Een apicale resectiemodel in het volwassen Xenopus tropicalis-hart
Summary
Xenopus tropicalis is een ideaal model voor regeneratief onderzoek, omdat veel van zijn organen een opmerkelijk regeneratief vermogen bezitten. Hier presenteren we een methode voor het construeren van een hartletselmodel in X. tropicalis via apexsectie.
Abstract
Het is bekend dat bij volwassen zoogdieren het hart zijn regeneratieve capaciteit heeft verloren, waardoor hartfalen wereldwijd een van de belangrijkste doodsoorzaken is. Eerder onderzoek heeft het regeneratieve vermogen aangetoond van het hart van de volwassen Xenopus tropicalis, een anuran amfibie met een diploïde genoom en een nauwe evolutionaire relatie met zoogdieren. Bovendien hebben studies aangetoond dat na ventriculaire apex-resectie het hart kan regenereren zonder littekens in X. tropicalis. Bijgevolg suggereren deze eerdere resultaten dat X. tropicalis een geschikt alternatief gewerveld model is voor de studie van volwassen hartregeneratie. Een chirurgisch model van hartregeneratie bij de volwassen X. tropicalis wordt hierin gepresenteerd. Kortom, de kikkers werden verdoofd en gefixeerd; Vervolgens werd een kleine incisie gemaakt met een iridectomieschaar, die de huid en het hartzakje binnendrong. Er werd zachte druk uitgeoefend op de ventrikel en de top van de ventrikel werd vervolgens met een schaar uitgesneden. Hartletsel en regeneratie werden bevestigd door histologie 7-30 dagen na resectie (dpr). Dit protocol stelde een apicale resectiemodel vast bij volwassen X. tropicalis, dat kan worden gebruikt om de mechanismen van volwassen hartregeneratie op te helderen.
Introduction
Hartfalen is de afgelopen jaren wereldwijd een belangrijke doodsoorzaak geweest. Sinds 2000 neemt het aantal sterfgevallen als gevolg van hartfalen in de loop van de tijd toe. Meer dan 9 miljoen mensen stierven in 2019 aan cardiomyopathie, wat goed was voor 16% van het totale aantal sterfgevallen wereldwijd1. Vanwege het verlies van de regeneratieve capaciteit van het hart bij volwassen zoogdieren, zijn er in sommige gevallen niet genoeg cardiomyocyten om de contractiefuncties in het hart te behouden, wat de hartfunctie beïnvloedt en bijdraagt aan abnormale ventriculaire remodellering en hartfalen 2,3,4. Inderdaad, bij zoogdieren heeft het hart de slechtste regeneratieve capaciteit in vergelijking met de andere organen, zoals de lever, longen, darmen, blaas, bot en huid. Naarmate de vergrijzing van de wereldbevolking een wereldwijde megatrend wordt, zullen de uitdagingen waarmee we worden geconfronteerd met hartaandoeningen toenemen5.
Het ophelderen van de mechanismen van hartregeneratie kan belangrijke implicaties hebben voor therapieën voor ischemische hartziekten. Rapporten hebben aangetoond dat de harten van neonatale muizen een regeneratief vermogen hebben na topresectie6. Niettemin gaat dit regeneratieve vermogen verloren na 7 dagen van de leeftijd van7. Studies hebben aangetoond dat volwassen zoogdierharten niet in staat zijn om te regenereren omdat hun capaciteit voor cardiomyocytenproliferatie is afgenomen 8,9. De harten van lagere gewervelde dieren bezitten echter een krachtig regeneratief vermogen na een verwonding. Zebravissen 10, X. tropicalis11, Xenopus laevis12, salamander 13 en axolotl14 zijn bijvoorbeeld in staat tot volledige regeneratie na topresectie. Bovendien kunnen de andere delen van de lichamen van sommige lagere gewervelde dieren ook volledige regeneratie ondergaan, zoals de ledematen van salamanders en de staarten, lenzen en armen van tropische klauwkikkers 4,15,16.
Het opstellen van hartletselmodellen is de eerste stap naar het ophelderen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan hartregeneratie en heeft grote betekenis in regeneratief onderzoek. Onderzoekers hebben verschillende methoden ontwikkeld om modellen voor hartletsel te bouwen, waaronder steken, contuseren, genetische ablatie, cryoletsel en infarct 5,6.
Cryoletsel, myocardinfarct (MI) en apexresectie worden veel gebruikt voor het induceren van hartletsel en het type letsel kan aanzienlijke effecten hebben op de volgende regeneratie van cardiomyocyten6. Afhankelijk van de chirurgische techniek kan de reactie van het hart op regeneratie variëren. Cryoinjury veroorzaakt massale celdood en produceert fibrotische littekens in de harten van zebravissen17, waardoor een model ontstaat dat lijkt op een zoogdierinfarct. Apicale resectie wordt uitgevoerd door een deel van de ventriculaire weefsels weg te snijden, wat is gedaan bij zebravissen10 en X. tropicalis11, zonder permanente littekens te veroorzaken. Deze studie voerde apicale resectie uit, wat een eenvoudigere operatie is en minder chirurgische instrumenten vereist dan cryoletsel. Met behulp van lineage-tracing-analyse toonde een eerdere studie aan dat hartregeneratie gerelateerd is aan de proliferatie van cardiomyocyten die al bestaan in de harten van de muis6 en zebravis18, maar er bestaan geen rapporten voor amfibieën. Vandaar dat het model van topresectie in X. tropicalis een belangrijke rol speelt bij het ophelderen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan regeneratieve reacties.
Protocol
Representative Results
Discussion
Apicale resectie, waarbij de chirurgische amputatie van de top van het hart plaatsvindt, is beschreven bij zebravissen en muizen 6,18; dit is echter niet beschreven in X. tropicalis. Dit rapport beschrijft een geloofwaardig model van hartletsel en toont aan dat het hart van volwassen X. tropicalis volledig kan regenereren na apicale resectie zonder littekens. Sommige tekortkomingen moeten echter worden verbeterd en bepaalde details moeten worden…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door subsidies van het National Key R&D Program of China (2016YFE0204700), de National Natural Science Foundation of China (82070257, 81770240) en de Research Grant of Key Laboratory of Regenerative Medicine, Ministerie van Onderwijs, Jinan University (ZSYXM202004 en ZSYXM202104), China.
Materials
| Acetic acid | GHTECH | 64-19-7-500ml | |
| Acid Alcohol Fast Differentiation Solution | Beyotime | C0163M | |
| Acid Fuchsin | aladdin | A104916 | |
| Alcohol Soluble Eosin Y Stainin Solution | Servicebio | G1001-500ML | |
| BioReagent | Beyotime | ST2600-100g | |
| Ethanol absolute | Guangzhou Chemical Reagent Factory | HB15-GR-0.5L | |
| Hematoxylin Stain Solution | Servicebio | G1004-500ML | |
| Neutral balsam | Solarbio | G8590 | |
| Operating Scissors | Prosperich | HC-JZ-YK-Z-10cm | |
| Paraffins | Leica | 39601095 | |
| Para-formaldehyde Fixative | Servicebio | G1101-500ML | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) powder | Servicebio | G0002-2L | |
| Phosphomolybdic acid hydrate | Macklin | P815551 | |
| Stereo microscope | Leica | ||
| surgical forceps | ChangZhou | zfq-11-btjw | |
| Surgical Suture | HUAYON | 18-5140 | |
| Tricaine | Macklin | ||
| Xylene | Guangzhou Chemical Reagent Factory | IC02-AR-0.5L |
References
- Thiara, B. Cardiovascular disease. Nursing Standard. 29 (33), 60 (2015).
- van Amerongen, M. J., Engel, F. B. Features of cardiomyocyte proliferation and its potential for cardiac regeneration. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 12 (6), 2233-2244 (2008).
- Burke, A. P., Virmani, R. Pathophysiology of acute myocardial infarction. Medical Clinics of North America. 91 (4), 553-572 (2007).
- Sessions, S. K., Bryant, S. V. Evidence that regenerative ability is an intrinsic property of limb cells in Xenopus. Journal of Experimental Zoology. 247 (1), 39-44 (1988).
- Laflamme, M. A. Heart regeneration. Nature. 473 (7347), 326-335 (2011).
- Mahmoud, A. I., Porrello, E. R., Kimura, W., Olson, E. N., Sadek, H. A. Surgical models for cardiac regeneration in neonatal mice. Nature Protocols. 9 (2), 305-311 (2014).
- Tzahor, E., Poss, K. D. Cardiac regeneration strategies: Staying young at heart. Science. 356 (6342), 1035-1039 (2017).
- Porrello, E. R., et al. Transient regenerative potential of the neonatal mouse heart. Science. 331 (6020), 1078-1080 (2011).
- Porrello, E. R., et al. Regulation of neonatal and adult mammalian heart regeneration by the miR-15 family. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (1), 187-192 (2013).
- Poss, K. D., Wilson, L. G., Keating, M. T. Heart regeneration in zebrafish. Science. 298 (5601), 2188-2190 (2002).
- Liao, S., et al. Heart regeneration in adult Xenopus tropicalis after apical resection. Cell & Bioscience. 7, 70 (2017).
- Marshall, L. N., et al. Stage-dependent cardiac regeneration in Xenopus is regulated by thyroid hormone availability. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (9), 3614-3623 (2019).
- Witman, N., Murtuza, B., Davis, B., Arner, A., Morrison, J. I. Recapitulation of developmental cardiogenesis governs the morphological and functional regeneration of adult newt hearts following injury. 发育生物学. 354 (1), 67-76 (2011).
- Cano-Martinez, A., et al. Functional and structural regeneration in the axolotl heart (Ambystoma mexicanum) after partial ventricular amputation. Archivos de Cardiología de México. 80 (2), 79-86 (2010).
- Kragl, M., et al. Cells keep a memory of their tissue origin during axolotl limb regeneration. Nature. 460 (7251), 60-65 (2009).
- Oberpriller, J. O., Oberpriller, J. C. Response of the adult newt ventricle to injury. Journal of Experimental Zoology. 187 (2), 249-253 (1974).
- Gonzalez-Rosa, J. M., Martin, V., Peralta, M., Torres, M., Mercader, N. Extensive scar formation and regression during heart regeneration after cryoinjury in zebrafish. Development. 138 (9), 1663-1674 (2011).
- Ellman, D. G., et al. Apex resection in zebrafish (Danio rerio) as a model of heart regeneration: A video-assisted guide. International Journal of Molecular Sciences. 22 (11), 5865 (2021).
- Lee-Liu, D., et al. Genome-wide expression profile of the response to spinal cord injury in Xenopus laevis reveals extensive differences between regenerative and non-regenerative stages. Neural Development. 9, 12 (2014).
- Wu, H. Y., et al. Fosl1 is vital to heart regeneration upon apex resection in adult Xenopus tropicalis. npj Regenerative Medicine. 6 (1), 36 (2021).
- Chablais, F., Jazwinska, A. Induction of myocardial infarction in adult zebrafish using cryoinjury. Journal of Visualized Experiments. (62), e3666 (2012).
