Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Разработка 3D-организованной сердечной ткани человека в рамках микрофлюидной платформы

4.8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/62539

⸱

15 июня 2021 г.

 , 

В этой статье

Краткое содержание

Целью этого протокола является объяснение и демонстрация разработки трехмерной (3D) микрофлюидной модели высокоровневой сердечной ткани человека, состоящей из кардиомиоцитов, полученных из стволовых клеток, совместно культивируемых с сердечными фибробластами (FF) в биомиметическом гидрогеле на основе коллагена, для применения в инженерии сердечной ткани, скрининге лекарств и моделировании заболеваний.

Аннотация

Основной причиной смерти во всем мире по-прежнему является сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ). Тем не менее, моделирование физиологической и биологической сложности сердечной мышцы, миокарда, как известно, трудно выполнить in vitro. В основном, препятствия заключаются в потребности в кардиомиоцитах человека (КМ), которые либо являются взрослыми, либо демонстрируют взрослые фенотипы и могут успешно воспроизводить клеточную сложность миокарда и сложную 3D-архитектуру. К сожалению, из-за этических проблем и отсутствия доступной первичной сердечной ткани человека, полученной от пациента, в сочетании с минимальным распространением КМ, поиск жизнеспособных человеческих КМ был ограничивающим шагом для инженерии сердечной ткани. С этой целью большинство исследований перешли к сердечной дифференцировке индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток (hiPSCs) в качестве основного источника ЧЕЛОВЕЧЕСКИХ СМ, что привело к широкому включению hiPSC-CMs в анализы in vitro для моделирования сердечной ткани.

Здесь, в этой работе, мы демонстрируем протокол для разработки 3D-зрелой сердечной ткани человека, полученной из стволовых клеток, в микрофлюидном устройстве. Мы специально объясняем и визуально демонстрируем производство 3D-модели анизотропной сердечной ткани in vitro на чипе из КМ, полученных из hiPSC. Мы в первую очередь описываем протокол очистки для выбора для КМ, ко-культуру клеток с определенным соотношением путем смешивания КМ с человеческими ХФ (hCF) и суспензию этой кокультуры в гидрогеле на основе коллагена. Далее мы демонстрируем инъекцию нагруженного клетками гидрогеля в наше четко определенное микрофлюидное устройство, встроенное в шахматном порядке эллиптические микропосты, которые служат топографией поверхности, чтобы вызвать высокую степень выравнивания окружающих клеток и гидрогелевой матрицы, имитируя архитектуру нативного миокарда. Мы предполагаем, что предлагаемая 3D-анисотропная модель сердечной ткани на чипе подходит для фундаментальных биологических исследований, моделирования заболеваний и, благодаря ее использованию в качестве инструмента скрининга, фармацевтического тестирования.

Введение

В последние годы широко изучены подходы к тканевой инженерии для сопровождения клинических результатов in vivo в регенеративной медицине и моделировании заболеваний1,2. Значительное внимание было уделено моделированию сердечной ткани in vitro из-за присущих трудностей в поиске первичной сердечной ткани человека и производстве физиологически значимых суррогатов in vitro, ограничивая фундаментальное понимание сложных механизмов сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ)1,3. Традиционные модели часто включали 2D-анализы монослойной к....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Выполнять все обработки клеток и подготовку реагентов в шкафу биобезопасности. Убедитесь, что все поверхности, материалы и оборудование, которые вступают в контакт с клетками, стерильны (т. Е. Распыляйте 70% этанола). Клетки следует культивировали в увлажненный инкубатор при 37 °C, 5% CO2. Вся культура и дифференциация hiPSC выполняется в 6-скважинных пластинах.

1. Создание микрофлюидного устройства (приблизительная продолжительность: 1 неделя)

  1. фотолитография
    ПРИМЕЧАНИЕ: Маска, разработанная с использованием файла CAD (предоставляется в виде дополнительного файла 1),содержит констру....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Для получения высокоочищеной популяции КМ из hiPSCs используется модифицированная версия, включающая комбинацию протокола дифференциацииЛиан 33 и этапов очистки Тохьямы34 (см. Фиг.1A для экспериментальной временной шкалы). HiPSCs должны быть колониеобразными, ~85% слизыми и равномерно распространяться по всей культуре хорошо через 3-4 дня после прохождения, в начале дифференциации CM(рисунок 1B). В частности, в Ден.......

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Формирование модели сердечной ткани человека in vitro с усиленными клеточными взаимодействиями и биомиметической 3D-структурой является обязательным для фундаментальных сердечно-сосудистых исследований и соответствующих клинических применений1. Этот описанный протокол объясняет развитие 3D-анизотропной сердечной ткани человека в микрофлюидном устройстве с использованием кокультуры КМ, полученных из стволовых клеток, с соединительными КФ, инкапсулированными в гидрогель коллагена, служащими.......

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить NSF CAREER Award #1653193, Arizona Biomedical Research Commission (ABRC), New Investigator Award (ADHS18-198872) и Flinn Foundation Award за предоставление источников финансирования для этого проекта. Линия hiPSC, SCVI20, была получена от Джозефа С. Ву, доктора медицинских наук, доктора философии в Стэнфордском сердечно-сосудистом институте, финансируемом NIH R24 HL117756. Линия hiPSC, IMR90-4, была получена из WiCell Research Institute55,56.

....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Центрифужные пробирки объемом 0,65 млVWR87003-290
1 мм Биопсийный пуансонVWR95039-090
1,5 мм Биопсийный пуансонVWR95039-088
15 мл Соколиные пробиркиVWR89039-670
18x18 мм покровные стеклаVWR16004-308Покровные стекла должны быть No 1, чтобы обеспечить большое увеличение изображения
4% параформальдегидThermoFisher101176-014
6-луночный плоский боттом для тканевых культуральных планшетовVWR82050-844
B27 минус инсулинLifeTechA1895602
B27 плюс инсулинLifeTech17504001
CHIR99021VWR10188-030
Коллаген I, крысиный хвостCorning47747-218
DMEM F12ThermoFisher11330057
DPBSThermoFisher21600069
E8ThermoFisherA1517001 также может быть изготовлен на месте
EDTAVWR45001-122
Этанол
FGM3VWR10172-048
GFR-MatrigelVWR47743-718
ГлицинСигмаG8898-500G Сыворотка
для козVWR10152-212
hESC-MatrigelCorningBD354277
IPA
IWP2SigmaI0536-5MG
KimwipesVWR82003-820
MTCSSigma440299-1L
NaN3SigmaS2002-25G
NaOHSigmaS5881-500G
Pen/StrepVWR15140122
чашка Петри (150x15мм)VWR25384-326
Чашка Петри (60x15мм)VWR25384-092
Фенол красныйСигмаP3532-5G
RPMI 1640ThermoFisherMT10040CM
RPMI 1640 минус глюкозаVWR45001-110
Кремниевые пластины (100 мм)University Wafer1196
Лактат натрияSigmaL4263-100ML
SU8 2075MicrochemY111074 0500L1GL
SU8 ПроявительThermoFisherNC9901158
Sylgard ElastomerEssex BrownellDC-184-1.1
T75 колбыVWR82050-856
Triton X-100SigmaT8787-100ML
TrypLEThermoFisher12604021
трипсин-ЭДТА (0,5%)ThermoFisher15400054
Tween20SigmaP9416-50ML
Y-27632Технологии стволовых клеток72304
EVG620 ВыравнивательEVG
Очиститель плазмы PDC-32GHarrick Plasma
Zeiss AxioObserver Z1 МикроскопNikon
Leica SP8 Конфокальный микроскопLeica

Ссылки

  1. Savoji, H., et al. Cardiovascular disease models: A game changing paradigm in drug discovery and screening. Biomaterials. 198, 3-26 (2019).
  2. Patino-Guerrero, A., Veldhuizen, J., Zhu, W., Migrino, R. Q., Nikkhah, M. Three-dimen....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Трехмерная сердечная тканьинженерия сердечной тканииндуцированные плюрипотентные стволовые клеткидифференцировка кардиомиоцитовсердечная ткань на чипеинкапсуляция в коллагеновый гидрогельвыравнивание клетоккокультивирование с сердечными фибробластамиполимеризация ткани