Magnetische aanpassing van nalading in engineered heart tissues

Nalading is de systolische belasting op de ventrikel nadat het is begonnen met het uitwerpen van bloed¹. Tijdens de cardiale ontwikkeling is een geschikte nabelasting van cruciaal belang voor cardiomyocyte rijping^2. Op volwassen leeftijd kunnen lage niveaus van ventriculaire nabelasting (bijvoorbeeld bij bedlegerige patiënten met een dwarslaesie op hoog niveau³ of in zeer speciale gevallen zoals spaceflight⁴⁾leiden tot hypotrofie van het hart. Omgekeerd kan hoge nabelasting leiden tot cardiale hypertrofie^5. Terwijl cardiale hypertrofie bij duursporters of zwangere vrouwen wordt beschouwd als gunstig en fysiologisch, hypertrofie geassocieerd met langdurige arteriële hypertensie of ernstige aortaklep stenose is schadelijk omdat het vatbaar is voor hartritmestoornissen en hartfalen⁶. Hoewel de 5-jarige mortaliteit voor patiënten met hartfalen is gedaald van ~ 70% in de jaren 1980⁶ tot 40-50%⁷ op dit moment, is er nog steeds een grote behoefte aan nieuwe therapeutische behandeling opties voor deze zeer heersende aandoening (momenteel 2,2% van de bevolking in de westerse wereld)⁸.

Om de moleculaire mechanismen van pathologische cardiale hypertrofie te onderzoeken en preventieve of therapeutische strategieën voor de behandeling van deze ziekte te testen, zijn in vivo modellen van nalading ontwikkeld^9,10,11,12. Hoewel deze modellen gunstige inzichten hebben geboden in de effecten van nabelasting op ventriculaire prestaties, staan ze geen fijne controle over de nabelastingsomvang toe. Als alternatief maken in vitro studies van nalading uitgevoerd op uitgesneden harten en spierpreparaten een fijnere controle over weefselbelasting mogelijk, maar deze modellen zijn niet bevorderlijk voor longitudinale studies^13,14,15.

Om deze problemen op te lossen, ontwikkelden we een in vitro model van verhoogde nabelasting in ontworpen hartweefsels (EHT’s)^16,17. Dit model is een 3-dimensionaal kweekformaat voor rattenhartcellen ingebed in een fibrinematrix die tussen flexibele holle siliconenpalen wordt opgehangen. Deze weefsels slaan spontaan (tegen de weerstand van de siliconenpalen) en voeren auxotonic werk uit. We hebben de nalading die in eerdere experimenten op EHT’s werd aangebracht met een factor 12 verhoogd door een week lang stijve metalen beugels in de holle siliconenpalen in te brengen. Dit leidde tot een veelheid aan veranderingen, kenmerkend voor pathologische cardiale hypertrofie^18,19,20: cardiomyocyte hypertrofie, gedeeltelijke necroptose, een afname van de contractiele kracht, de aantasting van weefselontspanning, reactivering van het foetale genprogramma, een metabole verschuiving van vetzuuroxidatie naar anaerobe glycolyse en een toename van fibrose. Hoewel deze procedure met succes is toegepast in verschillende studies^17,21,22, het heeft een aantal nadelen. Er zijn slechts twee toestanden, laag of zeer hoog (12-voudig) nalading, en de procedure vereist handmatige behandeling van de EHT’s, wat de tijdelijke flexibiliteit beperkt en het risico van besmetting vormt.

Onlangs, Leonard et al. gebruikt een soortgelijke techniek te moduleren nalading in EHTs gekweekt op siliconen posten²³. Beugels van verschillende lengtes werden geplaatst rond de buitenkant van de palen om hun buigen de beweging te beperken. De auteurs van deze studie rapporteerden dat een bijzondere kleine tot gemiddelde toename van de belasting de ontwikkeling en rijping van menselijke iPS-afgeleide EHT’s verbeterde, terwijl hogere belastingen resulteerden in een pathologische toestand. Echter, vergelijkbaar met ons eigen systeem, deze techniek alleen zorgt voor enkelvoud verhogingen van de nabelasting, waarvan de omvang wordt gedicteerd door de lengte van de beugels. Als zodanig, fijne wijzigingen in nalading, wijzigingen in nabelasting na verloop van tijd, en nauwkeurige lading regimes zijn niet mogelijk met deze technieken.

Hier bieden we het protocol voor een systeem dat kan worden gebruikt om post-weerstand te moduleren, dat wil zeggen, nalading van EHTs magnetisch²⁴. Dit platform vergemakkelijkt de fine-tuning van afterload, maakt door de gebruiker gedefinieerde naladingsregimes mogelijk en zorgt voor EHT-steriliteit.