אין ויטרו הערכה של הגנה שריר הלב בעקבות היפותרמיה-תנאים מקדים במודל מיוציטים לב אנושי
Summary
ההשפעות המובהק של דרגות שונות של היפותרמיה על הגנה שריר הלב לא הוערכו ביסודיות. מטרת המחקר הנוכחי הייתה לכמת את רמות המוות התאי בעקבות טיפולי היפותרמיה שונים במודל מבוסס קרדיומיוציטים אנושיים, ולהניח את היסודות למחקר מולקולרי מעמיק בעתיד.
Abstract
איסכמיה/רפרופוזיה נגזר תפקוד שריר הלב הוא תרחיש קליני נפוץ בחולים לאחר ניתוח לב. בפרט, הרגישות של קרדיומיוציטים לפגיעה איסכמית גבוהה יותר מזו של אוכלוסיות תאים אחרות. כיום, היפותרמיה מעניקה הגנה ניכרת מפני עלבון איסכמי צפוי. עם זאת, חקירות של שינויים מולקולריים מורכבים הנגרמים על ידי היפותרמיה נשארות מוגבלות. לכן, חיוני לזהות מצב תרבותי דומה תנאי vivo שיכול לגרום נזק דומה לזה שנצפה במצב הקליני באופן לשחזור. כדי לחקות תנאים דמויי איסכמיה במבחנה, התאים במודלים אלה טופלו על ידי מחסור בחמצן / גלוקוז (OGD). בנוסף, יישמנו פרוטוקול טמפרטורת זמן סטנדרטי המשמש במהלך ניתוח לב. יתר על כן, אנו מציעים גישה להשתמש בשיטה פשוטה אך מקיפה לניתוח כמותי של פגיעה בשריר הלב. אפופטוזיס ורמות ביטוי של חלבונים הקשורים אפופטוזיס הוערכו על ידי cytometry זרימה באמצעות ערכת ELISA. במודל זה, בדקנו השערה לגבי ההשפעות של תנאי טמפרטורה שונים על אפופטוזיס קרדיומיוציטים במבחנה. האמינות של מודל זה תלויה בבקרת טמפרטורה קפדנית, הליכי ניסוי הניתנים לשליטה ותוצאות ניסיוניות יציבות. בנוסף, מודל זה יכול לשמש כדי ללמוד את המנגנון המולקולרי של cardioprotection היפותרמית, אשר עשויות להיות השלכות חשובות על התפתחות טיפולים משלימים לשימוש עם היפותרמיה.
Introduction
איסכמיה/reperfusion נגזר תפקוד שריר הלב הוא תרחיש קליני נפוץ בחולים לאחר ניתוח לב1,2. במהלך זריעת זרימה נמוכה nonpulsatile ותקופות של מעצר במחזור הדם הכולל, נזק מעורבים כל סוגי תאי הלב עדיין מתרחשת. בפרט, הרגישות של קרדיומיוציטים לפגיעה איסכמית גבוהה יותר מזו של אוכלוסיות תאים אחרות. כיום, היפותרמיה טיפולית (TH) מעניקה הגנה משמעותית מפני עלבון איסכמי צפוי בחולים שעברו ניתוח לב3,4. TH מוגדר כטמפרטורת גוף ליבה של 14-34 מעלות צלזיוס, אם כי אין קונצנזוס לגבי הגדרה שלקירורבמהלך ניתוח לב 5,6,7. בשנת 2013, פאנל בינלאומי של מומחים הציע מערכת דיווח סטנדרטית כדי לסווג טווחי טמפרטורה שונים של מעצר היפותרמי מערכתי במחזור הדם8. בהתבסס על מחקרי אלקטרואנצפלוגרפיה ומטבוליזם של המוח, הם חילקו היפותרמיה לארבע רמות: היפותרמיה עמוקה (≤ 14 מעלות צלזיוס), היפותרמיה עמוקה (14.1-20 מעלות צלזיוס), היפותרמיה מתונה (20.1-28 מעלות צלזיוס) והיפותרמיה קלה (28.1-34 מעלות צלזיוס). הקונצנזוס המומחה סיפק סיווג ברור ואחיד, המאפשר למחקרים להיות דומים יותר ולספק תוצאות רלוונטיות יותר מבחינה קלינית. הגנה זו הניתנת על ידי TH מבוססת על יכולתה להפחית את הפעילות המטבולית של תאים, להגביל עוד יותר את קצב צריכת הפוספטים באנרגיה גבוהה9,10. עם זאת, התפקיד של TH בהגנה שריר הלב הוא שנוי במחלוקת, עשוי להיות השפעות מרובות בהתאם למידת ההיפותרמיה.
שריר הלב I /R ידוע להיות מלווה apoptisis תאמוגברת 11. דיווחים אחרונים הבחינו כי מוות קרדיומיוציטים מתוכנת עולה במהלך ניתוח לב פתוח, ועלול לחפוף עם נמק, ובכך להגדיל את מספר תאי שריר הלב המתים12. לכן, הפחתת אפופטוזיס קרדיומיוציטים היא גישה טיפולית שימושית בפרקטיקה הקלינית. במודל קרדיומיוציטים פרוזדוריים לעכבר HL-1, היפותרמיה טיפולית הוצגה כדי להפחית את שחרור המיטוכונדריה של ציטוכרום c וגורם גרימת אפופטוזיס (AIF) במהלך רפרופוזיה13. עם זאת, ההשפעה של הטמפרטורה בוויסות אפופטוזיס שנוי במחלוקת ונראה תלוי במידת ההיפותרמיה. קופר ועמיתיו הבחינו כי בהשוואה לקבוצת ביקורת מעקף לב-ריאה נורמותרמית, שיעור האפופטוזיס של רקמת שריר הלב מחזירים עם מעצר מחזור הדם ההיפותרמי העמוק הוגדל14. בנוסף, התוצאות של מספר מחקרים הראו כי היפותרמיה עמוקה עשויה להפעיל את מסלול האפופטוזיס, בעוד היפותרמיה פחות אגרסיבית מופיעה כדי לעכב את המסלול12,15,16. הסיבה לתוצאה זו עשויה להיות בשל השפעות מבלבלות הקשורות לפציעה איסכמית וחוסר הבנה של המנגנונים שבאמצעותם הטמפרטורה משפיעה על רקמת שריר הלב. לכן, גבולות הטמפרטורה שבהם אפופטוזיס משופר או מוחלש צריך להיות מוגדר במדויק.
כדי להשיג הבנה טובה יותר של המנגנונים הקשורים ליעילות של היפותרמיה ולספק בסיס רציונלי ליישומה בבני אדם, חיוני לזהות מצב תרבותי דומה לתנאי vivo שיכולים לייצר נזק דומה לזה שנצפה למצב הקליני באופן לשחזור. צעד חיוני להשגת מטרה זו הוא לקבוע את התנאים האופטימליים לגרימת אפופטוזיס קרדיומיוציטים. בהתאם לכך, במחקר הנוכחי חקרנו את הפרטים המתודולוגיים לגבי ניסויים בחסך חמצן-גלוקוז עם תאים מתורבתים, מודל במבחנה של איסכמיה-רפרופוזיה. יתר על כן, הערכנו את ההשפעה של זמנים היפוקסיים-איסכמיים שונים על אפופטוזיס קרדיומיוציטים, ואימתנו את ההשערה שלנו לגבי ההשפעה של תנאי טמפרטורה שונים על אפופטוזיס התא במבחנה.
Protocol
Representative Results
Discussion
המורכבות של בעלי חיים שלמים, כולל האינטראקציות בין סוגים שונים של תאים, מונעת לעתים קרובות מחקרים מפורטים של רכיבים ספציפיים של פגיעה ב- I/R. לכן, יש צורך להקים מודל תא במבחנה שיכול לשקף במדויק את השינויים המולקולריים לאחר איסכמיה ב vivo. מחקר על מודלים OGD דווח בעבר13,<sup class="xref…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומנה בחלקה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (81970265, 81900281,81700288), הקרן הלאומית למדע פוסט דוקטורט בסין (2019M651904); ותוכנית המחקר והפיתוח הלאומית של סין (2016YFC1101001, 2017YFC1308105).
Materials
| Annexin V-FITC cell apoptosis detection kit | Bio-Technology,China | C1062M | |
| Cardiac myocyte growth supplement | Sciencell,USA | 6252 | |
| Caspase 3 activity assay kit | Bio-Technology,China | C1115 | |
| Caspase 8 activity assay kit | Bio-Technology,China | C1151 | |
| DMEM, no glucose | Gibco,USA | 11966025 | |
| Dulbecco's modified eagle medium | Gibco,USA | 11960044 | |
| Fetal bovine serum | Gibco,USA | 16140071 | |
| Flow cytometry | CytoFLEX,USA | B49007AF | |
| Human myocardial cells | BLUEFBIO,China | BFN60808678 | |
| Mitochondrial membrane potential assay kit with JC-1 | Bio-Technology,China | C2006 | |
| Penicillin/Streptomycin solution | Gibco,USA | 10378016 | |
| Reactive oxygen species assay kit | Bio-Technology,China | S0033S | |
| Three-gas incubator | Memmert,Germany | ICO50 | |
| Trypsin-EDTA (0.25%) | Gibco,USA | 25200056 |
Riferimenti
- Kim, B. S., et al. Myocardial Ischemia Induces SDF-1alpha Release in Cardiac Surgery Patients. Journal of Cardiovascular Translational Research. 9 (3), 230-238 (2016).
- Klein, P., et al. Less invasive ventricular reconstruction for ischaemic heart failure. EUROPEAN JOURNAL OF HEART FAILURE. 21 (12), 1638-1650 (2019).
- Otto, K. A. Therapeutic hypothermia applicable to cardiac surgery. VETERINARY ANAESTHESIA AND ANALGESIA. 42 (6), 559-569 (2015).
- Wang, X., et al. Safety of Hypothermic Circulatory Arrest During Unilateral Antegrade Cerebral Perfusion for Aortic Arch Surgery. CANADIAN JOURNAL OF CARDIOLOGY. 35 (11), 1483-1490 (2019).
- Leshnower, B. G., et al. Moderate Versus Deep Hypothermia With Unilateral Selective Antegrade Cerebral Perfusion for Acute Type A Dissection. ANNALS OF THORACIC SURGERY. 100 (5), 1563-1568 (2015).
- Vallabhajosyula, P., et al. Moderate versus deep hypothermic circulatory arrest for elective aortic transverse hemiarch reconstruction. ANNALS OF THORACIC SURGERY. 99 (5), 1511-1517 (2015).
- Keeling, W. B., et al. Safety of Moderate Hypothermia With Antegrade Cerebral Perfusion in Total Aortic Arch Replacement. ANNALS OF THORACIC SURGERY. 105 (1), 54-61 (2018).
- Yan, T. D., et al. Consensus on hypothermia in aortic arch surgery. Annals of Cardiothoracic Surgery. 2 (2), 163-168 (2013).
- Zhou, J., Empey, P. E., Bies, R. R., Kochanek, P. M., Poloyac, S. M. Cardiac arrest and therapeutic hypothermia decrease isoform-specific cytochrome P450 drug metabolism. DRUG METABOLISM AND DISPOSITION. 39 (12), 2209-2218 (2011).
- Sharp, W. W., et al. Inhibition of the mitochondrial fission protein dynamin-related protein 1 improves survival in a murine cardiac arrest model. CRITICAL CARE MEDICINE. 43 (2), 38-47 (2015).
- Zhu, W. S., et al. Hsp90aa1: a novel target gene of miR-1 in cardiac ischemia/reperfusion injury. Sci Rep. 6, 24498 (2016).
- Castedo, E., et al. Influence of hypothermia on right atrial cardiomyocyte apoptosis in patients undergoing aortic valve replacement. Journal of Cardiothoracic Surgery. 2, 7 (2007).
- Krech, J., et al. Moderate therapeutic hypothermia induces multimodal protective effects in oxygen-glucose deprivation/reperfusion injured cardiomyocytes. Mitochondrion. 35, 1-10 (2017).
- Cooper, W. A., et al. Hypothermic circulatory arrest causes multisystem vascular endothelial dysfunction and apoptosis. ANNALS OF THORACIC SURGERY. 69 (3), 696-702 (2000).
- Kajimoto, M., et al. Selective cerebral perfusion prevents abnormalities in glutamate cycling and neuronal apoptosis in a model of infant deep hypothermic circulatory arrest and reperfusion. JOURNAL OF CEREBRAL BLOOD FLOW AND METABOLISM. 36 (11), 1992-2004 (2016).
- Liu, Y., et al. Deep Hypothermic Circulatory Arrest Does Not Show Better Protection for Vital Organs Compared with Moderate Hypothermic Circulatory Arrest in Pig Model. Biomed Research International. 2019, 1420216 (2019).
- Davidson, M. M., et al. Novel cell lines derived from adult human ventricular cardiomyocytes. JOURNAL OF MOLECULAR AND CELLULAR CARDIOLOGY. 39 (1), 133-147 (2005).
- Khan, K., Makhoul, G., Yu, B., Schwertani, A., Cecere, R. The cytoprotective impact of yes-associated protein 1 after ischemia-reperfusion injury in AC16 human cardiomyocytes. EXPERIMENTAL BIOLOGY AND MEDICINE. 244 (10), 802-812 (2019).
- Pan, J. A., et al. miR-146a attenuates apoptosis and modulates autophagy by targeting TAF9b/P53 pathway in doxorubicin-induced cardiotoxicity. Cell Death Discovery. 10 (9), 668 (2019).
- Schmitt, K. R., et al. S100B modulates IL-6 release and cytotoxicity from hypothermic brain cells and inhibits hypothermia-induced axonal outgrowth. NEUROSCIENCE RESEARCH. 59 (1), 68-73 (2007).
- Tong, G., et al. Deep hypothermia therapy attenuates LPS-induced microglia neuroinflammation via the STAT3 pathway. Neuroscienze. 358, 201-210 (2017).
- Yu, Z. P., et al. Troxerutin attenuates oxygenglucose deprivation and reoxygenationinduced oxidative stress and inflammation by enhancing the PI3K/AKT/HIF1alpha signaling pathway in H9C2 cardiomyocytes. Molecular Medicine Reports. 22 (2), 1351-1361 (2020).
- Drescher, C., Diestel, A., Wollersheim, S., Berger, F., Schmitt, K. R. How does hypothermia protect cardiomyocytes during cardioplegic ischemia. European journal of cardiothoracic surgery. 40 (2), 352-359 (2011).
- Diestel, A., Drescher, C., Miera, O., Berger, F., Schmitt, K. R. Hypothermia protects H9c2 cardiomyocytes from H2O2 induced apoptosis. Cryobiology. 62 (1), 53-61 (2011).
- Zhang, Y., et al. HIF-1alpha/BNIP3 signaling pathway-induced-autophagy plays protective role during myocardial ischemia-reperfusion injury. BIOMEDICINE & PHARMACOTHERAPY. 120, 109464 (2019).
- An, W., et al. Exogenous IL-19 attenuates acute ischaemic injury and improves survival in male mice with myocardial infarction. BRITISH JOURNAL OF PHARMACOLOGY. 176 (5), 699-710 (2019).
- Han, Y. S., Schaible, N., Tveita, T., Sieck, G. Discontinued stimulation of cardiomyocytes provides protection against hypothermia-rewarming-induced disruption of excitation-contraction coupling. EXPERIMENTAL PHYSIOLOGY. 103 (6), 819-826 (2018).
- Yarbrough, W. M., et al. Caspase inhibition attenuates contractile dysfunction following cardioplegic arrest and rewarming in the setting of left ventricular failure. Journal of cardiovascular pharmacology. 44 (6), 645-650 (2004).
- Egorov, Y. V., Glukhov, A. V., Efimov, I. R., Rosenshtraukh, L. V. Hypothermia-induced spatially discordant action potential duration alternans and arrhythmogenesis in nonhibernating versus hibernating mammals. AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY-HEART AND CIRCULATORY PHYSIOLOGY. 303 (8), 1035-1046 (2012).
- Bobi, J., et al. Moderate Hypothermia Modifies Coronary Hemodynamics and Endothelium-Dependent Vasodilation in a Porcine Model of Temperature Management. Journal of the American Heart Association. 9 (3), 014035 (2020).
- Dietrichs, E. S., Tveita, T., Myles, R., Smith, G. A novel ECG-biomarker for cardiac arrest during hypothermia. Scandinavian Journal of Trauma Resuscitation & Emergency Medicine. 28 (1), 27 (2020).
