Posibilidad de adquisición y análisis de imágenes de alto contenido 3D en la plataforma de “órgano en un chip”
Imagine tener la capacidad de recrear el entorno biológico humano para modelos de enfermedad y cribado de fármacos, haciéndolo en un sistema a escala micro. Con el desarrollo de modelos de “órganos en un chip”, esto ya no es inverosímil. Integrando la microfluídica con las células y los factores de crecimiento, los científicos ahora pueden generar modelos relevantes desde el punto de vista biológico que imitan los comportamientos fisiológicos y mecánicos del tejido real.
Con una implementación exitosa, los modelos de “órgano en un chip” pueden ahorrar un tiempo significativo en el descubrimiento de fármacos, lo que permite una evaluación más rápida y precisa de la farmacocinética, la eficacia y la citotoxicidad, y una investigación médica personalizada.
En un futuro no tan lejano, seremos menos dependientes de los modelos animales para las pruebas de evaluación de la seguridad del producto y el desarrollo del producto, ya que simulan con más precisión las condiciones in vivo.
Estos sistemas de órganos a microescala están diseñados para representar mejor las intersecciones de la biología humana. Sin embargo, su complejidad presenta problemas en torno a las imágenes a escala para obtener resultados cuantitativos y reproducibles.
La innovadora colaboración entre Molecular Devices y MIMETAS, líder mundial en modelos de órganos en un chip, puede ayudarnos a demostrar cómo superar estos desafíos de adquisición de imágenes 3D de alto contenido.
¿Qué es un órgano en un chip?
Los Órganos en virutas son dispositivos de cultivo celular basados en microfluídicas que tienen el tamaño de un lápiz de memoria y pueden recapitular las complejas estructuras y procesos de los órganos humanos. Constan de un biopolímero flexible y translúcido con diminutos canales huecos que contienen células humanas vivas.
Al disponer y dividir específicamente diferentes tipos de células, se pueden simular y controlar las interacciones entre otras células de tejido en el órgano. Una membrana porosa suele separar los microcanales para permitir la diafonía intercelular, como las interacciones entre las células epiteliales y las epiteliales.
OrganoPlate: Solución de última generación para el modelo de tejido de MIMETAS
Fundada 2014 en en Leiden, Holanda, MIMETAS es pionera en modelos de “órgano en un chip” que permiten el estudio de modelos de enfermedades humanas. Su innovación clave, OrganoPlate®, es una plataforma basada en microfluidos que admite hasta modelos de 96 tejido en una sola placa.
OrganoPlate debe su versatilidad y simpleza a la tecnología PhaseGuide. A diferencia de los órganos en virutas tradicionales, la tecnología de manipulación de líquidos patentada permite la formación sin membrana de matrices extracelulares en 3D. Esto permite la libre circulación e interacción de las células y la introducción de proteínas y compuestos de cocultivo.
Las redes de microfluídica en OrganoPlate facilitan un flujo medio continuo sin bombas ni tubos externos. El movimiento de los nutrientes, el oxígeno, los factores de crecimiento y las condiciones de cocultivo está mediado por una tecnología impulsada por gravedad. Esto da como resultado una perfusión continua que simula el flujo de la sangre. Estos factores hacen que OrganoPlate sea una excelente fuente para estudiar la permeabilidad, la migración, el crecimiento hacia afuera, la invasión, la angiogenia y las complejas interacciones entre las células .
Soluciones de imagen 3D de alto contenido para el sistema de medición de
Dado que los modelos de órganos en un chip son compatibles con varios ensayos, desde la inmunotinción hasta la viabilidad y la q-CPR, la monitorización y el análisis de los resultados suelen ser más complejos que los modelos in vitro 2D.
La buena noticia es que OrganoPlate contiene un fondo de vidrio de grado microscópico que lo convierte en el único modelo de órgano en chip adecuado para imágenes de alto rendimiento y alto contenido.
MIMETAS ha colaborado con dispositivos moleculares para mejorar sus habilidades y equipos de generación de imágenes 3D de alto contenido. Uno de los productos recientes de esta colaboración es la instalación del nuevo sistema de generación de imágenes de alto contenido microconfocal ImageXpress® de dispositivos moleculares. Yendo un paso más allá, también hemos estado ofreciendo formación personalizada a los clientes de MIMETAS. Los investigadores pueden aprender a diseñar y llevar a cabo experimentos de Órgano en un chip en OrganoPlate e imagenizar los cultivos celulares 3D utilizando ImageXpress Micro Confocal.
Ahora veamos cómo se aplica esto a modelos de tejido específicos.
Angiogénesis
La angiogenia implica la formación de nuevos vasos sanguíneos, así como la regeneración de los dañados. No es solo una parte integral del crecimiento, el desarrollo y la reparación de los tejidos, sino un fenómeno común en la invasión y las metástasis de los tumores . Por lo tanto, una imagen exitosa de los mecanismos angiogénicos puede abrir puertas al descubrimiento de fármacos anti-neoplásicos . Sin embargo, los ensayos in vitro actuales proporcionan una visión limitada y no pueden ilustrar el crecimiento del vaso y el brote del endotelio.
La plataforma OrganoPlate proporciona a los investigadores un modelo más informado para cuantificar y visualizar el número y el tamaño de los brotes angiógenos, y los marcadores angiógenos para la proliferación y expresión.
Durante el primer estudio de angiogenia realizado por MIMETAS con dispositivos moleculares, se utilizó el carril 3 de OrganoPlate para desarrollar el modelo de angiogenia. Cada una de las 40 virutas de OrganoPlate constaba de tres canales, con el siguiente contenido de arriba hacia abajo: las células endoteliales, el gel de la matriz extracelular (ECM) de colagen-I y los factores angiogénicos. Luego, como se muestra en la nota de aplicación, Análisis de imágenes en 3D y Caracterización de la angiogenia en el modelo de Órgano en un chip , la formación de brotes angiogénicos se supervisó durante los siguientes cuatro días.
El día 1 (izquierda) y el día 4 (derecha) de brotes angiogénicos en OrganoPlate con un aumento de 20X.
Los núcleos, la molécula de adherencia celular VE-cadherin y los filamentos de actina de las células endoteliales se tiñeron diferencialmente. Utilizando el modo confocal del sistema de generación de imágenes de alto contenido confocal ImageXpress Micro, los investigadores podían visualizar los brotes después de 1 día y 4 días en el cultivo . Se realizó un análisis adicional de estas imágenes con el Custom Module Editor (CME) en el software de adquisición y análisis de imágenes de alto contenido MetaXpress® . Este análisis proporcionó información valiosa sobre el crecimiento dependiente del tiempo de los vasos mostrando varios factores, como el número total de protuberancias, el número de núcleos por protuberancias, el volumen, la intensidad y las distancias entre protuberancias.
Análisis en 3D de brotes angiogénicos (verdes) y núcleos (azules) utilizando el software de adquisición y análisis de imágenes de alto contenido MetaXpress®.
Crecimiento axonal
El desarrollo de fármacos para las enfermedades neurodegenerativas requiere una comprensión rigurosa de las conexiones entre las neuronas. Estas conexiones, mediadas por las estructuras nerviosas extendidas en las células llamadas axones y dendritas, se definen como neuritas. Por lo tanto, el crecimiento de la neurita es un indicador significativo de conectividad o alteraciones nerviosas dentro de ella.
Los ensayos de crecimiento de la salida de la neutrotina pueden ayudar a visualizar y analizar de forma cuantitativa las señales intracelulares y extracelulares involucradas en la degeneración neuronal, pero esto requiere modelos de tejido 3D relevantes desde el punto de vista fisiológico.
Para investigar la inhibición del crecimiento de las neuritas, los investigadores de MIMETAS utilizaron la plataforma OrganoPlate para desarrollar cultivos neuronales basados en microfluídica y sostenibles. Como se muestra en el ensayo de alto contenido para la característica morfológicas de redes neuronales 3D en una plataforma microfluídica, las neuronas humanas derivada de iPSC se trataron con compuestos que inhibieron el crecimiento de la neurita y se tiñeron diferencialmente con tres tinciones diferentes.
Las neuronas iCell en el depósito de OrganoPlate durante 72 horas (izquierda) y las células vivas se tiñen con tres tinciones analizadas con el sistema de generación de imágenes de alto contenido microconfocal ImageXpress® (derecha).
El sistema de generación de imágenes de alto contenido ImageXpress Micro Confocal colaboró en la evaluación de la viabilidad del sistema neural, así como en los cambios morfológicos en las neuronas. El análisis 3D con el software MetaXpress devolvió datos cuantitativos, como el número de neuritas, el volumen de las neuronas, el número de núcleos y el número de ramificaciones de neuritas.
Los resultados demostraron que la combinación de los sistemas de imágenes de alto contenido OrganoPlate y Molecular Devices de MIMETAS se puede utilizar para evaluar la eficacia y la toxicidad de los fármacos neurológicos .
Comience con los modelos de tejido humano 3D y las imágenes
La implementación eficiente de sistemas de “órganos en un chip” requiere una comprensión completa del mecanismo de trabajo. Por fortuna, toda la información que necesita está a un clic de distancia.
En Introducción a la creación de imágenes y el tejido humano en 3D , Chiwan Chiang (Científico de aplicaciones de campo, MIMETAS) y el Dr. Oksana Sirenko (Sr. Applications Scientist, Molecular Devices) muestran cómo obtener nuevas y poderosas percepciones de estos modelos de forma rápida, fácil y asequible .
Adéntrate en la configuración de modelos de tejido organotípicos en 3D en la OrganoPlate y descubre el papel que las imágenes de alto contenido tienen en los estudios de “órganos en un chip”. Los presentadores analizan los beneficios del modelo de tejido humano con dos casos prácticos. El caso práctico uno, gut-on-a-chip, implica el modelo de instinto de caco-2 para evaluar la integridad de la barrera. El segundo caso práctico, la angiogenia, corresponde a la brotación angiógena en microvasos HUVEC.
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