3D in vitro models for neural progenitor cell differentiation and network formation

Abstract

[eng] Conventional 2D in vitro and animal models have been found inadequate to fully uncover the intricate mechanisms happening in the brain and its diseases. Engineering-based models emerge as promising alternatives to the development of more complex and dependable brain models. Scaffold-based culture is one example of this type of models where cells are cultured in a biomaterial that simulates more closely the organ environment and function. Another example is microfluidic devices as they combine micropatterned platforms with cell culture to create models with a tuneable framework using small amounts of resources. In this work, we used methacrylated gelatine, methacrylated alginate and hyaluronic acid to develop a biomaterial with adjustable mechanical properties and biocompatibility that resembles the extracellular matrix for neural culture. This composite biomaterial presented suitable physical properties with high water intake, low stiffness, and slow degradation. Through the evaluation of cell viability and the expression of differentiation markers, we could observe that our formulation was compatible with the culture, differentiation, and network formation of murine neuroprogenitor cells into early neurons. Calcium imaging also validated the activity of the cells in the system. This biomaterial was assessed as bioink for the extrusion bioprinting of the same cell line, presenting good definition, high cell viability, the expression of differentiation markers, and functional activity. The combination of our biomaterial with a 3D microfluidic device of three parallel channels separated by triangular-shaped pillars was also possible, with viable cultures up to 21 days. We complemented these results with the evaluation of the compatibility of our hydrogel with human induced pluripotent stem cells and observed good viability results and the start of differentiation into dopaminergic neurons. In parallel to the development of our biomaterial, we designed a microfluidic device capable of being used for the culture of different neuronal subtypes. The design consisted of three parallel channels connected through obliquus microchannels with dimensions below 5 µm to isolate and direct axons from the lateral channels to the central channel. This model was used to recreate the cortico-striatal circuit with successful differentiation of cortical and striatal cells and the influence of the co-culture was validated through calcium imaging. The dopaminergic-striatal circuit was also modelled using our device with results pointing to the influence of the striatal neurons in the differentiation of dopaminergic neurons.

[spa] Los modelos in vitro convencionales y los ensayos con animales han resultado inadecuados para descubrir por completo los mecanismos complejos que tienen lugar en el cerebro y en sus enfermedades. Los modelos basados en ingeniería surgen como alternativas prometedoras al desarrollo de modelos cerebrales más complejos y fiables. Los cultivos scaffold-based son un ejemplo de este tipo de modelos, donde las células son cultivadas en un biomaterial que simula mejor el ambiente del órgano y su función. Otro ejemplo son los dispositivos de microfluídica que combinan plataformas micropatrónicas con cultivos celulares para crear modelos personalizados usando pequeñas cantidades de recursos. En este trabajo, usamos gelatina metacrilada, alginato metacrilado y ácido hialurónico para desarrollar un biomaterial con propriedades mecánicas ajustables y biocompatible que se parece a la matriz extracelular para cultivos neuronales. Este material compuesto presentaba las propriedades físicas adecuadas, con una absorción de agua elevada, dureza baja y degradación lenta. A través de la evaluación de la viabilidad celular y la expresión de marcadores de diferenciación, pudimos observar qué nuestra formulación era compatible con el cultivo, con la diferenciación y con la formación de una red de células neuroprogenitoras de ratón en neuronas inmaduras. El análisis del calcio también validó la actividad de las células en el sistema. Este biomaterial fue evaluado como biotinta para la biopimpresión por extrusión de la misma línea celular, presentando buena definición, alta viabilidad celular, expresión de marcadores de diferenciación y actividad functional. La combinación de nuestro biomaterial con un dispositivo 3D de microfluídica, que consistía en tres canales paralelos separados por pilares triangulares también fue posible, con cultivos viables hasta 21 días. Complementamos estos resultados con la evaluación de la compatibilidad de nuestro hidrogel con el cultivo de células humanas pluripotentes inducidas de células madre y observamos buena viabilidad celular y el inicio de la diferenciación en neuronas dopaminérgicas. En paralelo al desarrollo de nuestro biomaterial, desarrollamos un dispositivo de microfluídica capaz de ser utilizado para el cultivo de distintos subtipos neuronales. El diseño consistía en tres canales paralelos conectados por microcanales oblicuos con dimensiones inferiores a 5 µm para aislar y dirigir los axones desde los canales laterales hacia el canal central. Este modelo fue usado para recrear el circuito córtico-estriatal donde la diferenciación de células corticales y estriatales fue exitosa y la influencia del co-cultivo fue validada a través de análisis de calcio. El circuito dopaminérgico-estriatal también fue modelado usando nuestro dispositivo, con resultados que apuntaban a la influencia de las neuronas estriatales en la diferenciación de las neuronas dopaminérgicas.