Direct-ink-writing 3D printing of microfluidic guidance devices for nigrostriatal connectoids

Abstract

Neurodegenerative Erkrankungen wie die Parkinson-Krankheit stellen eine große Belastung für die Gesellschaft dar, die in den kommenden Jahrzehnten noch zunehmen dürfte. Das openMIND-Projekt will durch die Schaffung multiregionaler hirnorganoider Modelle, so genannter Konnektoide, dazu beitragen, diese Belastung zu mindern. Als erster Schritt in diese Richtung wurde die Herstellung von PDMS-Leitvorrichtungen für die nigrostriatale Wegfindung untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Arbeitsablauf für das Rapid Prototyping dieser Führungsvorrichtungen unter Verwendung des volumetrischen Direct-Ink-Writing (DIW) 3D-Drucks entwickelt. Dieser Ansatz basiert auf der von RepRap abgeleiteten Drucktechnologie und kann daher eine praktikable Alternative für Forschungsgruppen darstellen, die sich keine modernen 3D-Drucksysteme leisten können. Neben dem Druck der Führungsvorrichtungen wurden unterstützende Experimente durchgeführt, um die Reproduzierbarkeit des Druckverfahrens zu bewerten und die Grundlage für seine Verbesserung zu schaffen. Die Führungsvorrichtungen wurden an hVM1-Sphäroiden getestet und an die Universität Lund weitergegeben, wo sie mit Gehirnorganoiden getestet wurden. Darüber hinaus wurden verschiedene Bedingungen für die Bildung von hVM1-Sphäroiden getestet, um ihre Eignung für nigrostriatale Modelle zu untersuchen.

Neurodegenerative diseases such as Parkinson’s disease is a major burden to society which is expected to increase over the coming decades. The openMIND project intends to contribute to the relieve of this burden through the creation of multi-regional brain organoid models called connectoids. As a first step in this direction the fabrication of PDMS guidance devices for nigrostriatal pathfinding was investigated. To this aim a new workflow for rapid prototyping of these guidance devices using volumetric direct-ink-writing (DIW) 3D printing was established. This approach was based on RepRap derived printing technology and may therefore present a viable alternative for research groups that cannot afford state-of-the-art 3D printing systems. Besides the printing of the guidance devices supportive experiments were conducted to evaluate the reproducibility of the printing method and to lay the foundation for its improvement. The guidance devices were tested on hVM1 spheroids and handed over to Lund university where they were tested with brain organoids. In addition, different condition for the formation of hVM1 spheroids were tested to investigate their suitability for nigrostriatal models.