Murine Modelinde Miyokard İnfarktüsünden Sonra MSC Yüklemeli Enjekte Edilebilir Hidrojellerin intramiyokardiyal Transplantasyonu
Summary
Kök hücre bazlı tedavi, miyokard enfarktüsünden sonra yaralı kalp dokularını onarmak için etkili bir strateji olarak ortaya çıkmıştır. Enzmatik olarak çapraz bağlanabilen jelatin hidrojelleri kullanarak kök hücre nakli için en uygun in vivo uygulamayı sağlıyoruz.
Abstract
Postinfarkt kalp yetmezliğini önlemek için mevcut kardiyak kök hücre tedavilerinin karşılaştığı en önemli sorunlardan biri, yaralı miyokard içindeki nakledilen hücrelerin düşük tutma ve sağkalım oranlarıdır ve terapötik etkinliklerini sınırlar. Son zamanlarda, kök hücre tedavisini geliştirmek ve en üst düzeye çıkarmak için iskele biyomalzemelerinin kullanımı dikkat çekmektedir. Bu protokolün amacı, enjekte edilebilir hidroksifenil propiyonik asit (GH) hidrojelleri kullanarak kemik iliği türevi mezenkimal kök hücreleri (MSC’ ler) nakletmek için basit ve basit bir teknik sunmaktır; hidrojeller, kardiyak doku mühendisliği uygulamaları için bir hücre dağıtım platformu olarak elverişlidir, çünkü çapraz in situ ve yüksek biyouyumluluk yeteneğine sahiptir. MSC yüklemeli GH hidrojellerini (MSC/hidrojeller) imal etmek ve hayatta kalmalarını ve çoğalmalarını üç boyutlu (3D) in vitro kültürde değerlendirmek için basit bir yöntem sunuyoruz. Ek olarak, farelerde MSC/hidrojellerin intramiyokardiyal nakli için bir teknik göstererek, sol ön alçalma (LAD) koroner arter ligasyonu ve daha sonra MSC/hidrojel nakli yoluyla miyokard infarktüsüne (MI) indükleyen cerrahi bir prosedürü tarif ediyoruz.
Introduction
Kardiyak kök hücre tedavisi miyokard onarımı ve yenilenmesi için potansiyel bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır1,2. Hayvan modellerinde ve klinik çalışmalarda son olumlu sonuçlara rağmen, miyokard onarımı için kök hücre bazlı tedavi uygulaması, enfarktüslü kalp dokularında enjekte edilen hücrelerin düşük tutulması ve zayıf hayatta kalması nedeniyle sınırlıdır3,4. Sonuç olarak, enjekte edilebilir biyomalzemeler5, kardiyak yamalar6ve hücre sayfaları7dahil olmak üzere hücre bazlı doku mühendisliğinin kullanımı, konak miyokard içinde hücre tutulmasını ve entegrasyonunu iyileştirmek için yoğun bir şekilde çalışılmıştır.
Biyomühendislik kalp dokusu onarımına yönelik çeşitli potansiyel yaklaşımlar arasında, mezenkimal kök hücreler (MSC’ler), embriyonik kök hücreler (ESC’ler) ve indüklenmiş pluripotent kök hücreler (iPSC’ler) gibi uygun hücre tipleriyle birlikte enjekte edilebilir hidrojeller, hücreleri miyokard bölgelerine etkili bir şekilde ulaştırmak için cazip bir seçenektir8,9. Tanınmış bir doğal polimer olan jelatin, biyomedikal uygulamalarda kullanılan çok çeşitli biyomalzemelerle karşılaştırıldığında, büyük biyouyumluluğu, önemli ölçüde biyobozunurluğu ve azaltılmış immünojenikliği nedeniyle enjekte edilebilir bir matris olarak kullanılabilir. Jelatin bazlı enjekte edilebilir platformlar büyük bir potansiyele sahip olsa da, düşük mekanik sertliklerine ve fizyolojik ortamdaki kolay bozulmalarına bağlı olarak in vivo uygulanabilirlikleri sınırlı kalır.
Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için, in vivo uygulamalar için hidroksifenil propiyonik asitten oluşan jelatin bazlı hidrojellerin yeni ve basit bir tasarımı önerilmiştir. Jelatin-hidroksifenil propiyonik asit (GH) konjugeleri bir enzim, yaban turpu peroksidaz (HRP) varlığında yerinde çapraz bağlanabilir ve daha sonra çeşitli ilaçları, biyomolekülleri veya hidrojel içindeki hücreleri kapsülleyebilir, bu da doku mühendisliği uygulamalarında büyük potansiyel olduğunu düşündürür10,11,12,13,14. Ek olarak, son zamanlarda kapsüllenmiş MSC’ler içeren GH hidrojellerinin terapötik etkilerini araştırdık ve bir murine modelinde MI’den sonra başarılı kardiyak onarım ve rejenerasyonda kullanımlarını gösterdik15. Bu protokolde, GH hidrojelleri içindeki MSC’lerin kapsüllenmesi ve in vitro üç boyutlu (3D) çoğalması için basit bir teknik açıklıyoruz. Ayrıca koroner arter ligasyonu ve MSC yüklemeli GH hidrojellerinin enfarktüslü kalbe intramiyokardiyal nakli yoluyla bir murine MI modeli oluşturmak için tasarlanmış cerrahi bir prosedür sunuyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Enjekte edilebilir GH hidrojelleri, çeşitli terapötik ajanları yerinde homojen bir şekilde dahil etme yetenekleri nedeniyle in vivo uygulamalar için büyük bir potansiyele sahiptir. Ayrıca, fiziksel ve biyokimyasal özellikleri hastalığa bağlı gereksinimlere göre kolayca manipüle edilebilir. Bu bakımdan, enjekte edilebilir hidrojeller, yaralı kalp19,20’dezayıf sağkalım ve hücre tutulması (yani, 24 saat içinde % 10) tarafından engellenen mev…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, Eğitim Bakanlığı (NRF-2018R1D1A1A02049346) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) aracılığıyla Temel Bilim Araştırma Programı tarafından desteklenmektedir.
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).
