Systèmes multicellulaires 3D stimulés mécaniquement

Pour étudier les forces biomécaniques dans les systèmes multicellulaires, une stimulation mécanique efficace est un outil essentiel. Un dispositif de microstructure 3D est développé à l'aide de l'impression 3D basée sur la polymérisation à deux photons (2PP) pour imiter l'environnement multicellulaire humain. Utilisant les biorésines IP-PDMS et BIO INX de Nanoscribe, le dispositif permet des cultures cellulaires organotypiques 3D haute fidélité. L'encapsulation de plusieurs types de cellules et une stimulation mécanique précise via un cantilever déclenchent des réponses cellulaires spécifiques et des changements morphologiques dans le dispositif. Cette approche innovante permet des études détaillées des stimuli mécaniques sur les systèmes multicellulaires. Elle a diverses applications potentielles dans les cultures d'organoïdes à base de cellules souches, les sphéroïdes de cellules cancéreuses et les études de force mécanique dans les articulations du genou pour comprendre l'arthrose et la polyarthrite rhumatoïde. La polyvalence du dispositif met en évidence son potentiel important dans la recherche biomédicale.

Les activités cellulaires telles que le développement, la morphogenèse et le métabolisme sont fortement influencées par les forces mécaniques. Alors que les recherches précédentes ont examiné les réponses cellulaires aux stimuli mécaniques dans des environnements bidimensionnels, la reproduction de ces conditions complexes dans un environnement tridimensionnel contrôlé s'est avérée difficile. Des chercheurs de l'Université de Heidelberg, qui fait partie du pôle d'excellence 3D Matter Made to Order (3DMM2O), ont abordé ce problème en utilisant la technologie de microfabrication 3D de Nanoscribe pour créer des microstructures 3D multifonctionnelles à haute résolution. Ils ont développé un dispositif avec une couche externe en IP-PDMS et une partie interne en biorésine HYDROBIO INX N400 mélangée à des cellules vivantes, permettant une stimulation mécanique précise et l'étude de systèmes multicellulaires sous des forces mécaniques définies.

Développement de microdispositifs 3D pour études biomécaniques

Les chercheurs du laboratoire Selhuber-Unkel ont conçu le dispositif à l'aide d'un logiciel de CAO et l'ont optimisé à l'aide d'une analyse par éléments finis pour prédire la déformation sous stimulation mécanique. La partie extérieure du dispositif a été imprimée à l'aide d'IP-PDMS et la partie intérieure à l'aide d'Hydrobio INX N400, qui est optimisé pour l'impression avec des cellules vivantes. Les chercheurs ont vérifié la qualité d'impression à l'aide de la microscopie électronique à balayage (MEB), de la microscopie à champ clair et de la microscopie à fluorescence, garantissant un gonflement et un rétrécissement minimes. Les dispositifs finaux étaient capables de supporter des systèmes multicellulaires et de permettre une stimulation mécanique précise à l'aide d'un cantilever.

Choix supérieurs pour l'impression 3D multimatériaux

L'impression multi-matériaux a été utilisée pour créer un dispositif microstructuré 3D qui imite des environnements mécaniques complexes in vivo. L'IP-PDMS de Nanoscribe a été sélectionné pour son élasticité et sa flexibilité, ce qui le rend idéal pour l'échafaudage cellulaire et l'ingénierie tissulaire. En tant que résine la plus souple proposée par Nanoscribe, avec un module de Young de 15,3 MPa, l'IP-PDMS a permis de créer des structures durables et flexibles. HYDROBIO INX N400, un hydrogel à base de gélatine naturelle, a été sélectionné pour sa compatibilité avec l'impression de cellules vivantes. Des synoviocytes de type fibroblaste humain (HFLS), comme modèle pour l'étude des maladies articulaires inflammatoires, et des cellules endothéliales de veine ombilicale humaine (HUVEC), sélectionnées pour leur emplacement dans les muqueuses articulaires, ont été encapsulés dans du N400 pour créer un environnement multicellulaire réaliste.

Étude des changements morphologiques dans les cellules stimulées

Le dispositif de microstructure 3D imprimé a subi plusieurs tests rigoureux pour vérifier sa fonctionnalité et son efficacité. Pour les tests mécaniques, un nanoindenteur équipé d'un cantilever de rigidité connue a été utilisé pour appliquer des forces contrôlées sur le dispositif, en ciblant spécifiquement le pont IP-PDMS pour induire un déplacement précis dans le cylindre d'hydrogel contenant les cellules. Les forces appliquées allaient de 200 μN à des fréquences de 0,5 Hz à 1 Hz. À 1 Hz, la fréquence plus élevée a entraîné un déplacement moindre en raison des propriétés de la résine à base d'hydrogel, ce qui a entraîné moins de changements morphologiques dans les cellules. Lorsqu'elles ont été soumises à une stimulation mécanique à 0,5 Hz pendant 30 minutes, les cellules ont présenté des changements morphologiques importants et un remodelage de l'actine, les fibres d'actine montrant une réorganisation et un alignement en réponse à l'étirement mécanique cyclique. À titre de preuve de concept, des organoïdes rétiniens de Medaka ont été encapsulés dans le dispositif pour démontrer que les organoïdes préformés peuvent également être stimulés efficacement à l'aide de cette méthode

Équipe de projet

• Institut d'ingénierie des systèmes moléculaires et des matériaux avancés (IMSEAM) – Université de Heidelberg
• Centre d'études sur les organismes – Université de Heidelberg
• Pôle d'excellence – Matière 3D sur mesure (3DMM2O)

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• Impression laser à deux photons pour stimuler mécaniquement les systèmes multicellulaires en 3D

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• Bio-imprimante 3D haute performance avec nano-précision

Améliorer l'efficacité et la qualité de la bio-impression 3D

Les scientifiques de 3DMM2O ont obtenu des résultats impressionnants malgré les coutures nécessaires pour imprimer leur dispositif avec la Nanoscribe Photonic Professional GT2. Une possibilité d'éliminer les coutures et d'obtenir des avantages supplémentaires serait d'utiliser une bio-imprimante 3D de la plus haute précision, la Quantum X bio de Nanoscribe. Cette imprimante offre un champ d'impression plus large, permettant des impressions sans couture du dispositif de microstructure 3D qui a été imprimé pour ce travail. La fonction d'alignement avancée de la Quantum X bio faciliterait le processus d'impression secondaire avec HYDROBIO INX N400, réduisant les erreurs potentielles en garantissant une superposition précise. De plus, la Quantum X bio offre des environnements à température et humidité contrôlées, un flux d'air filtré HEPA et des connexions optionnelles pour l'air pré-mélangé/CO₂ce qui permet d'obtenir des résultats plus fiables et de meilleure qualité. En tant qu'imprimante de référence pour l'impression de cellules vivantes, la Quantum X bio prend en charge une large gamme d'applications de bio-impression, s'adaptant à diverses configurations telles que les boîtes de culture cellulaire stériles, les lames de microscope et les puces microfluidiques.

Les chercheurs concluent que leur dispositif micro-imprimé en 3D peut être facilement personnalisé pour étudier différents types de cellules, comme les cellules cardiaques, et modifier la forme et l'épaisseur du dispositif imprimé, le substrat sur lequel il est imprimé ou les résines utilisées, y compris les résines conductrices. L'ouverture du Quantum X bio à divers matériaux favoriserait davantage ces options de personnalisation, permettant aux chercheurs d'adapter leurs expériences avec plus de précision. Cette capacité pourrait améliorer les conditions expérimentales et offrir des opportunités de recherche plus polyvalentes, ce qui pourrait conduire à des avancées significatives dans leur domaine.

Crédit vidéo : Nanoscribe