İnsan Organotipik Kardiyak Dilimlerinin Çift Voltaj ve Kalsiyum Optik Haritalaması ile Preklinik Kardiyak Elektrofizyoloji Değerlendirmesi
Summary
Bu protokol, preklinik ilaç testi için insan kardiyak dilimlerinin kesilmesi ve kültüre edilmesi prosedürünü açıklar ve bu dilimlerden aynı anda transmembran voltajı ve hücre içi kalsiyum sinyallerini kaydetmek için optik haritalamanın kullanımını ayrıntılarıyla açıklar.
Abstract
İnsan kardiyak dilim preparatları son zamanlarda hayvan ve klinik çalışmalar arasındaki boşluğu köprü için insan fizyolojisi çalışmaları ve tedavi testleri için bir platform olarak geliştirilmiştir. Çok sayıda hayvan ve hücre modelleri ilaçların etkilerini incelemek için kullanılmıştır, ancak bu tepkiler genellikle insanlarda farklıdır. İnsan kardiyak dilimleri doğrudan canlı insan kalplerinden türetilmiştir bu ilaç testi için bir avantaj sunuyoruz. Korunmuş çok hücreli yapılara sahip olmanın yanı sıra, hücre-hücre kaplini ve hücre dışı matriks ortamları, insan kardiyak doku dilimleri doğrudan yetişkin insan kardiyak fizyolojisi üzerinde sayısız ilaçların etkisini test etmek için kullanılabilir. Bu modeli tüm kalpler veya takozlar gibi diğer kalp preparatlarından ayıran şey, dilimlerin uzun vadeli kültüre maruz kalınmasıdır. Bu nedenle, kardiyak dilimleri ilaçların akut yanı sıra kronik etkileri incelenmesi için izin verir. Ayrıca, tek bir kalpten birkaç yüz bin dilim toplamak için yeteneği bu aynı anda diğer ilaçlar ile değişen konsantrasyonlarda ve kombinasyonları çeşitli ilaçlar test etmek için yüksek iş yapma modeli yapar. Dilimler kalbin herhangi bir bölgesinden hazırlanabilir. Bu protokolde, sol ventrikül serbest duvardan doku küpleri izole ve yüksek hassasiyetli titreşimli mikrotom kullanarak dilimler halinde kesitler halinde keserek sol ventrikül dilimleri hazırlanması nı açıklıyoruz. Bu dilimler daha sonra ya temel kardiyak elektrofizyolojik fonksiyonu ölçmek için akut deneylere tabi tutulabilir ya da kronik ilaç çalışmaları için kültürlü. Bu protokol aynı zamanda, araştırılan ilaçların etkilerini belirlemek için transmembran potansiyellerinin ve hücre içi kalsiyum dinamiğinin eşzamanlı kayıtları için kardiyak dilimlerin çift optik haritalamasını da açıklamaktadır.
Introduction
Hayvan modelleri insan fizyolojisi ve patofizyolojisi altta yatan mekanizmaları anlamak için kullanılan değerli bir araç olmuştur, hem de çeşitli hastalıkların tedavisinde tedavilerin ön test için bir platform1. Büyük adımlar bu hayvan çalışmaları 2 dayalı biyomedikal araştırma2alanında alınmıştır. Ancak, fareler, sıçanlar, kobaylar, tavşanlar, koyun, domuzlar ve köpekler3,4dahil olmak üzere insan ve hayvan fizyolojisi arasında önemli türler arası farklılıklar vardır. Sonuç olarak, çok sayıda ilaç olmuştur, gen, ve hayvan test aşamasında umut gösterdi hücre tedavileri ama klinik çalışmalarda sonuçlara kadar yaşamak için başarısızoldu 5. Bu boşluğu kapatmak için, izole kardiyak miyositler ve insan kaynaklı pluripotent kök hücreler (iPSCs) çeşitli ilaçlar ve hastalıklara insan fizyolojisi yanıtını test etmek için model olarak geliştirilmiştir6. Kök hücre kaynaklı kardiyomiyositler yaygın kalp bir vekil olarak organ-on-a-chip sistemlerinde kullanılmaktadır6,7,8. Ancak, iPSC kaynaklı kardiyomiyositlerin (iPSC-CMs) yararlılığı göreceli olarak olgunlaşmamış fenotipve kardiyomiyosit alt popülasyonunun temsil eksikliği ile engellenir; olgun miyokardiyum fibroblastlar, nöronlar, makrofajlar ve endotel hücreleri gibi birkaç birlikte hücre tiplerinden oluşan karmaşık bir yapıdır. Diğer taraftan, izole insan kardiyomiyositleri elektriksel olarak olgundur ve farklı kardiyomiyosit alt popülasyonları99. Yine de, bu miyositler genellikle hücre-hücre kaplin eksikliği nedeniyle değişmiş eylem potansiyeli morfolojileri sergilemek, hızlı de-farklılaşma, ve in vitro proaritmik davranış oluşumu10,11. Bazı sınırlamalar iPSC-CM’ler ve kardiyak miyositlerin 3D hücre kültürü modelleri ile ele alınmıştır. Küresel balıklar, hidrojel iskelesi kapsüllü 3D kültürler, mühendislik kalp dokuları (EHTs) ve kalp-on-a-chip sistemleri içeren bu modeller, kardiyomiyositler gibi birden fazla kardiyak hücre popülasyonları kullanın, fibroblastlar, ve endotel hücreleri. Ya kendi kendine monte ya da 3D yapılar oluşturmak için bir iskele boyunca monte, ve hatta bazı miyokardin karmaşık anizotropik doğasını çoğaltmak. Bu modellerin olgun fenotip, kontraktil özellikleri ve kardiyak dokuya benzer moleküler profillere sahip olduğu bildirilmiştir. Kalp-on-a-chip sistemi de ilaç testi ve hastalık modellerinde sistemik etkileri çalışma sağlar. Ancak, in vitro hücre tabanlı modeller yerli ekstrasellüler matris eksikliği ve bu nedenle doğru organ düzeyinde elektrofizyoloji taklit edemez. Buna karşılık, insan kardiyak dilimleri, bozulmamış bir hücre dışı matris ve yerli hücre-hücre temasları var, daha doğru insan miyokardiyum aritmiojenik özelliklerini incelemek için yararlı hale.
Araştırmacılar akut ve kronik ilaç testi için fizyolojik bir preklinik platform olarak insan kardiyak organotipik dilimler geliştirdik ve kardiyak elektrofizyoloji ve kalp hastalığı ilerlemesi12çalışma,13,14,15,16,17,18,19. iPSC türetilmiş kardiyomiyositler ile karşılaştırıldığında, insan kardiyak dilimleri daha sadakatle olgun bir kardiyomiyosit fenotip ile yetişkin insan kardiyak elektrofizyoloji çoğaltmak. İzole insan kardiyomiyositleri ile karşılaştırıldığında, kardiyak dilimler iyi korunmuş hücre-hücre kaplini ve doğal hücre içi ve hücre dışı ortamların içsel varlığı nedeniyle fizyolojik etki potansiyel süreleri sergilerler.
Bu protokol, tüm donör kalplerden insan kardiyak dilimleri üretme, optik haritalama yoluyla kardiyak elektrofizyoloji parametrelerini test etmek için akut (yani, saatler süren) ve kronik (yani günler boyu) çalışmalar yapma sürecini tanımlar. Bu protokol sadece sol ventrikül (LV) dokusunun kullanımını açıklarken, başarıyla kalbin diğer bölgelerinyanı sıra fareler, sıçanlar, kobay gibi diğer türler için uygulanmıştır ve domuz14,20,21,22. Laboratuvarımız son 5 yıldır transplantasyon için reddedilen tüm insan donör kalplerini kullanmektedir, ancak dokular küpler halinde kesitlenme yeteneğine sahip olduğu sürece, alternatif yollarla elde edilen herhangi bir donör kalp örnek dokuları (örneğin, sol ventriküler yardımcı cihaz [LVAD] implantasyonları, biyopsiler, miektomies) üzerinde aynı işlemlerin yapılması mümkündür. Optik haritalama, yüksek uzamsal (100 x 100 piksel) ve zamansal (>1.000 kare/s) çözünürlüğe sahip optik eylem potansiyellerini ve kalsiyum geçicilerini eş zamanlı olarak haritalama kapasitesi nedeniyle bu çalışmada analiz için kullanılmaktadır. Çoklu elektrot dizileri (MEA) veya mikroelektrotlar gibi alternatif yöntemler de kullanılabilir, ancak bu teknikler nispeten düşük uzamsal çözünürlükleri ile sınırlıdır. Ayrıca, MEAs hücre kültürleri ile kullanılmak üzere tasarlanmıştır, ve keskin mikroelektrotlar daha kolay tüm kalpleri veya büyük doku takozları ile kullanılmak üzere yönetilir.
Makalenin amacı, daha fazla araştırmacının kardiyak elektrofizyoloji çalışmaları için insan kalp dokularını kullanmasını sağlamaktır. Bu makalede açıklanan teknoloji nispeten basit ve kısa vadeli çalışmalar için yararlı olduğu unutulmamalıdır (gün birkaç saat sırayla). Uzun vadeli çalışmalar için daha fizyolojik biyomimetik kültür (hafta sırasına göre) tartışıldı ve diğer çalışmaların bir dizi tarafından açıklanan12,18,23. Elektriksel stimülasyon, mekanik yükleme ve doku germe in vitro doku remodelling başlangıcını sınırlamak yardımcı olabilir avantajlı klima mekanizmalarıvardır 12,18,23.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, kardiyoplegically tutuklanmış insan kalplerinden canlı kardiyak dilimler elde etmek ve transmembran potansiyeli ve hücre içi kalsiyumun çift optik haritalamasını kullanarak dilimleri işlevsel olarak karakterize etmek için adım adım yöntemler salıyoruz. Korunmuş hücre dışı ortam ve yerli hücre-hücre kaplini ile, insan kardiyak dilimleri temel bilimsel keşif ve farmakolojik ajanlar ve gen tedavileri etkinliği ve kardiyotoksisite testi için insan kalbinin doğru bir model olarak kullanılabil…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
LEDUCQ vakfı (rhythm projesi) ve Amerikan Kalp Derneği Doktora Sonrası Bursu (19POST343370122) tarafından NIH (r21 EB023106, R44 HL139248 ve R01 HL126802 hibe) tarafından finanse edilmektedir.
Materials
| 1mL BD Syringe | Thomas Scientific | 309597 | |
| 2,3-butanedione monoxime | Sigma-Aldrich | B0753 | |
| 6 well culture plates | Corning | 3516 | |
| Biosafety cabinet | ThermoFisher Scientific | 1377 | |
| Blebbistatin | Cayman | 13186 | |
| Bubble Trap | Radnoti | 130149 | |
| Calcium chloride | Sigma-Aldrich | C1016 | |
| Corning Cell Strainers | Fisher Scientific | 07-201-432 | |
| Di-4-ANEPPS | Biotium | stock solution at 1.25 mg/mL in DMSO | |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D2650 | |
| Dumont #3c Forceps | Fine Science Tools | 11231-20 | |
| Emission dichroic mirror | Chroma | T630LPXR-UF1 | |
| Emission filter (RH237) | Chroma | ET690/50m | |
| Emission Filter (Rhod2AM) | Chroma | ET590/33m | |
| Excitation dichroic mirror | Chroma | T550LPXR-UF1 | |
| Excitation Filter | Chroma | ET500/40x | |
| Falcon 50mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-959-49A | |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | |
| Heat exchanger | Radnoti | 158821 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| Incubator | ThermoFisher Scientific | 50145502 | |
| Insulin Transferrin Selenium (ITS) | Sigma-Aldrich | I3146 | |
| LED excitation light source | Prizmatix | UHP-Mic-LED-520 | |
| Magnessium chloride hexahydrate | Sigma-Aldrich | M9272 | |
| Medium 199 | ThermoFisher Scientific | 11150059 | |
| Micam Ultima L type CMOS camera | Scimedia | N/A | |
| Minutien Pins | Fine Science Tools | 26002-10 | |
| Pennicillin-Streptomycin | Sigma-Aldrich | P4333 | |
| Peristaltic Pump | Cole Parmer | EW-07522-20 | |
| Platinum pacing wire | Alfa Aesar | 43275 | |
| Pluronic F127 | ThermoFisher Scientific | P6867 | nonionic, surfactant polyol |
| Potassium chloride | Sigma-Aldrich | P3911 | |
| Powerlab data acquisition and stimulator | AD Instruments | Powerlab 4/26 | |
| RH237 | Biotium | 61018 | |
| Rhod2AM | ThermoFisher Scientific | R1245MP | |
| Rhod-2AM | Invitrogen, Carlsbad, CA | ||
| Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S6014 | |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S9625 | |
| Sterilizer, dry bead | Sigma-Aldrich | Z378550 | |
| Stone Oxygen Diffuser | Waterwood | B00O0NUVM0 | |
| TissueSeal – Histoacryl Topical Skin Adhesive | gobiomed | AESCULAP | |
| UltraPure Low Melting Point Agarose | Thermo Fisher Scientific | 16520100 | |
| Ultrasound sonicator | Branson 1800 | ||
| Vibratome | Campden Instruments | 7000 smz |
Referencias
- Ericsson, A. C., Crim, M. J., Franklin, C. L. A brief history of animal modeling. Missouri Medicine. 110 (3), 201-205 (2013).
- Choudhary, A., Ibdah, J. A. Animal models in today’s translational medicine world. Missouri Medicine. 110 (3), 220-222 (2013).
- Perlman, R. L. Mouse models of human disease: An evolutionary perspective. Evolution, Medicine, and Public Health. 2016 (1), 170-176 (2016).
- Milani-Nejad, N., Janssen, P. M. L. Small and large animal models in cardiac contraction research: advantages and disadvantages. Pharmacology & Therapeutics. 141 (3), 235-249 (2014).
- Green, A. R. Why do neuroprotective drugs that are so promising in animals fail in the clinic? An industry perspective. Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology. 29 (11), 1030-1034 (2002).
- Shinnawi, R., Gepstein, L. iPCS cell modeling of inherited cardiac arrhythmias. Current Treatment Options in Cardiovascular Medicine. 16 (9), 331 (2014).
- Morimoto, Y., Mori, S., Sakai, F., Takeuchi, S. Human induced pluripotent stem cell-derived fiber-shaped cardiac tissue on a chip. Lab on a Chip. 16 (12), 2295-2301 (2016).
- Wang, G., et al. Modeling the mitochondrial cardiomyopathy of Barth syndrome with induced pluripotent stem cell and heart-on-chip technologies. Nature Medicine. 20 (6), 616-623 (2014).
- Ben-Ari, M., et al. Developmental changes in electrophysiological characteristics of human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Heart Rhythm. 13 (12), 2379-2387 (2016).
- Goversen, B., van der Heyden, M. A. G., van Veen, T. A. B., de Boer, T. P. The immature electrophysiological phenotype of iPSC-CMs still hampers in vitro drug screening: Special focus on IK1. Pharmacology & Therapeutics. 183, 127-136 (2018).
- Zhang, Y., et al. Dedifferentiation and proliferation of mammalian cardiomyocytes. PloS One. 5 (9), 12559 (2010).
- Watson, S. A., et al. Biomimetic electromechanical stimulation to maintain adult myocardial slices in vitro. Nature Communications. 10, 2168 (2019).
- Fischer, C., et al. Long-term functional and structural preservation of precision-cut human myocardium under continuous electromechanical stimulation in vitro. Nature Communications. 10, 117 (2019).
- Ou, Q., et al. Physiological Biomimetic Culture System for Pig and Human Heart Slices. Circulation Research. 125 (6), 628-642 (2019).
- Qiao, Y., et al. Multiparametric slice culture platform for the investigation of human cardiac tissue physiology. Progress in Biophysics and Molecular Biology 2. 144, 139-150 (2019).
- Kang, C., et al. Human Organotypic Cultured Cardiac Slices: New Platform For High Throughput Preclinical Human Trials. Scientific Reports. 6, 28798 (2016).
- Camelliti, P., et al. Adult human heart slices are a multicellular system suitable for electrophysiological and pharmacological studies. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 51 (3), 390-398 (2011).
- Brandenburger, M., et al. Organotypic slice culture from human adult ventricular myocardium. Cardiovascular Research. 93 (1), 50-59 (2012).
- Watson, S. A., et al. Preparation of viable adult ventricular myocardial slices from large and small mammals. Nature Protocols. 12 (12), 2623-2639 (2017).
- Halbach, M., et al. Ventricular slices of adult mouse hearts – A new multicellular in vitro model for electrophysiological studies. Cellular Physiology and Biochemistry. 18 (1-3), 1-8 (2006).
- Wang, K., et al. Cardiac tissue slices: preparation, handling, and successful optical mapping. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 308 (9), 1112-1125 (2015).
- Bussek, A., et al. Cardiac tissue slices with prolonged survival for in vitro drug safety screening. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 66 (2), 145-151 (2012).
- Watson, S. A., Terracciano, C. M., Perbellini, F. Myocardial Slices: an Intermediate Complexity Platform for Translational Cardiovascular Research. Cardiovascular Drugs and Therapy. 33 (2), 239-244 (2019).
- Rouwkema, J., Koopman, B. F. J. M., Blitterswijk, C. A. V., Dhert, W. J. A., Malda, J. Supply of nutrients to cells in engineered tissues. Biotechnology and Genetic Engineering Reviews. 26 (1), 163-178 (2009).
- Lang, D., Sulkin, M., Lou, Q., Efimov, I. R. Optical mapping of action potentials and calcium transients in the mouse heart. Journal of Visualized Experiments. (55), e3275 (2011).
- Brianna, C., et al. Open-Source Multiparametric Optocardiography. Scientific Reports. 9, 721 (2019).
- George, S. A., et al. Modulating cardiac conduction during metabolic ischemia with perfusate sodium and calcium in guinea pig hearts. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 316 (4), 849-861 (2019).
- Kawara, T., et al. Activation delay after premature stimulation in chronically diseased human myocardium relates to the architecture of interstitial fibrosis. Circulation. 104 (25), 3069-3075 (2001).
- Qu, Y., et al. Action potential recording and pro-arrhythmia risk analysis in human ventricular trabeculae. Frontiers in Physiology. 5 (8), 1109 (2018).
- Franz, M. R., Swerdlow, C. D., Liem, L. B., Schaefer, J. Cycle length dependence of human action potential duration in vivo. Effects of single extrastimuli, sudden sustained rate acceleration and deceleration, and different steady-state frequencies. Journal of Clinical Investigation. 82 (3), 972-979 (1988).
- Lou, Q., et al. Transmural heterogeneity and remodeling of ventricular excitation- contraction coupling in human heart failure. Circulation. 123 (17), 1881-1890 (2011).
