Mühendislik Kalp Dokularında Aşırı Yüklerin Manyetik Ayarı
Summary
Bu protokol, mühendislik kalp dokuları için manyetik tabanlı bir afterload atoing platformunun üretilmesi ve uygulanmasını açıklayan ayrıntılı yöntemler sağlar.
Abstract
Afterload hem fizyolojik hem de patolojik kardiyak durumların gelişimini sürücü bilinmektedir. Bu nedenle, değiştirilmiş yük sonrası durumların sonuçlarının incelenmesi, bu kritik süreçleri kontrol eden mekanizmalar hakkında önemli bilgiler verebilir. Ancak, zaman içinde kalp dokusunda tam ince ayar sonrası yük için deneysel bir teknik şu anda eksiktir. Burada, mühendislik kalp dokularında (EHTs) bu kontrolü sağlamak için yeni geliştirilen manyetik tabanlı bir teknik tanımlanmıştır. Manyetik duyarlı EHT’ler (MR-EHTs) üretmek için dokular, bazıları küçük kalıcı mıknatıslar içeren içi boş silikon direklere monte edilir. Kalıcı mıknatıslar ikinci bir dizi aynı polarite ile yönelik ve eksenel sonrası mıknatıslar ile hizalanmış olan bir akrilik plaka içine basın-fit. Sonradan yükü ayarlamak için, bu mıknatıs plakası bir kodlayıcı ile donatılmış bir piezoelektrik sahne kullanılarak post mıknatıslardan (daha yüksek art yük) veya uzağa (daha düşük afterload) doğru çevrilir. Sahne konumlandırmasını ayarlamak için kullanılan hareket kontrol yazılımı, kullanıcı tarafından tanımlanan afterload rejimlerinin geliştirilmesine olanak sağlarken, kodlayıcı sahnenin bulunduğu yerdeki tutarsızlıkları düzeltmesini sağlar. Bu çalışma, dünyanın diğer laboratuvarlarında benzer platformların geliştirilmesini sağlamak için bu sistemin imalatı, kalibrasyonu ve uygulanmasını açıklamaktadır. Bu sistem kullanılarak yapılabilecek farklı çabaların çeşitliğine örnek olmak için iki ayrı deneyden elde edilen temsili sonuçlar yer aldı.
Introduction
Afterload kan1fırlatmaya başladıktan sonra ventrikül üzerinde sistolik yük . Kardiyak gelişim sırasında, kardiyomiyosit matürasyonu için uygun bir afterload kritik öneme sahiptir2. Erişkin yaşlarda, ventriküler afterload düşük seviyelerde (örneğin, yüksek seviyeli omurilik yaralanması olan yatalak hastalarda3 veya uzay uçuşu gibi çok özel durumlarda4) kalp hipotrofi neden olabilir. Tersine, yüksek afterload kardiyak hipertrofi yol açabilir5. Dayanıklılık sporcular veya hamile kadınlarda kardiyak hipertrofi yararlı ve fizyolojik olarak kabul edilirken, uzun süreli arteriyel hipertansiyon veya şiddetli aort kapak darlığı ile ilişkili hipertrofi kardiyak aritmiler ve kalp yetmezliği bir yatkınlık olarak zararlıdır6. Kalp yetmezliği hastaları için 5 yıllık mortalite oranı 1980’lerde 6’dan8%40-50’ye kadar ~%70’ten%7’ye düşürülmüş olsa da, bu son derece yaygın olan durum için yeni tedavi seçeneklerine hala büyük ihtiyaç vardır (şu anda Batı dünyasında nüfusun %2.2’si) 8 .6
Patolojik kardiyak hipertrofisin moleküler mekanizmalarını araştırmak ve bu hastalığın tedavisi için önleyici veya tedavi edici stratejiler test etmek amacıyla, in vivo afterload modellerigeliştirilmiştir 9,10,11,12. Bu modeller ventriküler performans üzerinde afterload etkileri içine yararlı anlayışlar sunmuş olsa da, onlar afterload büyüklüğü üzerinde ince kontrol için izin vermez. Alternatif olarak, excised kalpler ve kas preparatları üzerinde yapılan sonra yük in vitro çalışmalar doku yükleme üzerinde ince kontrol için izin, ancak bu modeller uzunlamasına çalışmalar alametli çalışmalara elverişli değildir13,14,15.
Bu sorunların üstesinden gelmek için, biz mühendislik kalp dokularında yüksek afterload bir in vitro modeli geliştirdi (EHTs)16,17. Bu model, esnek içi boş silikon direkleri arasında asılı bir fibrin matris gömülü sıçan kalp hücreleri için 3 boyutlu bir kültür biçimidir. Bu dokular kendiliğinden yendi (silikon direklerin direncine karşı) ve auxotonic iş yapmak. Bir hafta boyunca içi boş silikon direklere sert metal braketlerin eklenmesiyle önceki deneylerde EHT’lere uygulanan artma yükünü 12 kat artırdık. Bu değişiklikler çok sayıda yol açtı, patolojik kardiyak hipertrofi karakteristik18,19,20: kardiyomiyosit hipertrofisi, kısmi nekroz, kontraktil kuvvet bir düşüş, doku gevşemesi bozulması, fetal gen programının reaktivasyonu, yağ asidi oksidasyonundan anaerobik glikoliz bir metabolik kayma, ve fibrozis bir artış. Bu prosedür başarıyla çeşitli çalışmalarda istihdam edilmiş olmasına rağmen17,21,22, bazı dezavantajları vardır. Sadece iki durum vardır, düşük veya çok yüksek (12 kat) fazla yük, ve prosedür ehts manuel işleme gerektirir, hangi zamansal esneklik sınırlar ve kontaminasyon riski oluşturur.
Son zamanlarda, Leonard ve ark. silikon direkleri23kültürlü EHTs afterload modüle etmek için benzer bir teknik kullanılır. Bükme hareketlerini kısıtlamak için direklerin dış çevresine farklı uzunluklarda parantezler yerleştirildi. Bu çalışmanın yazarları, yük gelişmiş kuvvet geliştirme ve insan iPS kaynaklı EHTs olgunlaşma tekil bir küçük-orta artış, yüksek yükler patolojik bir durum sonuçlandı bildirdi. Ancak, kendi sistemimize benzer şekilde, bu teknik sadece tekil artışlar için afterload, hangi büyüklüğü parantez uzunluğu tarafından dikte sağlar. Bu nedenle, afterload ince değişiklikler, zaman içinde afterload değişiklikler ve hassas yükleme rejimleri bu teknikler ile mümkün değildir.
Burada, post-direnç modüle etmek için kullanılabilecek bir sistem için protokol sağlamak, yani, EHTs sonra yüklenmesi manyetik24. Bu platform, afterload ince ayar kolaylaştırır, kullanıcı tarafından tanımlanan afterload rejimleri sağlar ve EHT sterilite sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada özetlenen protokol, mühendislik kalp dokularında aşırı yükü manyetik olarak değiştirmek için yeni bir tekniği açıklamaktadır. Bu teknik, silikon direklerin manyetik olarak duyarlı raflarına doğru ve uzak güçlü mıknatıslar bir tabak çevirmek için bir piezoelektrik sahne kullanımı dayanır. İki mıknatıs seti ne kadar yakınsa, ehtlerin üzerlerinde o kadar güçlü bir şekilde kültürlendirilen yük ler de o kadar güçlüdür.
Bu sistemin başarılı üret…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, doku kültürü çalışmalarına desteklerinden dolayı Jutta Starbatty’e, fotoğraf için Axel Kirchhof’a, düzenleme çalışmaları için Alice Casagrande Cesconetto’ya ve bu cihazın geliştirilmesinde teknik destek için Bülent Akşehirlioğlu’na özel teşekkürediyor. B.B., DzhK (Alman Kardiyovasküler Araştırma Merkezi) Bursu, M.L.R. ve Whitaker International Postdoctoral Scholar Grant ve M.N.H. tarafından DZHK fonları tarafından desteklendi.
Materials
| Cylindrical plate magnets | HKCM | 9962-55184 | h = 14 mm, d = 13 mm |
| Cylindrical post magnets | HKCM | 9962-63571 | h = 2 mm, d = 0.5 mm |
| Dental wire | Ormco | 266-1316 | d = 0.016 inches (0.406 mm) |
| GraphPad | GraphPad Software, La Jolla, California, USA | version 6.00 for Windows | |
| Motion control software for piezo motor | Micronix USA | free download on manufacturer homepage | |
| Motion controller for piezo motor | Micronix USA | MMC-100-01000 | |
| Optical contractility analysis platform | EHT technologies | A0001 | |
| Piezoelectric linear motor | Micronix USA | PPS-20-15206 | fitted with linear optical encoder, incubator-environment compatible |
| Styrene Rod | Plastruct | MR-15 | d= 0.015 inches (0.381 mm) |
| USB camera | Reichelt Elektronik | REFLECTA 66142 |
References
- Zipes, D. P., Libby, P., Bonow, R. O., Mann, D. L., Tomaselli, G. F. . Braunwald’s Heart Disease: A Textbook of Cardiovascular Medicine. 11th edn. , (2018).
- McCain, M. L., Yuan, H., Pasqualini, F. S., Campbell, P. H., Parker, K. K. Matrix elasticity regulates the optimal cardiac myocyte shape for contractility. American Journal of Physiology- Heart and Circulatory Physiology. 306 (11), 1525-1539 (2014).
- de Groot, P. C., van Dijk, A., Dijk, E., Hopman, M. T. Preserved cardiac function after chronic spinal cord injury. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 87 (9), 1195-1200 (2006).
- Perhonen, M. A., et al. Cardiac atrophy after bed rest and spaceflight. Journal of Applied Physiology. 91 (2), 645-653 (2001).
- Levy, D., Larson, M. G., Vasan, R. S., Kannel, W. B., Ho, K. K. The progression from hypertension to congestive heart failure. Journal of the American Medical Association. 275 (20), 1557-1562 (1996).
- Levy, D., et al. Long-term trends in the incidence of and survival with heart failure. The New England Journal of Medicine. 347 (18), 1397-1402 (2002).
- Maggioni, A. P., et al. EURObservational Research Programme: regional differences and 1-year follow-up results of the Heart Failure Pilot Survey (ESC-HF Pilot). European Journal of Heart Failure. 15 (7), 808-817 (2013).
- Mozaffarian, D., et al. Heart disease and stroke statistics–2015 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 131 (4), 29 (2015).
- Klautz, R. J., Teitel, D. F., Steendijk, P., van Bel, F., Baan, J. Interaction between afterload and contractility in the newborn heart: evidence of homeometric autoregulation in the intact circulation. Journal of the American College of Cardiology. 25 (6), 1428-1435 (1995).
- Liedtke, A. J., Pasternac, A., Sonnenblick, E. H., Gorlin, R. Changes in canine ventricular dimensions with acute changes in preload and afterload. The American Journal of Physiology. 223 (4), 820-827 (1972).
- Toischer, K., et al. Differential cardiac remodeling in preload versus afterload. Circulation. 122 (10), 993-1003 (2010).
- Zhang, H., et al. Cellular Hypertrophy and Increased Susceptibility to Spontaneous Calcium-Release of Rat Left Atrial Myocytes Due to Elevated Afterload. PloS one. 10 (12), 0144309 (2015).
- Hori, M., et al. Loading sequence is a major determinant of afterload-dependent relaxation in intact canine heart. The American Journal of Physiology. 249, 747-754 (1985).
- Schotola, H., et al. The contractile adaption to preload depends on the amount of afterload. ESC Heart Failure. 4 (4), 468-478 (2017).
- Sonnenblick, E. H., Downing, S. E. Afterload as a primary determinat of ventricular performance. The American Journal of Physiology. 204, 604-610 (1963).
- Hirt, M. N., et al. Increased afterload induces pathological cardiac hypertrophy: a new in vitro model. Basic Research in Cardiology. 107 (6), 307 (2012).
- Hirt, M. N., et al. Deciphering the microRNA signature of pathological cardiac hypertrophy by engineered heart tissue- and sequencing-technology. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 81, 1-9 (2015).
- Dorn, G. W. The fuzzy logic of physiological cardiac hypertrophy. Hypertension. 49 (5), 962-970 (2007).
- Hill, J. A., Olson, E. N. Cardiac plasticity. The New England Journal of Medicine. 358 (13), 1370-1380 (2008).
- Maillet, M., van Berlo, J. H., Molkentin, J. D. Molecular basis of physiological heart growth: fundamental concepts and new players. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 14 (1), 38-48 (2013).
- Stenzig, J., et al. DNA methylation in an engineered heart tissue model of cardiac hypertrophy: common signatures and effects of DNA methylation inhibitors. Basic Research in Cardiology. 111 (1), 9 (2016).
- Werner, T. R., Kunze, A. C., Stenzig, J., Eschenhagen, T., Hirt, M. N. Blockade of miR-140-3p prevents functional deterioration in afterload-enhanced engineered heart tissue. Scientific Reports. 9 (1), 11494 (2019).
- Leonard, A., et al. Afterload promotes maturation of human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocytes in engineered heart tissues. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 118, 147-158 (2018).
- Rodriguez, M. L., Werner, T. R., Becker, B., Eschenhagen, T., Hirt, M. N. Magnetics-Based Approach for Fine-Tuning Afterload in Engineered Heart Tissues. ACS Biomaterials Science & Engineering. 5 (7), 3663-3675 (2019).
- Mannhardt, I., et al. Automated Contraction Analysis of Human Engineered Heart Tissue for Cardiac Drug Safety Screening. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (122), e55461 (2017).
