تطوير نموذج الزراعة المشتركة للخلايا لمحاكاة نقص تروية القلب / التروية في المختبر
Summary
المسافة المكانية هي معلمة رئيسية في تقييم إصابة نقص الأكسجة / إعادة الأكسجين في نموذج الزراعة المشتركة لطبقات الخلايا البطانية وخلايا عضلة القلب المنفصلة ، مما يشير ، لأول مرة ، إلى أن تحسين البيئة المكانية للزراعة المشتركة ضروري لتوفير نموذج موات في المختبر لاختبار دور الخلايا البطانية في حماية الخلايا العضلية القلبية.
Abstract
مرض القلب الإقفاري هو السبب الرئيسي للوفاة والعجز في جميع أنحاء العالم. يسبب التروية إصابة إضافية تتجاوز نقص التروية. يمكن للخلايا البطانية (ECs) حماية الخلايا العضلية القلبية (CMs) من إصابة التروية من خلال التفاعلات بين الخلايا الخلوية. يمكن أن تساعد الثقافات المشتركة في التحقيق في دور التفاعلات بين الخلايا والخلايا. الزراعة المشتركة المختلطة هي أبسط نهج ولكنها محدودة لأن العلاجات المعزولة والتحليلات النهائية لأنواع الخلايا المفردة غير ممكنة. للتحقق مما إذا كان بإمكان ECs تخفيف تلف خلايا CM اعتمادا على الجرعة وما إذا كان يمكن تحسين هذه الحماية بشكل أكبر عن طريق تغيير مسافة الاتصال بين خطي الخلايا ، استخدمنا الخلايا البطانية للشريان التاجي الأولي للماوس والخلايا العضلية القلبية للفأر البالغ لاختبار ثلاثة أنواع من إدخالات زراعة الخلايا التي تختلف في مسافة الطبقة بين الخلايا عند 0.5 ، 1.0 ، و 2.0 مم ، على التوالي. في CMs فقط ، زادت الإصابة الخلوية كما تم تقييمها بواسطة إطلاق نازعة هيدروجيناز اللاكتات (LDH) بشكل كبير أثناء نقص الأكسجة وعند إعادة الأكسجين عندما كانت المسافة 2.0 مم مقارنة ب 0.5 و 1.0 مم. عندما كانت ECs و CMs على اتصال مباشر تقريبا (0.5 مم) ، لم يكن هناك سوى تخفيف خفيف لإصابة إعادة الأكسجين ل CMs بعد نقص الأكسجة. مع مسافة 2.0 مم ، خففت ECs إصابة CM أثناء كل من نقص الأكسجة ونقص الأكسجة / إعادة الأكسجين ، مما يشير إلى أن التباعد الثقافي الكافي ضروري ل ECs للتحدث مع CMs ، بحيث يمكن لجزيئات الإشارة المفرزة أن تدور وتحفز المسارات الوقائية بالكامل. تشير النتائج التي توصلنا إليها ، لأول مرة ، إلى أن تحسين البيئة المكانية للثقافة المشتركة بين EC / CM أمر ضروري لتوفير نموذج موات في المختبر لاختبار دور ECs في حماية CM ضد إصابة نقص التروية / التروية المحاكاة. والهدف من هذا التقرير هو توفير نهج تدريجي للمحققين لاستخدام هذا النموذج الهام لصالحهم.
Introduction
مرض نقص تروية القلب هو السبب الرئيسي للوفاة والعجز في جميع أنحاء العالم 1,2. ومع ذلك ، فإن عملية علاج التروية يمكن أن تسبب في حد ذاتها وفاة الخلايا العضلية القلبية ، والمعروفة باسم إصابة نقص تروية عضلة القلب / التروية (IR) ، والتي لا يوجد لها حتى الآن علاج فعال3. تم اقتراح الخلايا البطانية (ECs) لحماية الخلايا العضلية القلبية (CMs) من خلال إفراز إشارات paracrine ، وكذلك التفاعلات من خلية إلى خلية4.
وقد استخدمت نماذج الزراعة المشتركة للخلايا على نطاق واسع للتحقيق في دور التفاعلات بين الخلايا الأوتوتيكرين و/أو الباراكرين في وظيفة الخلية والتمايز. من بين نماذج الزراعة المشتركة ، تعد الزراعة المشتركة المختلطة هي الأبسط ، حيث يكون هناك نوعان مختلفان من الخلايا على اتصال مباشر داخل حجرة زراعة واحدة بنسبة خلية مطلوبة5. ومع ذلك ، فإن العلاجات المنفصلة بين أنواع الخلايا والتحليل النهائي لنوع خلية واحدة ليست ممكنة بسهولة نظرا للسكان المختلطين.
أشارت الدراسات السابقة إلى أن الإهانات الناقصة الأكسجة والإقفارية تسبب أضرارا كبيرة لسلامة غشاء الخلية كما تم قياسها من خلال إطلاق نازعة هيدروجيناز اللاكتات (LDH). تتفاقم هذه الإصابة عند إعادة الأكسجين ، مما يحاكي إصابة إعادة التروية6،7،8. كان الهدف من البروتوكول الحالي هو اختبار الفرضيات القائلة بأن وجود ECs يمكن أن يخفف من تسرب غشاء الخلية من CMs الناجم عن نقص الأكسجة وإعادة الأكسجين (HR) وأن التأثير الوقائي ل ECs يمكن تحسينه عن طريق تغيير مسافة الاتصال بين خطي الخلية. وهكذا ، استخدمنا ثلاثة أنواع من إدراج زراعة الخلايا والخلايا البطانية للشريان التاجي الأولي للفأر والخلايا العضلية القلبية للفأر البالغ. سمحت لنا الإدخالات ، التي تحمل علامة Corning و Merck Millipore و Greiner Bio-One ، بإنشاء ثلاثة ظروف مختلفة للتفاعل بين الخلايا مع مسافات خط بين الخلايا تبلغ 0.5 و 1.0 و 2.0 مم ، على التوالي. تم طلاء 100000 ECs لكل إدراج في كل حالة.
بالإضافة إلى ذلك ، من أجل تحديد ما إذا كانت كثافة ECs في الثقافة المشتركة تساهم في تخفيف إصابات الموارد البشرية في هذا النموذج ، درسنا العلاقة بين الجرعة والاستجابة بين تركيز EC وإطلاق LDH بواسطة CMs. تم طلاء ECs عند 25000 و 50000 و 100000 لكل إدراج ، على التوالي ، في إدراج 2.0 مم.
يقدم هذا التقرير نهجا خطوة بخطوة للمحققين لاستخدام هذا النموذج الهام لصالحهم.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوات الحاسمة في البروتوكول
تم استخدام نماذج الزراعة المشتركة للخلايا لدراسة الآليات الخلوية لحماية القلب. وبالتالي ، فإن كيفية إنشاء طبقتين منفصلتين مع مسافة ذات مغزى بينهما أمر بالغ الأهمية لتطوير نموذج مناسب للثقافة المشتركة. التحدي في دراسة محاكاة الأشعة تحت الحمراء ، ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل ، جزئيا ، من قبل وزارة شؤون المحاربين القدامى الأمريكية خدمة البحث والتطوير في المختبرات الطبية الحيوية (I01 BX003482) ومن قبل الصناديق المؤسسية ل M.L.R.
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).
