Organoïdes cérébraux
Technologie des organoïdes pour la compréhension du développement du cerveau et des maladies neuronales
Organoïdes cérébraux : Modèles neuronaux 3D transformant la recherche et la découverte
Les organoïdes cérébraux sont des modèles tissulaires 3D dérivés de cellules souches pluripotentes humaines induites (hiPSC). Lorsqu’ils sont mis en culture dans des conditions définies, les hiPSC se différencient en divers types de cellules neuronales qui s’auto-organisent en structures superposées ressemblant à des régions cérébrales spécifiques telles que le cerveau antérieur (cerveau) ou le mésencéphale.
Contrairement aux cultures 2D traditionnelles ou aux modèles animaux, les organoïdes cérébraux 3D préservent mieux les interactions cellule-cellule et cellule-matrice, les gradients de diffusion et la complexité morphologique, y compris diverses populations de neurones, d’astrocytes et de cellules gliales. Cela en fait des modèles puissants et pertinents pour l’homme pour étudier la neurobiologie complexe, modéliser les maladies neurodéveloppementales et neurodégénératives et accélérer la découverte de nouveaux agents thérapeutiques.
Les progrès récents ont permis la culture d’organoïdes cérébraux directement à partir d’iPSC dérivés de patients ou de ceux conçus avec des mutations pertinentes pour la maladie en utilisant la technologie CRISPR. Par conséquent, les chercheurs peuvent étudier le développement cortical, étudier les mécanismes des maladies et tester l’efficacité et la toxicité des composés dans des systèmes qui reflètent plus fidèlement la biologie du cerveau humain. Alors que les défis subsistent dans la mise à l’échelle de ces modèles pour la génomique fonctionnelle, les avancées en automatisation, l’imagerie haut contenu et l’analyse basée sur l’IA élargissent rapidement leur potentiel dans la découverte de médicaments et la neuroscience translationnelle.
Applications des organoïdes cérébraux dans la modélisation des maladies, la découverte de médicaments et la toxicologie
Les organoïdes cérébraux fournissent des informations sans précédent sur la biologie cérébrale humaine, offrant des modèles physiologiquement pertinents pour les troubles neurodégénératifs, génétiques et liés aux lésions. Les systèmes automatisés d’organoïdes cérébraux de Molecular Devices permettent une culture reproductible à long terme des tissus neuronaux 3D, combinant une manipulation précise des liquides, une imagerie haut contenu et une analyse basée sur l’IA pour prendre en charge des conceptions expérimentales complexes.
- Maladie d’Alzheimer : les organoïdes dérivés d’iPSC résument l’agrégation de bêta-amyloïde et la pathologie tau. L’automatisation permet une surveillance haute résolution de la dynamique du réseau, y compris les oscillations du calcium, permettant l’évaluation fonctionnelle des candidats thérapeutiques (réseaux de technologie).
- Maladie de Parkinson : les organoïdes du cerveau moyen modélisent la dégénérescence des neurones dopaminergiques. La culture automatisée et l’imagerie longitudinale fournissent des informations quantitatives sur la survie neuronale et la fonction du réseau, soutenant le criblage des composés et les études mécaniques (Biocompare).
- Troubles génétiques : les organoïdes dérivés de patients ou modifiés par CRISPR, tels que les modèles de syndrome de Rett, présentent une altération de l’activité neuronale. L’analyse haut débit, basée sur l’IA, capture les phénotypes subtils d’électrophysiologie et de réseau dans de grandes cohortes.
- Blessure cérébrale traumatique : les organoïdes reproduisent les modifications structurelles et fonctionnelles induites par les lésions. L’automatisation intégrée permet un suivi dynamique des réponses neuronales, facilitant l’évaluation des thérapies réparatrices.
- Neurotoxicité et neurotoxicité développementale : les organoïdes peuvent résumer les effets des composés sur le cerveau, fournissant un aperçu de l’effet potentiellement toxique de ces substances. Ceci est essentiel pour développer des médicaments sûrs et comprendre les conséquences de l’exposition à des produits chimiques toxiques.
Les plateformes de Molecular Devices optimisent la production d’organoïdes uniformes prêts pour les tests, améliorant la reproductibilité et réduisant la variabilité manuelle. Les chercheurs peuvent utiliser ces systèmes pour détecter précocement la neurotoxicité, évaluer l’efficacité des composés et étudier les mécanismes des maladies dans un contexte humain pertinent, accélérant ainsi la découverte préclinique et la recherche translationnelle.
Flux de travail automatisé pour les organoïdes cérébraux dérivés d’hiPSC : de la culture cellulaire aux tests fonctionnels
Les chercheurs suivent généralement des protocoles inspirés par Lancaster & Knoblich, 2014 ou Pasca, 2018, perfectionnés pour l’évolutivité et la reproductibilité. Cependant, la culture manuelle d’organoïdes cérébraux est laborieuse, variable et sensible à la contamination, ce qui limite le débit et la régularité. L’automatisation relève ces défis en fournissant une alimentation, une manipulation et une surveillance précises et reproductibles, et améliore ainsi la qualité des données tout en permettant aux scientifiques de se concentrer sur la découverte plutôt que sur l’entretien de routine.
Chez Molecular Devices, nous étendons ces capacités grâce à un écosystème de recherche automatisé complet sur les organoïdes cérébraux, conçu pour fournir des flux de travail de culture et d’évaluation reproductibles, évolutifs et standardisés :
- Le système automatisé de culture cellulaire CellXpress.ai® avec incubateur à bascule permet la culture à long terme d’organoïdes cérébraux avec une administration continue de nutriments et une variabilité minimale. Ce système prend en charge des semaines de culture automatisée, libérant les chercheurs des tâches répétitives et permettant de réaliser des études à grande échelle dans des conditions standardisées.
- Le système de criblage haut contenu (HCS) ImageXpress® HCS.ai capture des données morphologiques et fonctionnelles haute résolution sur des organoïdes entiers, ce qui permet l’évaluation quantitative du développement, des phénotypes des maladies et des réponses thérapeutiques.
- Le logiciel d’analyse d’images IN Carta® utilise la segmentation et l’analyse phénotypique basées sur l’IA pour extraire des informations exploitables, permettant ainsi aux chercheurs de suivre la croissance des organoïdes, de surveiller la progression des maladies et de détecter des effets subtils induits par les médicaments avec une haute précision.
- Le système de criblage cellulaire à haut débit FLIPR® Penta fournit des lectures fonctionnelles de l’activité des réseaux neuronaux grâce à des tests d’oscillation du calcium, offrant ainsi des critères d’évaluation d’efficacité et de sécurité d’emploi essentiels pour les études translationnelles.
Ensemble, ces technologies forment un flux de travail entièrement intégré et automatisé des organoïdes cérébraux, de la culture à l’évaluation fonctionnelle et morphologique. En combinant automatisation, imagerie haut contenu, analyse basée sur l’IA et lectures fonctionnelles, Molecular Devices permet aux chercheurs d’accélérer la découverte de médicaments, d’augmenter la reproductibilité expérimentale et d’obtenir des informations plus approfondies sur la biologie du cerveau humain.
Étapes du flux de travail de culture cellulaire des hiPSC aux organoïdes cérébraux
Étapes 1 à 4 : Ensemencement des iPSC, échange de milieu, surveillance et passage
Les cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSC) sont ensemencées et développées dans des conditions optimisées, l’imagerie automatisée étant utilisée pour surveiller continuellement la morphologie et la santé cellulaire. L’ensemencement des cellules peut être automatisé sur un manipulateur de liquides, que ce soit pour des cultures 2D ou des organoïdes intégrés dans Matrigel, ce qui garantit la précision et l’homogénéité. Les cellules sont maintenues dans un incubateur, et les échanges de milieux sont programmés et exécutés directement sur le plateau de traitement des liquides. L’analyse d’images basée sur l’IA fournit un retour d’information en temps réel, ce qui permet au système de déclencher les étapes en aval en fonction de l’état des cellules. Lorsque les cultures atteignent la confluence, les protocoles de prise de décision automatisée initient le passage en maintenant une qualité et une reproductibilité constantes à chaque étape du flux de travail.
Étape 5 : Récolte et réensemencement des iPSC
Les iPSC différenciées sont récoltées et réensemencées dans des formats de culture appropriés. L’automatisation garantit la précision et l’homogénéité dans plusieurs plaques, réduisant ainsi la variabilité introduite par le traitement manuel.
Étape 6 : Induction neuronale et formation d’organoïdes
Les cellules sont alimentées avec des facteurs de croissance spécifiques et un milieu d’induction neuronale pour initier la formation d’organoïdes. L’imagerie quotidienne avec le système ImageXpress HCS.ai permet de surveiller la croissance et la morphologie, tandis que le logiciel d’analyse IN Carta AI quantifie les étapes de développement.
Étape 7 : Transfert des organoïdes vers des plaques à six puits
Les organoïdes sont transférés vers des puits de culture plus grands, d’une plaque à fond en U de 96 puits à une plaque de 6 puits, ce qui permet une expansion et une maturation supplémentaires.
Étape 8 : Différenciation et maturation des organoïdes
Les organoïdes sont cultivés à long terme et continuent de se différencier en plusieurs types de cellules neuronales et gliales. L’imagerie et l’analyse par IA suivent l’organisation structurelle et la viabilité, la maturation nécessitant souvent plus de 100 jours. Ici, l’incubateur à bascule fournit un mouvement doux et continu, administrant des nutriments et de l’oxygène de manière uniforme tout en empêchant l’agrégation et la nécrose.
Étape 9 : Traitement des composés et évaluation fonctionnelle
Les organoïdes matures sont exposés à des composés tests pour évaluer leur efficacité et leur sécurité d’emploi. L’imagerie haut contenu avec le système ImageXpress Confocal HCS.ai capte les modifications morphologiques détaillées, tandis que le système FLIPR Penta mesure l’activité neuronale au niveau des réseaux. L’analyse avancée dans le logiciel IN Carta quantifie les oscillations du calcium et les paramètres clés tels que la fréquence, l’amplitude et le synchronisme du déclenchement neuronal, offrant ainsi une vue complète de la réponse des organoïdes.
Atout présenté
Génération automatisée et robuste d’organoïdes cérébraux
Découvrez comment le système automatisé de culture cellulaire CellXpress.ai® optimise le processus complexe de génération d’organoïdes cérébraux à partir d’iPSC qui dure des mois. Cette affiche met en évidence un flux de travail entièrement automatisé qui minimise la variabilité et le traitement manuel grâce à une manipulation optimisée des liquides, une agitation intégrée des milieux et un stockage des réactifs sur plateau. En offrant une surveillance continue et une programmation intelligente, le système garantit un développement d’organoïdes homogène et de haute qualité, ce qui permet aux chercheurs d’extrapoler la production des modèles cérébraux pour la modélisation des maladies, les tests de neurotoxicité et la découverte de médicaments avec plus de confiance et d’efficacité.
Développement automatisé d’organoïdes neuronaux 3D dérivés d’iPSC et analyse fonctionnelle de l’activité d’oscillation du calcium
Le système automatisé de culture cellulaire CellXpress.ai® simplifie le développement d’organoïdes neuronaux 3D dérivés d’iPSC en automatisant les étapes clés telles que les échanges de milieux et l’imagerie. Ce flux de travail mains libres améliore la reproductibilité et l’évolutivité, ce qui le rend idéal pour la culture à long terme et les applications haut débit.
Associé au système FLIPR® Penta pour l’analyse de l’oscillation du calcium et au système ImageXpress HCS.ai pour l’imagerie haut contenu, les chercheurs peuvent évaluer avec précision la maturité fonctionnelle et morphologique des organoïdes. Découvrez comment cette solution intégrée accélère le criblage des composés : téléchargez l’affiche complète pour en savoir plus.
Dernières ressources sur la recherche sur les organoïdes cérébraux
La complexité des tests 3D reste un obstacle à l’utilisation plus généralisée des modèles organoïdes dans la recherche et le criblage de médicaments. Les nouveaux outils avancés d’imagerie et d’analyse, ainsi que l’automatisation des tests, sont essentiels pour améliorer la qualité des informations, le débit et la précision des modèles biologiques complexes. Découvrez comment l’analyse et l’imagerie haut contenu et haut débit, associées à des outils d’analyse basés sur l’IA, peuvent améliorer la précision de vos études sur les organoïdes cérébraux.