress^® Micro Confocal High-Content Imaging System können Sie dank der ultimativen Kombination aus Geschwindigkeit, Sensitivität und Flexibilität neue Wege in Ihrer Forschung beschreiten. Erstellen Sie Aufnahmen von ganzen Organismen, dickem Gewebe, 3D-Spheroid-Assays und zellulären oder intrazellulären Ereignissen in höchster Qualität. In Kombination mit der MetaXpress^® Software zur High-Content Bilderfassung und -analyse bietet das ImageXpress Micro Confocal System eine Komplettlösung für mehrdimensionales Screening mit hohem Durchsatz, das Sie bei der Entdeckung Ihres nächsten bahnbrechenden wissenschaftlichen Durchbruchs unterstützt.

Der SpectraMax i3x Multi-Mode Mikroplatten-Reader misst spektralbasierte Absorption, Fluoreszenz und Lumineszenz mittels der zusätzlichen modularen funktionellen Erweiterungen für Western Blot, Imaging und schnelle Kinetik mit Injektoren. Mit dem SpectraMax i3x Reader können Sie die Geheimnisse der Wissenschaft enträtseln, indem Sie zelluläre Signalwege sowie Proteinaktivierung und -expression mit einem einzigen System erforschen.

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Die Ergebnisse

Die microBrain 3D Platform von StemoniX ist ein homogenes neurales 3D-Sphäroid-System im 96- und 384-Well-Format. Mit dem ImageXpress Micro Confocal System für Hellfeldaufnahmen und automatisierte Größenmessungen wurden hoch homogene Größenverteilungen, mit typischen Variationskoeffizienten von weniger als 4 % über eine einzelne Platte hinweg, beobachtet. Eine Immunfluoreszenz-Analyse mit dem ImageXpress Mikroskop zeigte, dass diese 3D-Spheroide aus kortikalen Neuronen und Astrozyten zusammengesetzt waren, die spezifische Marker für die zelluläre Reife, wie synaptische Proteine, aufwiesen. Darüber hinaus zeigten diese Spheroide spontane und synchronisierte Calcium-Oszillationen, die sowohl mit dem FLIPR als auch mit dem ImageXpress System ganz einfach nachgewiesen werden konnten. Die funktionelle Reife der microBrain 3D Plattform wurde durch die Untersuchung einer Reihe von Neuromodulatoren mit bekannten Wirkungsmechanismen bestätigt. Mit dem FLIPR System wurde eine Modulation von Nervenaktivitäten nachgewiesen, die mit der erwarteten Aktivität dieser Verbindungen korrelierte. Dies bestätigte, dass die Spheroide funktionelle glutamaterge und GABAerge Schaltkreise besitzen.

Abschließend wurde eine Bibliothek von gegen eine Zikavirus-Infektion gerichteten Verbindungen unterschiedlicher Wirkungsstärke in einer toxikologischen Fallstudie getestet. Als erstes wurde der SpectraMax® i3x Multi-Mode Mikroplatten-Reader (Molecular Devices) angewendet, um die Zelltoxizität dieser Bibliothek von Verbindungen auf einer microBrain 3D Plattform zu untersuchen. Die Analyse der zellulären Toxizität wurde dann durch die Analyse der funktionellen Toxizität vervollständigt, die in einem Hoch-Durchsatz-Format mit dem FLIPR System durchgeführt wurde. Zuletzt wurden mit dem ImageXpress konfokalen Mikroskop nach jeder Behandlung hochauflösende Videos der Calcium-Oszillationen erstellt. Zusammengefasst resultierte die Integration von microBrain 3D in mehrere Plattformen in einer umfangreichen Beschreibung des toxikologischen Profils einer gezielten Bibliothek und zeigte, dass die Eingliederung dieser Plattform in In-vitro-Untersuchungen komplexer Nerven-Phänotypen, toxikologischer Profile und Wirkstoffscreenings realisierbar ist.

Quellenangaben

StemoniX microBrain 3D Assay Ready Plates als eine auf humanen iPSC-basierende Nervenspheroid-Plattform für das Wirkstoffscreening im Hoch-Durchsatz-Format