Kardiyak İskemi / Reperfüzyonu In Vitro Taklit Etmek için Bir Hücre Ko-Kültür Modelinin Geliştirilmesi
Summary
Uzamsal mesafe, ayrı endotel ve kardiyomiyosit hücre katmanlarının bir ko-kültür modelinde hipoksi / reoksijenasyon hasarının değerlendirilmesinde anahtar bir parametredir, bu da ilk kez, kardiyomiyosit korumasında endotel hücrelerinin rolünü test etmek için uygun bir in vitro model sağlamak için ko-kültür uzamsal ortamının optimize edilmesinin gerekli olduğunu düşündürmektedir.
Abstract
İskemik kalp hastalığı dünya çapında önde gelen ölüm ve sakatlık nedenidir. Reperfüzyon iskeminin ötesinde ek yaralanmalara neden olur. Endotel hücreleri (ECs), kardiyomiyositleri (CM’ler) hücre-hücre etkileşimleri yoluyla reperfüzyon hasarından koruyabilir. Ko-kültürler, hücre-hücre etkileşimlerinin rolünü araştırmaya yardımcı olabilir. Karışık bir ko-kültür en basit yaklaşımdır, ancak izole tedaviler ve tek hücre tiplerinin aşağı akış analizleri mümkün olmadığından sınırlıdır. ECs’nin CM hücre hasarını doza bağımlı olarak zayıflatıp zayıflatamayacağını ve bu korumanın iki hücre hattı arasındaki temas mesafesini değiştirerek daha da optimize edilip edilemeyeceğini araştırmak için, hücreler arası katman mesafelerinde 0.5’te değişen üç tip hücre kültürü ekini test etmek için Fare Primer Koroner Arter Endotel Hücreleri ve Yetişkin Fare Kardiyomiyositlerini kullandık. Sırasıyla 1,0 ve 2,0 mm. Sadece CM’lerde, laktat dehidrogenaz (LDH) salınımı ile değerlendirilen hücresel hasar, hipoksi sırasında ve mesafe 0.5 ve 1.0 mm’ye kıyasla 2.0 mm olduğunda reoksijenasyon sonrasında önemli ölçüde artmıştır. ECS ve CM’ler neredeyse doğrudan temas halinde olduğunda (0.5 mm), hipoksi sonrası CM’lerin reoksijenasyon hasarında sadece hafif bir zayıflama vardı. 2.0 mm mesafe ile ECs, hem hipoksi hem de hipoksi / reoksijenasyon sırasında CM yaralanmasını zayıflattı, bu da EC’lerin CM’lerle çapraz konuşması için yeterli kültür mesafesinin gerekli olduğunu gösterdi, böylece salgılanan sinyal molekülleri dolaşabilir ve koruyucu yolları tamamen uyarabilir. Bulgularımız, ilk kez, EC / CM ortak kültür mekansal ortamının optimize edilmesinin, EC’lerin simüle iskemi / reperfüzyon hasarına karşı CM korumasındaki rolünü test etmek için uygun bir in vitro model sağlamak için gerekli olduğunu göstermektedir. Bu raporun amacı, araştırmacıların bu önemli modeli kendi avantajlarına kullanmaları için adım adım bir yaklaşım sağlamaktır.
Introduction
İskemik kalp hastalığı dünya çapında önde gelen ölüm ve sakatlık nedenidir 1,2. Bununla birlikte, reperfüzyonun tedavi sürecinin kendisi, miyokard iskemisi / reperfüzyon (IR) hasarı olarak bilinen kardiyomiyosit ölümüne neden olabilir, bunun için hala etkili bir ilaç yoktur3. Endotel hücrelerinin (ECs), kardiyomiyositleri (CM’ler) parakrin sinyallerin salgılanması ve hücreden hücreye etkileşimler yoluyla koruduğu öne sürülmüştür4.
Hücre ko-kültürü modelleri, otokrin ve / veya parakrin hücre-hücre etkileşimlerinin hücre fonksiyonu ve farklılaşması üzerindeki rolünü araştırmak için yaygın olarak kullanılmıştır. Ko-kültür modelleri arasında, karışık ko-kültür, iki farklı hücre tipinin, istenen hücre oranında tek bir kültür bölmesinde doğrudan temas halinde olduğu en basitolanıdır 5. Bununla birlikte, hücre tipleri arasındaki ayrı tedaviler ve tek bir hücre tipinin aşağı akış analizi, karışık popülasyon göz önüne alındığında kolayca mümkün değildir.
Önceki çalışmalar, hipoksik ve iskemik hakaretlerin, laktat dehidrogenaz (LDH) salınımı ile ölçülen hücre zarının bütünlüğünde önemli hasara neden olduğunu göstermiştir. Bu yaralanma reoksijenasyon üzerine kötüleşirve reperfüzyon hasarı 6,7,8’i taklit eder. Mevcut protokolün amacı, EC’lerin varlığının, hipoksi ve reoksijenasyonun (HR) neden olduğu CM’lerin hücre zarı sızıntısını doza bağımlı olarak azaltabileceği ve EC’lerin koruyucu etkisinin iki hücre hattı arasındaki temas mesafesinin değiştirilmesiyle optimize edilebileceği hipotezlerini test etmekti. Bu nedenle, üç tip hücre kültürü inserti ve Fare Primer Koroner Arter Endotel Hücreleri ve Yetişkin Fare Kardiyomiyositleri kullandık. Corning, Merck Millipore ve Greiner Bio-One markalı kesici uçlar, sırasıyla 0,5, 1,0 ve 2,0 mm’lik hücreler arası hat mesafelerine sahip üç farklı hücre kültürü çapraz konuşma koşulu oluşturmamızı sağladı. Her durumda kesici uç başına 100.000 ECs kaplandı.
Ek olarak, ko-kültürdeki EC’lerin yoğunluğunun bu modelde İK hasarının zayıflamasına katkıda bulunup bulunmadığını belirlemek için, CM’ler tarafından EC konsantrasyonu ve LDH salınımı arasındaki doz-yanıt ilişkisini inceledik. ECs, 2.0 mm’lik kesici uçta kesici uç başına sırasıyla 25.000, 50.000 ve 100.000 olarak kaplandı.
Bu rapor, araştırmacıların bu önemli modeli kendi avantajlarına kullanmaları için adım adım bir yaklaşım sunmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokoldeki kritik adımlar
Kardiyoproteksiyonun hücresel mekanizmalarını incelemek için hücre ko-kültürü modelleri kullanılmıştır. Bu nedenle, aralarında anlamlı bir mesafe olan iki ayrı katmanın nasıl oluşturulacağı, uygun bir ortak kültür modelinin geliştirilmesi için çok önemlidir. Simüle edilmiş IR, yani HR, yaralanma çalışmasındaki bir zorluk, sadece iskeminin (hipoksi) kendisinin değil, aynı zamanda reperfüzyonun (reoksijenasyon) hücresel işlev bozukluğunu…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen ABD Gazi İşleri Bakanlığı Biyomedikal Laboratuvar Ar-Ge Servisi (I01 BX003482) ve M.L.R.’ye kurumsal fonlar tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Adult Mouse Cardiomyocytes (CMs) | Celprogen Inc | 11041-14 | Isolated from adult C57BL/6J mouse cardiac tissue |
| Automated Cell Counter Countess II | Invitrogen | A27977 | Cell counting for calculating cell numbers |
| Bio-Safety Cabinet | Nuaire | NU425400 | Cell culture sterile hood |
| Cell Culture Freezing Medium | Cell Biologics Inc | 6916 | Used for cell freezing for long term cell line storage |
| Cell Culture Incubator | Nuaire | Nu-5500 | To provide normal cell living condition (21%O2, 5%CO2, 74%N2, 37°C, humidified) |
| Cell Culture Incubator Gas Tank | A-L Compressed Gases | UN1013 | Gas needed for cell culture incubator |
| Cell Culture Inserts A (0.5 mm) | Corning Inc | 353095 | Used for EC-CM co-culture |
| Cell Culture Inserts B (1.0 mm) | Millicell Millipore | PIHP01250 | Used for EC-CM co-culture |
| Cell Culture Inserts C (2.0 mm) | Greiner Bio-One | 662640 | Used for EC-CM co-culture |
| Centrifuge | Anstel Enterprises Inc | 4235 | For cell culture plating and passaging |
| CMs Cell Culture Flasks T25 | Celprogen Inc | E11041-14 | Used for CMs regular culture, coated by manufacturer |
| CMs Cell Culture Medium Complete | Celprogen Inc | M11041-14S | CMs culture complete medium |
| CMs Cell Culture Medium Complete Phenol free | Celprogen Inc | M11041-14PN | CMs culture medium without phenol red used during LDH measurement |
| CMs Cell Culture Plates 96 well | Celprogen Inc | E11041-14-96well | Used for experiments of LDH measurement, coated by manufacturer |
| CMs Hypoxia Cell Culture Medium | Celprogen Inc | M11041-14GFPN | CMs cell culture under hypoxic condition (glucose- and serum-free) |
| Countess cell counting chamber slides | Invitrogen | C10283 | Counting slides used for cell counter |
| Cyquant LDH Cytotoxicity Kit | Thermo Scientific | C20301 | LDH measurement kit |
| ECs Cell Culture Flasks T25 | Fisher Scientific | FB012935 | Used for ECs regular culture |
| ECs Cell Culture Medium Complete | Cell Biologics Inc | M1168 | ECs culture complete medium |
| ECs Cell Culture Medium Complete Phenol free | Cell Biologics Inc | M1168PF | ECs culture medium without phenol red used during LDH measurement |
| ECs Cell Culture Plates 96 well | Fisher Scientific (Costar) | 3370 | Used for experiments of LDH measurement |
| ECs Culture Gelatin-Based Coating Solution | Cell Biologics Inc | 6950 | Used for coating flasks and plates for ECs |
| ECs Hypoxia Cell Culture Medium | Cell Biologics Inc | GPF1168 | ECs cell culture under hypoxic condition (glucose- and serum-free) |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Fisher Scientific | MT35011CV | FBS-HI USDA-approved for cell culture and maintenance |
| Hypoxia Chamber | StemCell Technologies | 27310 | To create a hypoxic condition with 0.01%O2 environment |
| Hypoxia Chamber Flow Meter | StemCell Technologies | 27311 | To connect with hypoxic gas tank for a consistent gas flow speed |
| Hypoxic Gas Tank (0.01%O2 Cylinder) | A-L Compressed Gases | UN1956 | Used to flush hypoxic medium and chamber (0.01%O2/5%CO2/94.99N2) |
| Microscope | Nikon | TMS | To observe cell condition |
| Mouse Primary Coronary Artery Endothelial Cells (ECs) | Cell Biologics Inc | C57-6093 | Isolated from coronary artery of C57BL/6 mice |
| NUNC 15ML CONICL Tubes | Fisher Scientific | 12565269 | For cell culture process, experiments, solution preparation etc. |
| NUNC 50ML CONICL Tubes | Fisher Scientific | 12565271 | For cell culture process, experiments, solution preparation etc. |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | D8662 | Used for cell washing during culture or experiments |
| Plate Reader | BioTek Instrument | 11120533 | Colorimetric or fluorometric plate reading |
| Reaction 96 Well Palte (clear no lid) | Fisher Scientific | 12565226 | Used for LDH measurement plate reading |
| Trypsin/EDTA for CMs | Celprogen Inc | T1509-014 | 1 x sterile filtered and tissue culture tested |
| Trypsin/EDTA for ECs | Cell Biologics Inc | 6914/0619 | 0.25%, cell cuture-tested |
References
- Hausenloy, D. J., et al. Ischaemic conditioning and targeting reperfusion injury: a 30 year voyage of discovery. Basic Research in Cardiology. 111 (6), 70 (2016).
- Hausenloy, D. J., Yellon, D. M. Myocardial ischemia-reperfusion injury: a neglected therapeutic target. The Journal of Clinical Investigation. 123 (1), 92-100 (2013).
- Gottlieb, R. A. Cell death pathways in acute ischemia/reperfusion injury. Journal of Cardiovascular Pharmacology and Therapeutics. 16 (3-4), 233-238 (2011).
- Colliva, A., Braga, L., Giacca, M., Zacchigna, S. Endothelial cell-cardiomyocyte crosstalk in heart development and disease. The Journal of Physiology. 598 (14), 2923-2939 (2020).
- Bogdanowicz, D. R., Lu, H. H. Studying cell-cell communication in co-culture. Biotechnology Journal. 8 (4), 395-396 (2013).
- Salzman, M. M., Bartos, J. A., Yannopoulos, D., Riess, M. L. Poloxamer 188 protects isolated adult mouse cardiomyocytes from reoxygenation injury. Pharmacology Research & Perspectives. 8 (6), 00639 (2020).
- Kalogeris, T., Baines, C. P., Krenz, M., Korthuis, R. J. Cell biology of ischemia/reperfusion injury. International Review of Cell and Molecular Biology. 298, 229-317 (2012).
- Martindale, J. J., Metzger, J. M. Uncoupling of increased cellular oxidative stress and myocardial ischemia reperfusion injury by directed sarcolemma stabilization. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 67, 26-37 (2014).
- vander Meer, A. D., Orlova, V. V., ten Dijke, P., vanden Berg, A., Mummery, C. L. Three-dimensional co-cultures of human endothelial cells and embryonic stem cell-derived pericytes inside a microfluidic device. Lab on a Chip. 13, 3562-3568 (2013).
- Bidarra, S. J., et al. Phenotypic and proliferative modulation of human mesenchymal stem cells via crosstalk with endothelial cells. Stem Cell Research. 7, 186-197 (2011).
- Campbell, J. J., Davidenko, N., Caffarel, M. M., Cameron, R. E., Watson, C. J. A multifunctional 3D co-culture system for studies of mammary tissue morphogenesis and stem cell biology. PloS One. 6, 25661 (2011).
- Mehes, E., Mones, E., Nemeth, V., Vicsek, T. Collective motion of cells mediates segregation and pattern formation in co-cultures. PloS One. 7, 31711 (2012).
- Miki, Y., et al. The advantages of co-culture over mono cell culture in simulating in vivo environment. The Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology. 131 (3-5), 68-75 (2012).
- Moraes, C., Mehta, G., Lesher-Perez, S. C., Takayama, S. Organs-on-a-chip: a focus on compartmentalized microdevices. Annals of Biomedical Engineering. 40 (6), 1211-1227 (2012).
- Campbell, J., Davidenko, N., Caffarel, M., Cameron, R., Watson, C. A multifunctional 3D co-culture system for studies of mammary tissue morphogenesis and stem cell biology. PLoS One. 6, 25661 (2011).
- Wu, M. H., Huang, S. B., Lee, G. B. Microfluidic cell culture systems for drug research. Lab on a Chip. 10, 939-956 (2010).
