Оценка in vitro сердечного перепрограммирования путем измерения сердечного специфического потока кальция с помощью репортера GCaMP3
Summary
Здесь мы описываем создание и применение линии репортеров Tg(Myh6-cre)1Jmk/J /Gt(ROSA)26Sortm38(CAG-GCaMP3)Hze/J (называемой αMHC-Cre/Rosa26A-Flox-Stop-Flox-GCaMP3) для оценки перепрограммирования сердца. Неонатальные сердечные фибробласты (NCF), выделенные из штамма мыши, превращаются в индуцированные кардиомиоциты (iCM), что позволяет удобно и эффективно оценивать эффективность перепрограммирования и функциональное созревание iCM через поток кальция (Ca2+).
Abstract
Перепрограммирование сердца стало потенциально перспективной терапией для восстановления поврежденного сердца. Путем введения нескольких факторов транскрипции, включая Mef2c, Gata4, Tbx5 (MGT), фибробласты могут быть перепрограммированы в индуцированные кардиомиоциты (iCM). Эти iCM, генерируемые in situ в инфарктном сердце, электрически и механически интегрируются с окружающим миокардом, что приводит к уменьшению размера рубца и улучшению функции сердца. Из-за относительно низкой эффективности перепрограммирования, чистоты и качества iCM характеристика iCM остается проблемой. Используемые в настоящее время методы в этой области, включая проточную цитометрию, иммуноцитохимию и qPCR, в основном сосредоточены на сердечно-специфической экспрессии генов и белков, но не на функциональном созревании iCM. Запускаемое потенциалами действия, открытие кальциевых каналов в кардиомиоцитах приводит к быстрому притоку кальция в клетку. Поэтому количественная оценка скорости притока кальция является перспективным методом оценки функции кардиомиоцитов. Здесь протокол вводит метод оценки функции iCM по потоку кальция (Ca2+). Штамм мыши αMHC-Cre/Rosa26A-Flox-Stop-Flox-GCaMP3 был установлен путем скрещивания Tg(Myh6-cre)1Jmk/J (далее именуемого Myh6-Cre) с Gt(ROSA)26Sortm38(CAG-GCaMP3)Hze/J (далее именуемым Rosa26A-Flox-Stop-Flox-GCaMP3). Неонатальные сердечные фибробласты (NCF) у неонатальных мышей P0-P2 были выделены и культивированы in vitro, а полицистронная конструкция MGT была введена в NCF, что привело к их перепрограммированию в iCM. Поскольку только успешно перепрограммированные iCM будут выражать репортер GCaMP3, функциональное созревание iCM может быть визуально оценено с помощью потока Ca2+ с помощью флуоресцентной микроскопии. По сравнению с неперепрограммированными NCF, NCF-iCM показали значительный переходный поток кальция и спонтанное сокращение, аналогичное КМ. Этот протокол подробно описывает создание штамма мыши, изоляцию и отбор сердца неонатальных мышей, изоляцию NCF, производство ретровируса для перепрограммирования сердца, индукцию iCM, оценку потока iCM Ca2 + с использованием нашей репортерной линии и соответствующий статистический анализ и представление данных. Ожидается, что методы, описанные здесь, обеспечат ценную платформу для оценки функционального созревания iCM для исследований сердечного перепрограммирования.
Introduction
Инфаркт миокарда (ИМ) является тяжелым заболеванием во всем мире. Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются основной причиной смерти во всем мире и составляют около 18,6 миллиона смертей в 20191 году2. Общая смертность от ССЗ снизилась за последние полвека. Однако эта тенденция замедлилась или даже обратилась вспять в некоторых неразвитых странах1, что требует более эффективного лечения ССЗ. Как одно из смертельных проявлений ССЗ, им приходится около половины всех смертей, приписываемых ССЗ в Соединенных Штатах2. Во время ишемии, при блокировке коронарных артерий и ограниченном поступлении как питательных веществ, так и кислорода, миокард страдает от тяжелых метаболических изменений, ухудшает систолическую функцию кардиомиоцитов (КМ) и приводит к смерти ОТ СМ3. Были изучены многочисленные подходы в сердечно-сосудистых исследованиях для восстановления повреждения сердца и восстановления функции поврежденного сердца4. Прямое перепрограммирование сердца стало одной из многообещающих стратегий восстановления поврежденного сердца и восстановления его функции5,6. Вводя Mef2c, Gata4, Tbx5 (MGT), фибробласты могут быть перепрограммированы на iCM in vitro и in vivo, и эти iCM могут уменьшить область рубца и улучшить работу сердца7,8.
Хотя перепрограммирование сердца является многообещающей стратегией для лечения ИМ, остается ряд проблем. Во-первых, эффективность перепрограммирования, чистота и качество не всегда так высоки, как ожидалось. Индуцирование MGT может достигать только 8,4% (cTnT+) или 24,7% (αMHC-GFP+) от общего количества CF, подлежащих перепрограммированию в iCM in vitro7, или до 35% in vivo8, что ограничивает его применение. Даже с большим количеством факторов, индуцированных в системе, таких как Hand29 или Akt1 / PKB10, эффективность перепрограммирования все еще едва ли удовлетворительна для использования в клинических условиях. Таким образом, в этой области необходимы дополнительные исследования, направленные на повышение эффективности перепрограммирования. Во-вторых, электрические характеристики целостности и сокращения iCM важны для эффективного улучшения функции сердца, но их сложно оценить. В настоящее время широко используемые методы оценки в этой области, включая проточную цитометрию, иммуноцитохимию и qPCR экспрессии некоторых ключевых генов CMs, сосредоточены на сходстве iCM и CM, но не связаны напрямую с функциональными характеристиками iCM. Кроме того, эти методы имеют относительно сложные процедуры и отнимают много времени. В то время как исследования перепрограммирования обычно включают скрининг потенциальных факторов перепрограммирования, которые способствуют созреванию iCM11, перепрограммирование сердца требует быстрого и удобного метода, основанного на функции iCM.
CMs открывают напряженные ионные каналы кальция на цитомембране во время каждого цикла сокращения, что приводит к переходному притоку иона кальция (Ca2+) из межклеточной жидкости в цитоплазму для участия в сокращении миофиламента. Такой цикл притока и оттока Ca2+ является фундаментальной чертой сокращения миокарда и составляет нормальную функцию CMs12. Таким образом, метод, который обнаруживает приток Ca2+ , может быть потенциальным способом измерения функции CM и CM-подобных клеток, включая iCM. Кроме того, для iCM такой метод обеспечивает еще один способ оценки эффективности перепрограммирования.
Генетически закодированные показатели кальция (GECI) были разработаны и широко используются для указания активности клеток, особенно потенциалов действия. Как правило, GECI состоят из домена связывания Ca2+ , такого как кальмодулин, и флуоресцентного домена, такого как GFP, а GCaMP3 является доменом с высокой аффинностью и интенсивностью флуоресценции. Флуоресцентный домен GCaMP3 будет активирован при изменении местной концентрации кальция13. В этой статье описан штамм мыши, который специфически экспрессирует репортер GCaMP3 в клетках Myh6+. Вводя MGT в изолированные NCF от новорожденных этого штамма, перепрограммирование можно контролировать флуоресценцией, которая будет проявляться успешно перепрограммированным iCM. Такой штамм и метод мыши обеспечат ценную платформу для исследования сердечного перепрограммирования.
Protocol
Representative Results
Discussion
Оценка функции iCM необходима для поля перепрограммирования сердца. В этой рукописи протокол описывает установленный штамм мыши Tg(Myh6-cre)1Jmk/J /Gt(ROSA)26Sortm38(CAG-GCaMP3)Hze/J, как использовать NCF, выделенные от неонатальных мышей в этом штамме, для перепрограммирования на iCM и оценки функции iCM по ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы высоко ценим усилия Льва Гнатовского в редактировании английского текста этой рукописи. Рисунок 1 был создан с помощью BioRender.com. Это исследование было поддержано грантом Национального института здравоохранения (NIH) США (1R01HL109054) доктору Вану.
Materials
| 15 mL Conical Centrifuge Tubes | Thermo Fisher Scientific | 14-959-70C | |
| 50mL Conical Centrifuge Tubes | Thermo Fisher Scientific | 14-959-49A | |
| 6 Well Cell Culture Plates | Alkali Scientific | TP9006 | |
| A83-01 | Stemgent | 04–0014 | |
| All-in-One Fluorescence Microscope | Keyence | BZ-X800E | Inverted fluorescence microscope |
| B-27 Supplement (50X), serum free | Thermo Fisher Scientific | 17504044 | |
| Blasticidin S HCl (10 mg/mL) | Thermo Fisher Scientific | A1113903 | |
| Bovine Serum Albumin (BSA) DNase- and Protease-free Powder | Thermo Fisher Scientific | BP9706100 | |
| CD90.2 MicroBeads, mouse | Miltenyi Biotec | 130-049-101 | Thy1.2 microbeads |
| Collagenase, Type 2 | Thermo Fisher Scientific | NC9693955 | |
| Counting Chamber | Thermo Fisher Scientific | 02-671-51B | Hemocytometer |
| DMEM, high glucose, no glutamine | Thermo Fisher Scientific | 11960069 | |
| DPBS, calcium, magnesium | Thermo Fisher Scientific | 14-040-133 | |
| Ethanol, 200 proof (100%) | Thermo Fisher Scientific | 04-355-451 | |
| Ethylenediamine Tetraacetic Acid (Certified ACS) | Thermo Fisher Scientific | E478-500 | |
| Fetal Bovine Serum | Corning | 35-010-CV | |
| HBSS, calcium, magnesium, no phenol red | Thermo Fisher Scientific | 14025092 | |
| IMDM media | Thermo Fisher Scientific | 12440053 | |
| IX73 Inverted Microscope | Olympus | IX73P2F | Inverted fluorescence microscope |
| Lipofectamine 2000 Transfection Reagent | Thermo Fisher Scientific | 11-668-019 | |
| LS Columns | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | |
| Medium 199, Earle's Salts | Thermo Fisher Scientific | 11150059 | |
| MidiMACS Separator and Starting Kits | Miltenyi Biotec | 130-042-302 | |
| Millex-HV Syringe Filter Unit, 0.45 µm, PVDF, 33 mm, gamma sterilized | Millipore Sigma | SLHV033RB | |
| MM589 | Obtained from Dr. Shaomeng Wang’s lab in University of Michigan | ||
| Opti-MEM I Reduced Serum Medium | Thermo Fisher Scientific | 31-985-070 | |
| PBS, pH 7.4 | Thermo Fisher Scientific | 10-010-049 | |
| Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | |
| Platinum-E (Plat-E) Retroviral Packaging Cell Line | Cell Biolabs | RV-101 | |
| pMx-puro-MGT | Addgene | 111809 | |
| Poly(ethylene glycol) | Millipore Sigma | P5413-1KG | PEG8000 |
| Polybrene Infection / Transfection Reagent | Millipore Sigma | TR-1003-G | |
| PTC-209 | Sigma | SML1143–5MG | |
| Puromycin Dihydrochloride | Thermo Fisher Scientific | A1113803 | |
| Recombinant Human IGF-I | Peprotech | 100-11 | |
| RPMI 1640 Medium | Thermo Fisher Scientific | 11875093 | |
| ST 16 Centrifuge Series | Thermo Fisher Scientific | 75-004-381 | |
| Sterile Cell Strainers | Thermo Fisher Scientific | 22-363-547 | 40 µm strainer |
| Surface Treated Tissue Culture Dishes | Thermo Fisher Scientific | FB012921 | |
| TE Buffer | Thermo Fisher Scientific | 12090015 | |
| Trypan Blue solution | Millipore Sigma | T8154 | |
| Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red | Thermo Fisher Scientific | 25300054 | |
| Vortex Mixer | Thermo Fisher Scientific | 02215365 |
References
- Vos, T., et al. Global burden of 369 diseases and injuries in 204 countries and territories, 1990-2019: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. The Lancet. 396 (10258), 1204-1222 (2020).
- Virani, S., et al. Heart disease and stroke statistics-2021 update: A report from the american heart association. Circulation. 143 (8), e254-e743 (2021).
- Frangogiannis, N. G. Pathophysiology of myocardial infarction. Comprehensive Physiology. 5 (4), 1841-1875 (2015).
- Tian, S., et al. HDAC inhibitor valproic acid protects heart function through Foxm1 pathway after acute myocardial infarction. EBioMedicine. 39, 83-94 (2019).
- Mohamed, T. M., et al. Chemical enhancement of in vitro and in vivo direct cardiac reprogramming. Circulation. 135 (10), 978-995 (2017).
- Liu, L., Lei, I., Wang, Z. Improving cardiac reprogramming for heart regeneration. Current Opinion in Organ Transplantation. 21 (6), 588-594 (2016).
- Ieda, M., et al. Direct reprogramming of fibroblasts into functional cardiomyocytes by defined factors. Cell. 142 (3), 375-386 (2010).
- Qian, L., et al. In vivo reprogramming of murine cardiac fibroblasts into induced cardiomyocytes. Nature. 485 (7400), 593-598 (2012).
- Song, K., et al. Heart repair by reprogramming non-myocytes with cardiac transcription factors. Nature. 485 (7400), 599-604 (2012).
- Zhou, H., Dickson, M. E., Kim, M. S., Bassel-Duby, R., Olson, E. N. Akt1/protein kinase B enhances transcriptional reprogramming of fibroblasts to functional cardiomyocytes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (38), 11864-11869 (2015).
- Liu, L., et al. Targeting Mll1 H3K4 methyltransferase activity to guide cardiac lineage specific reprogramming of fibroblasts. Cell Discovery. 2, 16036 (2016).
- Grant, A. O. Cardiac ion channels. Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. 2 (2), 185-194 (2009).
- Tian, L., et al. Imaging neural activity in worms, flies and mice with improved GCaMP calcium indicators. Nature Methods. 6 (12), 875-881 (2009).
- Wang, L., et al. Improved Generation of Induced Cardiomyocytes Using a Polycistronic Construct Expressing Optimal Ratio of Gata4, Mef2c and Tbx5. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (105), e53426 (2015).
- Guo, Y., et al. Chemical suppression of specific C-C chemokine signaling pathways enhances cardiac reprogramming. Journal of Biological Chemistry. 294 (23), 9134-9146 (2019).
- Akerboom, J., et al. Optimization of a GCaMP calcium indicator for neural activity imaging. The Journal of Neuroscience. 32 (40), 13819-13840 (2012).
- Stevenson, A. J., et al. Multiscale imaging of basal cell dynamics in the functionally mature mammary gland. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 117 (43), 26822-26832 (2020).
- Ikeda, K., et al. UCP1-independent signaling involving SERCA2b-mediated calcium cycling regulates beige fat thermogenesis and systemic glucose homeostasis. Nature Medicine. 23 (12), 1454-1465 (2017).
- Golebiewska, U., Scarlata, S. Measuring fast calcium fluxes in cardiomyocytes. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (57), e3505 (2011).
- Eng, G., et al. Autonomous beating rate adaptation in human stem cell-derived cardiomyocytes. Nature Communications. 7, 10312 (2016).
