התאמה מגנטית של מטען אחרי ברקמות הלב מהונדסים
Summary
פרוטוקול זה מספק שיטות מפורטות המתארות את ייצור ויישום של פלטפורמת כוונון afterload מבוססי מגנטיקה עבור רקמות לב מהונדסים.
Abstract
לאחר העומס ידוע לנהוג בהתפתחות של מצבי לב פיסיולוגיים ופתולוגיים. ככזה, לימוד התוצאות של מצבי העמסה שונה יכול להניב תובנות חשובות למנגנונים השולטים בתהליכים קריטיים אלה. עם זאת, טכניקה ניסיונית לכוונון מדויק של המטען ברקמת הלב לאורך זמן חסרה כעת. כאן, הטכניקה החדשה שפותחה מבוססי מגנטיקה להשגת שליטה זו ברקמות הלב (EHTs) מהונדסים. על מנת לייצר EHTs להגיב מגנטי (MR-EHTs), הרקמות הם רכוב על הודעות סיליקון חלול, כמה מהם מכילים מגנטים קבועים קטנים. קבוצה שנייה של מגנטים קבועים הוא ללחוץ על התאמה לתוך צלחת אקריליק כגון שהם מכוונים עם קוטביות זהה והם מיושרים עם מגנטים פוסט. כדי להתאים את העומס, צלחת זו של מגנטים מתורגמת לכיוון (מטען אחר גבוה יותר) או משם (afterload התחתון) מתוך הפוסט magnets באמצעות שלב פיזואלקטריים מצויד מקודד. תוכנת בקרת התנועה המשמשת להתאמת מיקום הבמה מאפשרת פיתוח של משטרי משתמש מוגדרים על ידי המשתמש בעוד המקודד מבטיח כי השלב מתקן עבור כל חוסר עקביות במיקומו. עבודה זו מתארת את הייצור, הכיול והיישום של מערכת זו כדי לאפשר פיתוח של פלטפורמות דומות במעבדות אחרות ברחבי העולם. תוצאות הנציגים משני ניסויים נפרדים נכללים כדי להדגים את מגוון המחקרים השונים שניתן לבצע באמצעות מערכת זו.
Introduction
Afterload הוא עומס סיסטולי על החדר אחרי זה התחיל להוציא דם1. במהלך התפתחות הלב, המטען המתאים הוא בחשיבות קריטית עבור התבגרות הקרדיוציט2. בבגרות, רמות נמוכות של העומס החדרית (למשל, בחולים למיטה עם פציעה ברמה גבוהה בחוט השדרה3 או במקרים מיוחדים מאוד כמו טיסה4) יכול לגרום היפופרס של הלב. לעומת זאת, העומס הגבוה יכול להוביל להיפרפרס5. בעוד היפרפרס לב בספורטאים סיבולת או נשים בהריון נחשב מועיל פיסיולוגי, יפרטרופיה הקשורים ביתר לחץ דם עורקים לטווח ארוך או היצרות חמורה של שסתום אבי העורקים הוא מזיק כפי שהוא מקדם אחד להפרעות בקצב הלב וספיקת לב6. למרות שיעור התמותה 5 שנים עבור חולים אי ספיקת לב הופחת מ ~ 70%בשנות ה-80 ל-40-50%7 כיום, יש עדיין צורך גדול אפשרויות טיפול רפואי חדש עבור מצב זה שכיח מאוד (כיום 2.2% האוכלוסייה בעולם המערבי)8.
כדי לחקור את המנגנונים המולקולריים של היפרפרס הלב הפתולוגי ולבחון אסטרטגיות מונעות או טיפוליות לטיפול במחלה זו, בvivo מודלים של מטען אחרי פותחו9,10,11,12. בעוד מודלים אלה הציעו תובנות מועילות לתוך ההשפעות של העומס afterload ביצועים חדרית, הם אינם מאפשרים שליטה עדינה על בהירות העומס afterload לחילופין, במחקרים בלתי מתורבת של afterload שבוצעו על לבבות מוכי ההכנות שרירים לאפשר שליטה עדינה יותר על טעינת רקמות, אבל מודלים אלה אינם מסייעות למחקרים האורך13,14,15.
כדי להתגבר על בעיות אלה, פיתחנו מודל מבחנה של העומס האחורי ברקמות הלב מהונדסים (ehts)16,17. מודל זה הוא בפורמט תלת מימדי התרבות עבור תאי לב חולדה מוטבע מטריצה פיברוב מושעה בין הודעות סיליקון גמיש החלול. רקמות אלה היכו באופן ספונטני (נגד ההתנגדות של הודעות הסיליקון) ולבצע עבודה הקלה. יש לנו הגדלת afterload להחיל EHTs על ידי גורם של 12 בניסויים קודמים על ידי החדרת של מתכת נוקשה לתוך הודעות סיליקון חלול לשבוע אחד. זה הוביל להמון שינויים, מאפיין של לב פתולוגי היפרפרס18,19,20: היפראוטוציט היפר, נמק חלקי, ירידה בכוח כריתת העור, ליקוי של הרפיה רקמות, ההפעלה מראש של תוכנית הגן העובר, משמרת מטבולית של חמצון חומצות שומן כדי גליקולוליזיס אנאירובי, ועלייה פיברוזיס. למרות הליך זה הועסק בהצלחה במספר מחקרים17,21,22, יש לו כמה חסרונות. יש רק שתי מדינות, נמוך או גבוה מאוד (12 קיפול) afterload, ואת ההליך דורש טיפול ידני של EHTs, אשר מגביל את הגמישות הטמפורלית שלה מהווה את הסיכון לזיהום.
לאחרונה, ליאונרד ואח ‘ השתמשו בטכניקה דומה לווסת את העומס שאחרי ב EHTs תרבותי על הודעות סיליקון23. מסולסלים של אורכים שונים הוצבו סביב החלק החיצוני של ההודעות כדי להגביל את התנועה כיפוף שלהם. המחברים של מחקר זה דיווחו כי גידול יחיד קטן בינוני בעומס כוח משופר התפתחות והתבגרות של האדם הנגזר של ה-iPS, בעוד נטען גבוה יותר הביא למצב פתולוגי. עם זאת, בדומה למערכת שלנו, טכניקה זו מאפשרת רק להגברת היחיד בעומס האחר, בסדר הגודל שהוא מוכתב על-ידי אורך הגשר. ככזה, שינויים עדינים ב-afterload, שינויים ב-afterload לאורך זמן, משטרי טעינה מדויקת אינם אפשריים עם טכניקות אלה.
כאן, אנו מספקים את הפרוטוקול עבור מערכת שיכולה לשמש לווסת לאחר ההתנגדות, כלומר, אחרי העומס של EHTs מגנטוסטי24. פלטפורמה זו מקלה על הכיוונון העדין של afterload, מאפשר משטרי משתמש מוגדרים על ידי המשתמש, ומבטיח עקרות EHT.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המתואר להלן מתאר טכניקה חדשה לצורך שינוי מגנטית של העמסה ברקמות הלב. טכניקה זו מסתמכת על השימוש בשלב פיזואלקטריים כדי לתרגם צלחת של מגנטים חזקים כלפי והרחק מארונות מגנזיום תגובה של הודעות סיליקון. ככל ששני סטים של מגנטים, חזקה העומס שחוו על ידי EHTs תרבותי עליהם.
קי?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים Jutta Starbatty על התמיכה שלה בעבודת התרבות רקמה, אקסל קירשהוף לצילום, אליס Casagrande סקונטו לעריכת עבודה, ותודות מיוחדת בולנט Aksehirlioglu לתמיכה טכנית בפיתוח של התקן זה. בי בי היה נתמך על ידי DZHK (המרכז הגרמני למחקר לב וכלי דם) המלומד גרנט, M.L.R. על ידי ויטאקר הבינלאומי בתר דוקטורט גרנט ו M.N.H. על ידי קרנות מן DZHK.
Materials
| Cylindrical plate magnets | HKCM | 9962-55184 | h = 14 mm, d = 13 mm |
| Cylindrical post magnets | HKCM | 9962-63571 | h = 2 mm, d = 0.5 mm |
| Dental wire | Ormco | 266-1316 | d = 0.016 inches (0.406 mm) |
| GraphPad | GraphPad Software, La Jolla, California, USA | version 6.00 for Windows | |
| Motion control software for piezo motor | Micronix USA | free download on manufacturer homepage | |
| Motion controller for piezo motor | Micronix USA | MMC-100-01000 | |
| Optical contractility analysis platform | EHT technologies | A0001 | |
| Piezoelectric linear motor | Micronix USA | PPS-20-15206 | fitted with linear optical encoder, incubator-environment compatible |
| Styrene Rod | Plastruct | MR-15 | d= 0.015 inches (0.381 mm) |
| USB camera | Reichelt Elektronik | REFLECTA 66142 |
Referenzen
- Zipes, D. P., Libby, P., Bonow, R. O., Mann, D. L., Tomaselli, G. F. . Braunwald’s Heart Disease: A Textbook of Cardiovascular Medicine. 11th edn. , (2018).
- McCain, M. L., Yuan, H., Pasqualini, F. S., Campbell, P. H., Parker, K. K. Matrix elasticity regulates the optimal cardiac myocyte shape for contractility. American Journal of Physiology- Heart and Circulatory Physiology. 306 (11), 1525-1539 (2014).
- de Groot, P. C., van Dijk, A., Dijk, E., Hopman, M. T. Preserved cardiac function after chronic spinal cord injury. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 87 (9), 1195-1200 (2006).
- Perhonen, M. A., et al. Cardiac atrophy after bed rest and spaceflight. Journal of Applied Physiology. 91 (2), 645-653 (2001).
- Levy, D., Larson, M. G., Vasan, R. S., Kannel, W. B., Ho, K. K. The progression from hypertension to congestive heart failure. Journal of the American Medical Association. 275 (20), 1557-1562 (1996).
- Levy, D., et al. Long-term trends in the incidence of and survival with heart failure. The New England Journal of Medicine. 347 (18), 1397-1402 (2002).
- Maggioni, A. P., et al. EURObservational Research Programme: regional differences and 1-year follow-up results of the Heart Failure Pilot Survey (ESC-HF Pilot). European Journal of Heart Failure. 15 (7), 808-817 (2013).
- Mozaffarian, D., et al. Heart disease and stroke statistics–2015 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 131 (4), 29 (2015).
- Klautz, R. J., Teitel, D. F., Steendijk, P., van Bel, F., Baan, J. Interaction between afterload and contractility in the newborn heart: evidence of homeometric autoregulation in the intact circulation. Journal of the American College of Cardiology. 25 (6), 1428-1435 (1995).
- Liedtke, A. J., Pasternac, A., Sonnenblick, E. H., Gorlin, R. Changes in canine ventricular dimensions with acute changes in preload and afterload. The American Journal of Physiology. 223 (4), 820-827 (1972).
- Toischer, K., et al. Differential cardiac remodeling in preload versus afterload. Circulation. 122 (10), 993-1003 (2010).
- Zhang, H., et al. Cellular Hypertrophy and Increased Susceptibility to Spontaneous Calcium-Release of Rat Left Atrial Myocytes Due to Elevated Afterload. PloS one. 10 (12), 0144309 (2015).
- Hori, M., et al. Loading sequence is a major determinant of afterload-dependent relaxation in intact canine heart. The American Journal of Physiology. 249, 747-754 (1985).
- Schotola, H., et al. The contractile adaption to preload depends on the amount of afterload. ESC Heart Failure. 4 (4), 468-478 (2017).
- Sonnenblick, E. H., Downing, S. E. Afterload as a primary determinat of ventricular performance. The American Journal of Physiology. 204, 604-610 (1963).
- Hirt, M. N., et al. Increased afterload induces pathological cardiac hypertrophy: a new in vitro model. Basic Research in Cardiology. 107 (6), 307 (2012).
- Hirt, M. N., et al. Deciphering the microRNA signature of pathological cardiac hypertrophy by engineered heart tissue- and sequencing-technology. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 81, 1-9 (2015).
- Dorn, G. W. The fuzzy logic of physiological cardiac hypertrophy. Hypertension. 49 (5), 962-970 (2007).
- Hill, J. A., Olson, E. N. Cardiac plasticity. The New England Journal of Medicine. 358 (13), 1370-1380 (2008).
- Maillet, M., van Berlo, J. H., Molkentin, J. D. Molecular basis of physiological heart growth: fundamental concepts and new players. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 14 (1), 38-48 (2013).
- Stenzig, J., et al. DNA methylation in an engineered heart tissue model of cardiac hypertrophy: common signatures and effects of DNA methylation inhibitors. Basic Research in Cardiology. 111 (1), 9 (2016).
- Werner, T. R., Kunze, A. C., Stenzig, J., Eschenhagen, T., Hirt, M. N. Blockade of miR-140-3p prevents functional deterioration in afterload-enhanced engineered heart tissue. Scientific Reports. 9 (1), 11494 (2019).
- Leonard, A., et al. Afterload promotes maturation of human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocytes in engineered heart tissues. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 118, 147-158 (2018).
- Rodriguez, M. L., Werner, T. R., Becker, B., Eschenhagen, T., Hirt, M. N. Magnetics-Based Approach for Fine-Tuning Afterload in Engineered Heart Tissues. ACS Biomaterials Science & Engineering. 5 (7), 3663-3675 (2019).
- Mannhardt, I., et al. Automated Contraction Analysis of Human Engineered Heart Tissue for Cardiac Drug Safety Screening. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (122), e55461 (2017).
