Generation av murina hjärtstimulator cellaggregat Baserat på ES-cell-programmering i kombination med Myh6-promotor-Val
Summary
Detta protokoll beskriver hur man producerar funktionell sinus nodal vävnad från murina pluripotenta stamceller (PSC). T-Box3 (TBX3) uttryck plus kardiomyosin-tung kedja (Myh6) promotor antibiotikaselektion leder till mycket rena pacemaker cellaggregat. Dessa "Inducerade-sinoatriellt-organ" ("ISAbS") innehåller över 80% pacemakerceller, visar starkt ökad beating hastigheter och kan takten myokardiet ex vivo.
Abstract
Behandling av "sick sinus syndrom" är baserad på artificiella pacemakers. Dessa bär risker som batterifel och infektioner. Dessutom saknar de hormon lyhördhet och den totala proceduren är kostnadskrävande. "Biologiska pacemakrar" som genereras från PSC: er kan bli ett alternativ, men den typiska halten av pacemakerceller i Embryoid organ (EBS) är extremt låg. Den beskrivna protokollet kombinerar "framåt programmering" av murina PSC via sinusknutan inducerare TBX3 med Myh6-promotor baserad antibiotikaselektion. Detta ger cardiomyocyte aggregat konsekventa av> 80% fysiologiskt funktionella pacemakerceller. Dessa "inducerade-sinoatriellt-organ" ("ISAbS") är spontant upphandlande vid ännu onådda frekvenser (400-500 bpm) motsvarande knutpunkter celler isolerade från mus hjärtan och kan stimulera murina hjärtmuskeln ex vivo. Använda beskrivna protokollet högren sinusknutpunkter enskilda celler kan genereras som t.ex. kan användas för in vitro-drogtestning. Vidare kan ISAbS genererade enligt detta protokoll blir ett avgörande steg mot hjärtvävnadsteknik.
Introduction
Termen "sick sinus syndrom" sammanfattar flera sjukdomar som leder till försämring av hjärtpacemakersystem. Den består av patologisk, symptomatisk sinusbradykardi, sinoatriellt block, sinusstillestånd liksom takykardi-bradykardi syndrom. Därmed är en "sick sinus syndrom" ofta åtföljs av allmänna hjärtsjukdomar såsom en ischemisk hjärtsjukdom, kardiomyopati eller myokardit. För närvarande, är terapeutiska metoder baserade på implantation av elektriska pacemakers. Men går detta tillsammans med ett antal risker såsom infektioner och batterifel. Sammantaget är förekomsten av komplikationer fortfarande mycket hög hos patienter med implanterade en artificiell pacemaker. Vidare, i motsats till den endogena pacemaker, dessa anordningar inte svarar på hormonstimulering.
Ett framtida alternativ kan åberopa att det finns "biologiska pacemakers" för vilka gemensamma kontaktpunkter kunde tjänasom en lämplig cellulär källa, och som skulle också vara mycket värdefulla för in vitro-drogtestning. Ändå ett stort problem ligger i den mycket sällsynta utseende sinus nodal celler inom embryoidkroppar (EBS) – detta normalt inte överstiger ~ 0,5% 1.
Tidigare har det visat sig att "framåt programmering" mot specifika cardiomyocyte subtyper är genomförbart via överuttryck av distinkta tidiga kardiovaskulära transkriptionsfaktorer såsom mesoderm specifika-posterior 1 (MesP1) och NK2 transkriptionsfaktor relaterade, locus 5 (Nkx2.5) 2, 3. För normal storlek och funktion sinusknutan (SAN), är T-box transkriptionsfaktor Tbx3 avgörande, som har visat att initiera pacemakern genen programmet och för att kontrollera differentiering av SAN 4. Medan denna förbättrade utseendet av funktionella pacemakerceller, innehållet fortfarande inte översteg ~ 40% inom hela cardiomyocytic cellpopulationen.
Därför gjordes en extra Myh6-promotor baserad antibiotikaselektion steg 5 införs genom oss. Detta leder i slutändan till ännu obemärkt cardiomyocyte aggregat ("inducerade sinoatriellt organ;" ISAbS ") som uppvisar mycket ökade slå frekvenser (> 400 bpm) in vitro, för första gången som närmar de av en mus hjärta och jämförbar med in vitro-odlade sinus nodal celler som isolerats från en mus hjärta 6. Under Isoprenalin administrationen ens slå frekvenser av 550 bpm uppnås. Noterbart ISAbS består av över 80% funktionella nodala celler som framgår av omfattande fysiologiska analyser 7. Nyligen, flera metoder att generera sinus nodal celler med direkt omprogrammering 19, markörer ytan 14 eller farmakologisk behandling med små molekyler 16,17 beskrevs. Ändå har ingen av dessa metoder har lett till en sådan hög renhet av pacemakerceller och slå frekvenser nära den murina hankonst som observerats i ISAbS.
Dessutom i en ex vivo-modell av odlade vuxen mus ventrikulär skivor som har förlorat sin spontana stryk aktivitet, de ISAbS är kapabla att integreras i den del vävnaden och därmed kvar spontant aktiva och robust pacing hjärtat skivor till sammandragningar 7. En detaljerat protokoll för generering av dessa ISAbS beskrivs i detta dokument.
Protocol
Representative Results
Discussion
Förmågan att producera stamcells härledda pacemaker celler kan tillåta beredning av rätt hjärtrytmen i betydelsen "biologiska pacemakers". Likaså kommer drogtestning in vitro dra nytta av deras tillgänglighet. PSC: er kan ge upphov till någon celltyp av däggdjurskroppen inklusive kardiomyocyter med pacemaker cellegenskaper 8,9,10,11,12,13. Men vanligtvis cellpopulationer inom "Embryoid organ" är mycket heterogen, vilket oundvikligen leder till kravet på tillförlitliga strategi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Materials
| Name of the Material/Equipment | Company | Catalog Number |
| Iscove's liquid medium with stable glutamine | Biochrom AG | FG 0465 |
| DMEM liquid medium without Na-pyruvate, with stable glutamine | Biochrom AG | FG 0435 |
| CLS type IV, CLS IV | Biochrom AG | C4-22 |
| Non-essential amino acids | Biochrom AG | K 0293 |
| FBS Superior | Biochrom AG | S 0615 |
| Sodium pyruvate (100 mM) | Biochrom AG | L 0473 |
| G 418-BC liquid (ready-to-use solution), sterile | Biochrom AG | A 2912 |
| Reagent reservoir PP f.multichannel pip. 60ml,sterile | Brand | 703409 |
| Accutase | eBioscience,Inc. | 00-4555-56 |
| Eppendorf Xplorer/Xplorer plus, electronic pipette | Eppendorf | 4861000155 |
| Falcon Cell Strainer 40µm | Falcon | 352340 |
| Penicillin/Streptomycin | GE Healthcare | P11-010 |
| Petri Dishes | Greiner BioOne | 663102 |
| DPBS without Ca and Mg | PAN-Biotech | P04-36500 |
| Fetal bovine serum | PAN-Biotech | P30-3302 |
| Leukemia inhibitory factor | Phoenix Europe GmbH | LIF-250 |
| Quadratic petri dishes | Roth | PX67.1 |
| Gelatin from cold water fish skin | SigmaAldrich | G7765 |
| 2-Mercaptoethanol | SigmaAldrich | M3148 |
| 1-Thioglycerol | SigmaAldrich | M6145 |
| Tissue culture dishes | TPP | 93100 |
| Tissue culture flask | TPP | 90076 |
| Tissue culture test plates (24 well) | TPP | 92424 |
References
- Wobus, A. M., Wallukat, G., Hescheler, J. Pluripotent mouse embryonic stem cells are able to differentiate into cardiomyocytes expressing chronotropic responses to adrenergic and cholinergic agents and Ca2+ channel blockers. Differentiation. 48 (3), 173-182 (1991).
- David, R., et al. MesP1 drives vertebrate cardiovascular differentiation through Dkk-1-mediated blockade of Wnt-signalling. Nat Cell Biol. 10, 338-345 (2008).
- David, R., et al. Forward programming of pluripotent stem cells towards distinct cardiovascular cell types. Cardiovasc Res. 84 (2), 263-272 (2009).
- Hoogaars, W. M., et al. Tbx3 controls the sinoatrial node gene program and imposes pacemaker function on the atria. Genes Dev. 21 (9), 1098-1112 (2007).
- Klug, M. G., Soonpaa, M. H., Koh, G. Y., Field, L. J. Genetically selected cardiomyocytes from differentiating embronic stem cells form stable intracardiac grafts. J Clin Invest. 98 (1), 216-224 (1996).
- Marger, L., et al. Pacemaker activity and ionic currents in mouse atrioventricular node cells. Channels (Austin). 5 (3), 241-250 (2011).
- Jung, J. J., et al. Programming and isolation of highly pure physiologically and pharmacologically functional sinus-nodal bodies from pluripotent stem cells). Stem cell reports. 2 (5), 592-605 (2014).
- Maltsev, V. A., Wobus, A. M., Rohwedel, J., Bader, M., Hescheler, J. Cardiomyocytes differentiated in vitro from embryonic stem cells developmentally express cardiac-specific genes and ionic currents. Circulation research. 75 (2), 233-244 (1994).
- He, J. Q., Ma, Y., Lee, Y., Thomson, J. A., Kamp, T. J. Human embryonic stem cells develop into multiple types of cardiac myocytes: action potential characterization. Circ Res. 93 (1), 32-39 (2003).
- Yanagi, K., et al. Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channels and T-type calcium channels confer automaticity of embryonic stem cell-derived cardiomyocytes. Stem cells. 25 (11), 2712-2719 (2007).
- Barbuti, A., et al. Molecular composition and functional properties of f-channels in murine embryonic stem cell-derived pacemaker cells. J Mol Cell Cardiol. 46 (3), 343-351 (2009).
- Ma, J., et al. High purity human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes: electrophysiological properties of action potentials and ionic currents. American journal of physiology. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 301 (5), H2006-H2017 (2011).
- David, R., Franz, W. M. From pluripotency to distinct cardiomyocyte subtypes. Physiology (Bethesda). 27 (3), 119-129 (2012).
- Scavone, A., et al. Embryonic stem cell-derived CD166+ precursors develop into fully functional sinoatrial-like cells). Circ Res. 113 (4), 389-398 (2013).
- Morikawa, K., et al. Identification, isolation and characterization of HCN4-positive pacemaking cells derived from murine embryonic stem cells during cardiac differentiation. Pacing Clin Electrophysiol. 33 (33), 290-303 (2010).
- Wiese, C., et al. Formation of the sinus node head and differentiation of sinus node myocardium are independently regulated by Tbx18 and Tbx3. Circ Res. 104 (3), 388-397 (2009).
- Kleger, A., et al. Modulation of calcium-activated potassium channels induces cardiogenesis of pluripotent stem cells and enrichment of pacemaker-like cells. Circulation. 122 (18), 1823-1836 (2010).
- Bakker, M. L., et al. T-box transcription factor TBX3 reprogrammes mature cardiac myocytes into pacemaker-like cells. Cardiovasc Res. 94 (3), 439-449 (2012).
- Kapoor, N., Liang, W., Marban, E., Cho, H. C. Direct conversion of quiescent cardiomyocytes to pacemaker cells by expression of Tbx18. Nat Biotechnol. 31 (1), 54-62 (2013).
- Johns, D. C., et al. Adenovirus-mediated expression of a voltage-gated potassium channel in vitro (rat cardiac myocytes) and in vivo (rat liver). A novel strategy for modifying excitability. J Clin Invest. 96 (2), 1152-1158 (1995).
- Nuss, H. B., Marban, E., Johns, D. C. Overexpression of a human potassium channel suppresses cardiac hyperexcitability in rabbit ventricular myocytes. J Clin Invest. 103 (6), 889-896 (1999).
