Bu protokol, 3D mühendislik ürünü kalp ve iskelet kası dokularının oluşturulması için yöntemler sağlar ve klinik öncesi ilaç tarama modalitelerinde kullanımlarını açıklar. Açıklanan yöntemler, 24 dokunun paralel olarak eşzamanlı olarak değerlendirilmesini kolaylaştırmak için manyetik bir algılama sistemi kullanır.
Sağlıklı ve hastalık durumlarının in vitro olarak doğru bir şekilde modellenmesi, yeni tedavi stratejilerinin ve terapötiklerin geliştirilmesi için hayati öneme sahiptir. Kardiyak ve iskelet kası hastalıkları için, kontraktil kuvvet ve kinetik, kas fonksiyonunu değerlendirmek için anahtar metrikleri oluşturur. İndüklenmiş pluripotent kök hücrelerden mühendislik kas dokuları (EMT’ler) üretmek için yeni ve geliştirilmiş yöntemler, in vitro hastalık modellemesini kasılma dokuları için daha güvenilir hale getirmiştir; Bununla birlikte, askıya alınmış hücre kültürlerinden dokuları çoğaltmak ve kontraktilitelerini ölçmek zordur. Bu tür teknikler genellikle yüksek arıza oranlarıyla boğuşur ve karmaşık enstrümantasyon ve özelleştirilmiş veri analizi rutinleri gerektirir. 3D EMT’leri etiketsiz, son derece paralel ve otomasyon dostu bir sözleşmelilik testi ile birlikte kullanan yeni bir platform ve cihaz, bu engellerin çoğunu aşıyor. Platform, neredeyse tüm hücre kaynaklarını kullanarak 3D EMT’lerin kolay ve tekrarlanabilir bir şekilde üretilmesini sağlar. Doku kontraktilitesi daha sonra karmaşık yazılım analiz rutinlerine ihtiyaç duymadan 24 dokuyu aynı anda ölçen bir cihazla ölçülür. Cihaz, kuvvetteki mikronewton değişikliklerini güvenilir bir şekilde ölçebilir ve bir ilacın veya terapinin kontraktil çıktı üzerindeki etkisini ölçmek için doza bağımlı bileşik taramasına izin verir. Bu cihazla yapılan mühendislik dokuları tamamen işlevseldir, elektriksel stimülasyon üzerine seğirme ve tetanik kasılmalar üretir ve haftalar veya aylar boyunca kültürde uzunlamasına analiz edilebilir. Burada, beklenmedik kardiyotoksisiteye bağlı hasta ölümlerinden sonra klinik çalışmalardan alınan bir ilaç (BMS-986094) da dahil olmak üzere, bilinen toksik maddelerle akut ve kronik dozlama altındaki kalp kası EMT’lerinden elde edilen verileri gösteriyoruz. Bir miyozin inhibitörü ile tedaviye yanıt olarak mühendislik dokularında değişmiş iskelet kası fonksiyonu da sunulmaktadır. Bu platform, araştırmacının karmaşık, bilgi açısından zengin biyomühendislik model sistemlerini, gereken minimum ek eğitim veya beceri ile ilaç keşif iş akışına entegre etmesini sağlar.
İndüklenmiş pluripotent kök hücre (iPSC) modelleri, terapötik keşif ve geliştirme için klinik öncesi boru hattında ve ayrıca temel biyolojik araştırma ve hastalık modellemesindegiderek daha önemli oyuncular haline gelmektedir 1,2,3,4,5. iPSC’lerden türetilen kalp ve iskelet kası gibi kontraktil dokular, in vitro çalışmaların öngörücü gücünü geliştirmek için büyük bir potansiyele sahiptir, çünkü kas kontraktil kuvvetinin ve kinetiğin doğrudan değerlendirilmesi, genel doku fonksiyonunu incelemek için nicel metriklerdir 4,6,7,8. Tipik olarak, kontraktil kuvvet ölçümleri ya substrat saptırma 9,10’un optik izlenmesiyle dolaylı olarak ya da doğrudan hücrelerin / dokuların bir kuvvet dönüştürücü 4,11,12’ye bağlanmasıyla elde edilmiştir. Bu yöntemler, doğru olmakla birlikte, doğası gereği düşük verimlidir ve genellikle yüksek vasıflı operatörlerin veri toplamasını ve analiz etmesini gerektirir.
Önceki çalışmalar, manyetik alan algılamanın bu engelleri aştığını ve birden fazla doku yapısında aynı anda mühendislik kas fonksiyonunu değerlendirmek için alternatif bir yöntem sağladığını göstermiştir13. Mantarray (eNgineered Tissue ARRAY için Manyetometrik Analizör) 3D Kasılma Platformu, mühendislik kas dokularının kontraktilitesini yüksek oranda paralel bir şekilde ölçebilen ve daha yüksek verimli tarama14 ile 3D hücresel modellerin karmaşıklığından yararlanan bir cihaz kullanarak bu teknolojiye dayanmaktadır. Platform, standart bir hücre kültürü inkübatörünün içindeki veya dışındaki kalp ve iskelet kası dokularındaki kontraktil fonksiyonun etiketsiz, kantitatif, gerçek zamanlı olarak izlenmesini sağlayarak optik tabanlı kasılma görüntüleme ve analiz ihtiyacını ortadan kaldırır. Bu teknoloji, sağlıklı ve hastalıklı hücre hatlarının doğrudan karşılaştırılmasını kolaylaştırır ve bir ilacın kontraktil dokular üzerindeki etkisinin ölçülmesini sağlayarak yeni ve mevcut terapötik bileşikler için ölçülebilir, in vitro, güvenlik ve etkinlik verileri oluşturur.
Tasarlanmış 3D kas dokuları, Mantarray sarf malzemesi, 24 kuyucuklu döküm plakası kullanılarak iki direk arasında yüksek oranda tekrarlanabilir bir şekilde üretilebilir (Şekil 1). Bir direk sert, diğer direk esnek ve küçük bir mıknatıs içeriyor. Doku yapısı büzüldüğünde, esnek direğin ve gömülü mıknatısın yerini alır. EMT plakası cihazın içine yerleştirilir ve yer değiştirme sonrası, plaka tutucunun altındaki bir devre kartı üzerindeki bir dizi manyetik sensör aracılığıyla ölçülür. Manyetik alanda ölçülen değişiklikler, matematiksel bir algoritma kullanılarak mutlak kontraktil kuvvete dönüştürülür. Cihaz, büzülme frekansı, hız ve bozunma süresi de dahil olmak üzere test edilen hücre tiplerinin fonksiyonel kapasitesi ve olgunluğu hakkında ayrıntılı bilgi toplanmasını sağlamak için hızlı veri örnekleme hızları kullanır. Bu fonksiyonel ölçümler, manyetik algılama platformu ile aynı anda veya geleneksel optik yöntemler kullanılarak ayrı ayrı ve sıralı olarak 24 kuyunun tamamında elde edilebilir.
Bu çalışma, fibrin bazlı bir hidrojelde 3D iskelet kası ve kalp mikrodokularının mühendisliği için oldukça tekrarlanabilir bir yöntemi açıklamaktadır. Kısa, 80 dakikalık bir reaksiyon sırasında, trombin fibrinojen in dönüşümünü katalize eder ve kas hücrelerinin askıya alınmış kültür15’te gelişmesi için bir iskele sağlar. Stromal hücreler matrisin yeniden şekillendirilmesine yardımcı olur ve kas hücreleri hidrojel içinde bir sinsityum oluşturduğundan dokular kasılmaya başlar. Bu dokuların kontraktilitesi, bileşik maruziyetinden önce ve sonra manyetik algılama yaklaşımı kullanılarak analiz edildi ve doz-yanıt ilaç çalışmalarında kullanılmak üzere bu modaliteyi doğruladı. Sağlıklı bir donör biyopsisinden elde edilen birincil insan miyoblastları ticari olarak elde edildi ve satıcının protokollerine göre 2D olarak kültürlendi. Hücreler, 3D dokuları üretmek için yeterli hücre sayıları üretmek için üç pasaj boyunca bir iskelet kası büyüme ortamı kullanılarak genişletildi. Stromal hücreler ve hiPSC türevi kardiyomiyositler, hücreleri dokulara dökmeden önce kriyoprezervasyondan iyileşmeye izin vermek için 3 gün boyunca satıcının protokolüne göre kültürlendi. Manyetik algılama platformu kullanılarak toplanabilecek veri setlerinin türlerini gösteren temsili sonuçlar verilmiştir. Bu yöntemleri kullanarak mühendislik dokularının üretilmesiyle ilgili yaygın tuzaklar da ele alınmaktadır.
Bu çalışmada, 24 kuyucuklu bir sarf malzemesi döküm kiti içinde 3D mühendislik ürünü kalp ve iskelet kası dokuları oluşturma yöntemleri açıklanmaktadır. Bu yöntemleri izleyerek, sonraki ilaç taraması için döküm hatası olmadan 24 dokudan oluşan eksiksiz bir dizi tutarlı bir şekilde elde etmek mümkündür. Böyle bir sonuca ulaşmak için kritik hususlar, döküm sırasında hidrojellerin erken polimerizasyonunu önlemek için tüm adımların buz üzerinde gerçekleştirilmesini sağlamak, doku dökümünden önce hücre ayrışma reaktifinin uzaklaştırılması, hücrenin iyice karıştırılması ve her doku için hidrojel süspansiyonu, dokular arasında pipet uçlarının değiştirilmesi ve ısıyla inaktive edilmiş FBS’nin (eğer kullanılıyorsa) kullanılmasıdır. Ayrıca, döküm başladıktan sonra post kafesin hareket ettirilmemesini ve hidrojeller oluştuktan sonra yavaşça aktarılmasını sağlamak önemlidir.
Başlıca modifikasyonlar, kardiyak ve iskeletsel EMT’lere ulaşmak için farklı hücre tiplerinin kullanılmasını ve hücresel olgunlaşmayı ve doku stabilitesini teşvik etmek için değişken konsantrasyonlarda bazal membran proteinlerine sahip hidrojellerin dopingini içerir. Bu tür dopingin yararlı etkileri duruma göre test edilmelidir, ancak belirli koşullar altında fonksiyonel sonuçları ve doku ömrünü uzattığı gösterilmiştir14,16,22. Listelenen hücre yoğunluklarının bir rehber olması ve farklı hücre hatları için optimize edilmesi gerekebileceği de dikkat çekicidir. Alternatif hidrojel bileşimleri, elde edilen EMT’lerin yapısal ve fonksiyonel özelliklerini değiştirmek için bir araç olarak da düşünülebilir23,24,25. Doğal kas mikroçevresi ayrıca vaskülarizasyonu, innervasyonu ve miyositleri form ve fonksiyonda desteklemek için matriks birikimini teşvik etmek için destekleyici hücre tiplerini içerir26,27. Burada tarif edilen sistem şu anda fibroblastları 3D kalp dokularına dahil ederken, ek hücre tipleri in vitro terapötik bileşiklerin güvenliğini ve etkinliğini incelemek için daha fizyolojik bir model oluşturabilir. Daha önce, bir dizi destekleyici hücre tipi, manyetik algılama kontraktilitesi platformu 28,29,30 kullanılarak gelecekteki çalışmalar için heyecan verici bir şablon sunan 3D mühendislik dokularına başarıyla entegre edilmiştir.
Bu protokol için sorun giderme, döküm işlemi sırasında güvenilmez veya tutarsız dokuların oluşumuna odaklanır. Hidrojellerde dökülürken kabarcık oluşumunu önlemek için özen gösterilmeli ve karıştırma sırasında hücrelerin eşit dağılımını kolaylaştırmaya devam edilmelidir. İdeal hücre yoğunluklarını, hücre oranlarını ve matris kompozisyonunu tanımlamak için her yeni hücre tipi için optimizasyon deneylerine ihtiyaç duyulacaktır.
Bu teknik için önemli bir sınırlama, 24 EMT’den oluşan tam bir plaka oluşturmak için gereken önemli sayıda hücredir. Burada sunulan veriler için plaka başına 15 milyon kardiyomiyosit ve 18 milyon iskelet miyoblastı kullanılmıştır. Bazı araştırmacılar, bu platformu en iyi şekilde kullanma yeteneklerini engelleyebilecek kadar büyük hücresel malzeme havuzlarına erişemeyebilir. Son kullanıcıların manyetik algılama donanımına erişimi yoksa, post sapmaların ölçümlerinin optik olarak yapılması gerekir, bu da verimi önemli ölçüde azaltır ve birden fazla kuyucukta kas kasılmalarının eşzamanlı olarak kaydedilmesini önler. Bununla birlikte, Mantarray donanımı, EMT büzülmesinin sürekli, invaziv olmayan analizini aynı anda birden fazla yapıda yapabilen ilk ticari sistemi sunmak için bu sınırlamaların üstesinden gelir.
24 kuyucukta manyetik algılama, EMT fonksiyonel gelişiminin gerçek zamanlı olarak uzunlamasına incelenmesini kolaylaştırır ve kimyasal, çevresel veya genetik manipülasyona karşı akut tepkilerin doğru bir şekilde ölçülmesini sağlar. Manyetik algılama, birden fazla doku arasında eşzamanlı ölçüm gibi çeşitli avantajlara sahipken ve karmaşık veri analizi gerektirmezken, optik algılama yöntemleri, kalsiyum akısı veya voltaj haritalaması gibi fizyolojik metriklerin eşzamanlı olarak ölçülmesini sağlar. Bununla birlikte, sonuçlar bölümünde gösterilenler gibi veri kümeleri, bu teknolojinin ilaç geliştirme alanında sahip olduğu uygulamaların genişliğini göstermektedir. Piyasadaki az sayıda tahlilin, mühendislik kasındaki kontraktil çıktının doğrudan bir değerlendirmesini yapmak için araçlar sunduğu göz önüne alındığında, bu yöntemler klinik öncesi gelişim boru hattında devrim yaratma potansiyeline sahiptir.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma kısmen Gıda ve İlaç İdaresi’nden (Sağlık ve Çevre Bilimleri Enstitüsü’ne verilen U01 FD006676-01) ve Ulusal Sağlık Enstitüleri’nden (HL151094’ten Dr. Geisse’e) fon sağlanarak desteklenmiştir. Dr. Alec S. T. Smith’e bu yazının hazırlanmasındaki yardımları için teşekkür ederiz.
100 µm cell strainer | CELLTREAT | 229485 | |
100 mm cell culture dish | ThermoFisher | 150466 | |
50 mL Steriflip filter | MilliporeSigma | SCGP00525 | |
500 mL filter flask | MilliporeSigma | S2GVU05RE | |
6-aminocaproic acid | Sigma | A2504 | |
B27 | Gibco | 17504044 | |
Cardiosight Maintenance Medium | NEXEL | CM-002A | |
Cardiosight Plating Medium | NEXEL | CM-020A | |
C-Pace EM stimulator | IonOptix | EM | |
Curi Bio Muscle Differentiation Media Kit | Primary – DIFF | ||
Curi Bio Muscle Maintenance Media Kit | Curi Bio | Primary – MAINT | |
DAPI | Invitrogen | D1306 | |
DMEM, high glucose, GlutaMAX | Gibco | 10566-016 | |
Dnase | Sigma | 11284932001 | |
DPBS | Gibco | 14190-250 | |
Dystrophin antibody | Abcam | ab154168 | |
Fetal bovine serum (FBS) | Thermo Scientific | 10082147 | Must be heat-inactivated |
Fibrinogen (Bovine) | Sigma | E8630 | |
Glutaraldehyde | Sigma | 354400 | |
Ham's F10 | Gibco | 11550043 | |
Hemacytometer | Sigma | Z359629 | |
HS-27A Fibroblasts | ATCC | CRL-2496 | |
Human Skeletal Muscle Myoblasts | Lonza | CC-2580 | |
Luer Lock 0.2 µm syringe filter | Corning | 431219 | |
Luer Lock 10 mL syringe | BH Supplies | BH10LL | |
Mantarray Instrument | Curi Bio | MANTA-24-B1 | System |
Mantarray Plate Kits | Curi Bio | MA-24-SKM-5 | Pack of 5 kits |
Mantarray stimulation lid | Curi Bio | EM | |
Matrigel (ECM) | Corning | 356231 | |
Nexel Cardiosight-S, Cardiomyocytes | NEXEL | C-002 | |
Optical Microscope | Nikon Ti2E | MEA54000 | |
Pan Myosin Heavy Chain antibody | DSHB | MF-20 | |
Poly(ethyleneimine) | Sigma | P3143 | |
ROCK inhibitor | StemCell Technologies | Y-27632 | |
RPMI | Gibco | 11875-093 | |
Skeletal Muscle Growth Medium (SkGM-2) | Lonza | CC-3245 | |
Standard 24-well plates | Greiner | M8812 | Other manufacturer's plates will not fit |
Standard 6-well plates | ThermoFisher | 140675 | |
Stromal medium (DMEM + 20% FBS) | |||
T175 Filter Flask | ThermoFisher | 159910 | |
T225 Filter Flask | ThermoFisher | 159934 | |
Thrombin | Sigma | T4648 | |
Trypan Blue solution, 0.4% | ThermoFisher | 15250061 | |
TrypLE Select Enzyme (10x) | Thermo Scientific | A1217702 | |
TrypLE Select Enzyme (1x) | Thermo Scientific | 12563011 |