Murine 모델에서 심근 경색 후 MSC 로딩 주사용 하이드로겔의 자궁 내 이식
Summary
줄기 세포 기지를 둔 치료는 심근 경색 후에 부상당한 심장 조직을 복구하는 능률적인 전략으로 부상했습니다. 우리는 효소적으로 교차 연결 될 수있는 젤라틴 하이드로 겔을 사용하여 줄기 세포 이식에 대한 최적의 생체 내 응용 프로그램을 제공합니다.
Abstract
포스트인파르트 심부전을 예방하기 위한 현재 심장 줄기 세포 치료법에 직면한 주요 문제 중 하나는 부상당한 심근 내의 이식된 세포의 낮은 유지율과 생존율이 치료 효능을 제한하는 것입니다. 최근에는 스캐폴딩 생체 재료의 사용이 줄기 세포 치료제를 개선하고 극대화하는 데 주목받고 있습니다. 이 프로토콜의 목적은 주사용 하이드록시페닐 프로피온산(GH) 하이드로겔을 사용하여 골수 유래 중간엽 줄기 세포(MSC)를 이식하는 간단하고 간단한 기술을 도입하는 것입니다. 하이드로겔은 시투에서 교차 연결되는 능력과 높은 생체 적합성으로 인해 심장 조직 엔지니어링 응용 을 위한 세포 전달 플랫폼으로서 유리합니다. 우리는 MSC 로딩 GH 하이드로겔 (MSC/하이드로겔)을 제조하고 체외 배양에서 3차원 (3D)에서 생존과 증식을 평가하는 간단한 방법을 제시합니다. 또한, 마우스에서 MSC/하이드로겔의 자궁내 이식 기술을 시연하여 왼쪽 전방 내림차순(LAD) 관상 동맥 결찰 및 후속 MSC/하이드로겔 이식을 통해 심근 경색(MI)을 유도하는 수술 절차를 설명하고 있습니다.
Introduction
심장 줄기 세포 치료는 심근 수리 및 재생1,2에대한 잠재적 인 접근법으로 부상하고있다. 최근 동물모델 및 임상시험에서 양성결과에도 불구하고 심근수리를 위한 줄기세포 기반 요법의 적용은 극각심장조직에서 주입된 세포의 생존율이 낮고 생존율이낮아서3,4. 그 결과, 주사용 생체재료5,심장 패치6,세포시트7을포함한 세포 기반 조직 공학의 사용은 숙주 심근 내의 세포 보존 및 통합을 개선하기 위해 집중적으로 연구되고 있다.
생체 공학 심장 조직 수리에 대한 다양한 잠재적 접근법 중, 관해 줄기 세포 (MSC), 배아 줄기 세포 (ESC), 유도 만능 줄기 세포 (iPSC)와 같은 적절한 세포 유형과 결합 된 주사용 하이드로겔은 심근 부위에 세포를 효과적으로 전달하는 매력적인옵션입니다 8,9. 잘 알려진 천연 폴리머인 젤라틴은 생체 적합성, 상당한 생분해성 및 생체 의학 응용 분야에서 사용되는 광범위한 생체 재료와 비교할 때 면역원성을 감소시키기 때문에 주사용 매트릭스로 사용할 수 있습니다. 젤라틴 기반 주 사용 플랫폼은 큰 잠재력을 가지고 있지만, 생체 내의 적용성은 낮은 기계적 강성과 생리 환경에서 쉽게 저하성에 따라 제한된 남아있다.
이러한 한계를 극복하기 위해 하이드록시페닐 프로피온산으로 구성된 젤라틴 기반 하이드로겔의 참신하고 간단한 디자인이 생체 내 적용을 위해 제안되었습니다. 젤라틴-하이드록시페닐 프로피오닉산(GH) 컨쥬게이트는 효소, 고추냉이 과산화효소(HRP)의 존재 시정에서 교차연결될 수 있으며, 그 후 하이드로겔 내의 다양한 약물, 생체분자또는 세포를 캡슐화하여 조직 공학 응용 분야에서 큰 잠재력을시사한다. 또한, 최근 캡슐화된 MSC를 함유한 GH 하이드로겔의 치료 효과를 조사하고, 뮤린모델(15)에서MI 후 성공적인 심장 수리 및 재생에 대한 사용을 입증하였다. 이 프로토콜에서, 우리는 GH 하이드로겔 내의 캡슐화 및 체외 3차원 (3D) 증식을 위한 간단한 기술을 설명합니다. 또한 관상 동맥 결찰및 MSC 로딩 GH 하이드로겔의 자궁 내 이식을 통해 뮤린 MI 모델을 생성하도록 설계된 외과 적 수술을 원각 심장으로 소개합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
주사용 GH 하이드로겔은 상균하게 시상에 다양한 치료제를 통합하는 능력 때문에 생체 내 응용 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 또한, 그들의 물리적 및 생화확적인 속성은 질병 의존적 요구 사항에 따라 쉽게 조작될 수 있습니다. 이러한 점에서, 주사용 하이드로겔은 현재 심장 줄기 세포 치료의 주요 한계를 해결하기 위해 제안된 생존 및 세포 보존(즉, 24시간 이식 후 10% 이내)에서<sup class…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 교육부의 지원을 받는 한국국립연구재단(NRF)을 통해 기초과학 연구 프로그램에 의해 지원됩니다(NRF-2018R1D1A1A02049346)
Materials
| 4 % paraformaldehyde (PFA) | Intron | IBS-BP031-2 | |
| 5-0 silk suture | AILEE | SK534 | |
| 8-0 polypropylene suture | ETHICON | M8732H | |
| 8-well chamber slide | Nunc LAB-TEK | 154534 | |
| Angiocath Plus (22GA) catheter | BD Angiocath Plus | REF382423 | |
| Antibiotic-antimyocotic | Gibco | 15240-062 | |
| Centrifuge | GYROGEN | 1582MGR | |
| Confocal microscope | Zeiss | LSM 510 | |
| Cover slipe | MARIENFELD | 101242 | |
| Deluxe High Temperature Cautery kit | Bovie | QTY1 | |
| DMEM | Gibco | 11995-065 | |
| DPBS | Gibco | 14040-133 | |
| Dual-syringe | |||
| EOSIN | SIGMA-ALDRICH | HT110116 | |
| Ethanol | EMSURE | K49350783 739 | |
| FBS | Gibco | 16000-044 | |
| Fechtner conjunctiva forceps titanium | WORLD PRECISISON INSTRUMENTS | WP1820 | |
| Fluorescein isothiocyanate isomer I (FITC) | SIGMA-ALDRICH | F7250 | |
| Forcep | HEBU | HB0458 | |
| Hair removal cream | Ildong Pharmaceutical | ||
| Heating pad | Stoelting | 50300 | Homeothermic Blanket System |
| 50301 | Replacement Heating Pad for 50300 (10 X 12.5cm) | ||
| Hematoxylin | SIGMA-ALDRICH | HHS80 | |
| Horseradish peroxide (HRP; 250-330 U/mg) | SIGMA-ALDRICH | P8375 | |
| Hydrogen peroxide (H2O2; 30 wt % in H2O) | SIGMA-ALDRICH | 216763 | |
| Iodine | Green Pharmaceutical | ||
| LIVE/DEAD cell staining kit | Thermo Fisher | R37601 | |
| Mechanical ventilator | Harvard Apparatus | ||
| Micro centrifuge | HANIL | Micro 12 | |
| Micro needle holder | KASCO | 37-1452 | |
| Micro scissor | HEBU | HB7381 | |
| Microscope | OLYMPUS | SZ61 | |
| MT staining kit | SIGMA-ALDRICH | HT1079-1SET | Weigert’s iron hematoxylin solution |
| HT15-1KT | Trichrome Stain (Masson) Kit | ||
| Paraffin | LK LABKOREA | H06-660-107 | |
| PBS buffer | Gibco | 10010-023 | |
| PHK26 staining kit | SIGMA-ALDRICH | MINI26 | |
| Slide scanner | Leica | SCN400 | |
| Surgical scissor | HEBU | HB7454 | |
| Surgical tape | 3M micopore | 1530-1 | |
| Tissue cassette | Scilab Korea | Cas3003 | |
| Transducer gel | SUNGHEUNG | SH102 | |
| Trout-Barraquer needle holder curved | KASCO | 50-3710c | |
| Ultrasound system | Philips | Affiniti 50 | |
| Xylene | JUNSEI | 25175-0430 |
References
- Jhund, P. S., McMurray, J. J. Heart failure after acute myocardial infarction: a lost battle in the war on heart failure. Circulation. 118 (20), 2019-2021 (2008).
- Cahill, T. J., Kharbanda, R. K. Heart failure after myocardial infarction in the era of primary percutaneous coronary intervention: Mechanisms, incidence and identification of patients at risk. World Journal of Cardiology. 9 (5), 407-415 (2017).
- Cambria, E., et al. Translational cardiac stem cell therapy: advancing from first-generation to next-generation cell types. npj Regenerative Medicine. 2, 17 (2017).
- Lemcke, H., Voronina, N., Steinhoff, G., David, R. Recent Progress in Stem Cell Modification for Cardiac Regeneration. Stem Cells International. 2018, 1909346 (2018).
- Alagarsamy, K. N., Yan, W., Srivastava, A., Desiderio, V., Dhingra, S. Application of injectable hydrogels for cardiac stem cell therapy and tissue engineering. Reviews in Cardiovascular Medicine. 20 (4), 221-230 (2019).
- Gaetani, R., et al. Epicardial application of cardiac progenitor cells in a 3D-printed gelatin/hyaluronic acid patch preserves cardiac function after myocardial infarction. Biomaterials. 61, 339-348 (2015).
- Gao, L., et al. Myocardial Tissue Engineering With Cells Derived From Human-Induced Pluripotent Stem Cells and a Native-Like, High-Resolution, 3-Dimensionally Printed Scaffold. Circualtion Research. 120 (8), 1318-1325 (2017).
- Hasan, A., et al. Injectable Hydrogels for Cardiac Tissue Repair after Myocardial Infarction. Advanced Science. 2 (11), 1500122 (2015).
- Wu, R., Hu, X., Wang, J. Concise Review: Optimized Strategies for Stem Cell-Based Therapy in Myocardial Repair: Clinical Translatability and Potential Limitation. Stem Cells. 36 (4), 482-500 (2018).
- Lee, Y., et al. In situ forming gelatin-based tissue adhesives and their phenolic content-driven properties. Journal of Materials Chemistry B. 1 (18), 2407-2414 (2013).
- Lee, Y., Bae, J. W., Lee, J. W., Suh, W., Park, K. D. Enzyme-catalyzed in situ forming gelatin hydrogels as bioactive wound dressings: effects of fibroblast delivery on wound healing efficacy. Journal of Materials Chemistry B. 2 (44), 7712-7718 (2014).
- Lee, S. H., et al. In situ Crosslinkable Gelatin Hydrogels for Vasculogenic Induction and Delivery of Mesenchymal Stem Cells. Advanced Functional Materials. 24 (43), 6771-6781 (2014).
- Jung, B. K., et al. A hydrogel matrix prolongs persistence and promotes specific localization of an oncolytic adenovirus in a tumor by restricting nonspecific shedding and an antiviral immune response. Biomaterials. 147, 26-38 (2017).
- Kim, G., et al. Tonsil-derived mesenchymal stem cell-embedded in situ crosslinkable gelatin hydrogel therapy recovers postmenopausal osteoporosis through bone regeneration. PLoS One. 13 (7), 0200111 (2018).
- Kim, C. W., et al. MSC-Encapsulating in situ Cross-Linkable Gelatin Hydrogels To Promote Myocardial Repair. ACS Applied Bio Materials. 3 (3), 1646-1655 (2020).
- Meirelles Lda, S., Nardi, N. B. Murine marrow-derived mesenchymal stem cell: isolation, in vitro expansion, and characterization. Br J Haematol. 123 (4), 702-711 (2003).
- Ojha, N., et al. Characterization of the structural and functional changes in the myocardium following focal ischemia-reperfusion injury. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 294 (6), 2435-2443 (2008).
- Takagawa, J., et al. Myocardial infarct size measurement in the mouse chronic infarction model: comparison of area- and length-based approaches. Journal of Applied Physiology. 102 (6), 2104-2111 (2007).
- Terrovitis, J., et al. Noninvasive Quantification and Optimization of Acute Cell Retention by In vivo Positron Emission Tomography After Intramyocardial Cardiac-Derived Stem Cell Delivery. Journal of the American College of Cardiology. 54 (17), 1619-1626 (2009).
- Dib, N., Khawaja, H., Varner, S., McCarthy, M., Campbell, A. Cell Therapy for Cardiovascular Disease: A Comparison of Methods of Delivery. Journal of Cardiovascular Translational Research. 4 (2), 177-181 (2011).
