يهدف هذا البروتوكول إلى تصنيع 3D spheroids القلبية (CSs) من خلال الخلايا المشتركة في زراعة في قطرات شنقا. يتم التعامل مع الكولاجين جزءا لا يتجزأ من CSs مع دوكسوروبيسين (DOX, عامل سمية) في التركيزات الفسيولوجية لنموذج فشل القلب. في المختبر الاختبار باستخدام DOX المعالجة CSs يمكن استخدامها لتحديد العلاجات الجديدة لمرضى فشل القلب.
على الرغم من التقدم في العديد من هندسة أنسجة القلب، لا يزال أحد التحديات الرئيسية للتغلب على توليد شبكة الأوعية الدموية تعمل بكامل طاقتها والتي تضم عدة مستويات من التعقيد لتوفير الأكسجين والمواد المغذية داخل أنسجة القلب المهندسة بيولوجيا. وقد طور مختبرنا نموذجًا ثلاثي الأبعاد في المختبر من قلب الإنسان، يعرف باسم “الزفير القلبي” أو “CS”. هذا يعرض البيوكيميائية والفسيولوجية، والسمات الدوائية نموذجية من قلب الإنسان ويتم إنشاؤها عن طريق المشاركة في زراعة ثلاثة أنواع الخلايا الرئيسية، مثل myocytes القلب، والخلايا البطانية، واللولب الليفي. يتم زرع الخلايا الجذعية المشتقة من الخلايا الجذعية المتعددة القدرات المستمدة من الخلايا الجذعية المستحثة بشريًا (hiPSC-CMs أو iCMs) في نسب تقارب النسب الموجودة في الجسم الحي مع الخلايا الليفية القلبية (HCFs) والخلايا البطانية الشريانية التاجية البشرية (HCAECs) في لوحات الثقافة المعلقة قطرة لمدة ثلاثة إلى أربعة أيام. تحليل confocal من CSs ملطخة بالأجسام المضادة ضد القلب Troponin T، CD31 و vimentin (علامات ل myocytes القلبية، والخلايا البطانية والضخامات الليفية، على التوالي) يظهر أن CSs تقديم شبكة الخلايا البطانية المعقدة، تشبه واحد الأصلي وجدت في قلب الإنسان. وهذا ما أكده تحليل تقديم ثلاثي الأبعاد لهذه الصور confocal. CSs أيضا تقديم مصفوفة خارج الخلية (ECM) بروتينات نموذجية من قلب الإنسان، مثل الكولاجين نوع الرابع، لامينين وليفي. وأخيراً، تقدم CSs نشاطًا منقّطًا يقاس كعقد متزامن أقرب إلى نموذج القلب البشري مقارنة بـ CSs التي تحتوي على أجهزة iCMs فقط. عند علاجها بعامل مضاد للسرطان مضاد للسرطان، مثل دوكسوروبايسين (DOX، المستخدم لعلاج سرطان الدم وسرطان الغدد الليمفاوية وسرطان الثدي)، فإن قابلية البقاء في CSs المعالجة بـ DOX تنخفض بشكل كبير عند 10 ميكرومتر من تثبيط جيني والكيميائية من مركب ثنائي الغدد الليمفاوية أكسيد النيتريك سينثاني، وهو هدف من المصب لـ DOX في HCFs وHCAECs، مما يقلل من سميته في CS. ونظرا لهذه الميزات الفريدة، وتستخدم حاليا CS كنماذج في المختبر لدراسة الكيمياء الحيوية القلب، الفيزيولوجيا المرضية، وعلم الصيدلة.
القلب البشري لديه قدرة تجديدية محدودة في حين أن أمراض القلب والأوعية الدموية (CVD) لا تزال السبب الرئيسي للوفاة في جميع أنحاء العالم على الرغم من التقدم الأخير في هندسة الأنسجة وتقنيات الخلايا الجذعية1. إن الحاجة إلى علاجات جديدة بما في ذلك الأساليب الجزيئية والخلوية لإصلاح القلب التالف أو منع القلب من الفشل هي واحدة من الاحتياجات السريرية الرئيسية الحالية للمرضى الذين يعانون من أمراض القلب2,3,4. الهدف الرئيسي من هندسة أنسجة القلب هو تصنيع أنسجة القلب ثلاثية الأبعاد (3D) التي تعرض الميزات الجزيئية والخلوية وخارج الخلية نموذجية من قلب الإنسان، بما في ذلك شبكتها الوعائية وظيفةالعقدية 4،5،6.
من أجل الهندسة الحيوية وتصنيع الأنسجة القلبية البشرية الوظيفية التي تحاكي قلب الإنسان لفي المختبر وفي تطبيقات الجسم الحي، وقد تم التحقيق في العديد من النهج بما في ذلك أنسجة القلب المهندسة (EHTs)، وأغطية الخلايا والثقافات spheroid7،8. ومع ذلك، هذه الأنسجة تفشل في تلخيص الأمثل 3D البيئة الدقيقة نموذجية من قلب الإنسان واستخدامها المحتمل لمرضى الأمراض القلبية الوعائية لا يمكن أن تترجم مباشرة من مقاعد البدلاء إلى السرير7. وذلك لأنها لا تُلخيّص البيولوجيا المعقدة، والمورفولوجيا، وعلم وظائف الأعضاء في أنسجة القلب في الجسم الحي9. أحد التحديات الرئيسية في هندسة الأنسجة القلبية يتضمن تطوير شبكة الأوعية الدموية الهرمية داخل أنسجة القلب المهندسة بيولوجيا، حيث أن أي نسيج أكبر من 200 ميكرومتر في القطر يطور موت الخلايا في منتصف2،10. شبكة الأوعية الدموية شكلت بشكل صحيح في أنسجة القلب البشري يلعب دورا رئيسيا في توريد الدم والأكسجين والمواد المغذية للخلايا القلبية11. خلال التطور الجنيني، تتشكل الشعيرات الشريانية التاجية والشرايين عن طريق تحلل الأوعية الدموية (تكوين الأوعية الدموية دي نوفو) وتكوين الأوعية الدموية (توليد الأوعية الدموية من تلك الموجودة مسبقا) من الخلايا السلف البطانية8،12. الليفية القلبية تلعب أيضا دورا رئيسيا في تكوين شبكة الأوعية الدموية السليم من خلال توفير المصفوفة من خارج الخلية الأمثل (ECM) وتكوين النمو13،14.
شبكة الأوعية الدموية 3D من أنسجة القلب الهندسة الحيوية تسيطر على بقاء الخلايا ووظيفتها من خلال خلق الأوكسجين والتدرجات المغذيات وإشارات paracrine، مثل تفاعل الخلايا المثلية، والتفاعل بين الخلايا غير المتغايرة، والتفاعل بين الخلايا من خلال البروتينات القابلة للذوبان المفرزة وخلية لتفاعلات ECM3،10،15،16،18. وهذا يمنع موت الخلايا في وسط الأنسجة ويعزز صلاحية الخلية والوظيفة الفسيولوجية في أنسجة القلب الهندسة الحيوية16,18,19.
وقد تم مؤخرا استكشاف الثقافات من الخلايا الجذعية من الخلايا الجذعية ونماذج في المختبر من قلب الإنسان20. لمزيد من تحسين البيئة الدقيقة القلبية في المختبر، وشملت استخدام جميع أنواع الخلايا الرئيسية الموجودة في قلب الإنسان، مثل myocytes القلب، والخلايا البطانية، والروبومات الليفية. الثقافات Spheroid تقديم الدعم الهيكلي 3D المطلوبة للخلايا للنمو وظيفة ويمكن استخدامها لهندسة حيوية شبكة الأوعيةالدموية 14,20,21,22. في هذا السياق، وقد وضعت مختبرنا spheroids القلب الإنسان (CSs) عن طريق زراعة الخلايا العضلية القلبية المشتركة، والخلايا البطانية والالخلايا الليفية في النسب الموجودة في قلب الإنسان14. هذا النموذج هو التوسع في الخلايا القلبية البطينية الفئران نموذج spheroid، ولدت من قبل الخلايا القلبية المشتركة في زراعة الثقافات قطرة معلقة، وتستخدم لنموذج تليف القلب21. يمكن استخدام CSs الإنسان كمقايسات سمية عن طريق علاجها دوكسيوروبيسين (DOX، وهو عامل مضاد للسرطان يستخدم لعلاج سرطان الدم، سرطان الغدد الليمفاوية وسرطان الثدي)، وهو معروف بالحث على تليف القلب وفشل القلب (HF) حتى 17 عاما بعد14من تنظيم الدم.
في هذه المخطوطة، نحن وصف كيفية توليد CSs الإنسان عن طريق زرع مشترك الإنسان الناجمة عن الخلايا الجذعية المشتقة من القلب (هيبس-CMs أو iCMs)، الخلايا الليفية القلبية (HCFs) والخلايا البطانية الشريان التاجي البشرية (HCAECs) في الثقافات قطرة معلقة. من أجل استخدام وصورة CSs للاختبار في المختبر، فهي جزءا لا يتجزأ من هلام الكولاجين. أظهر التحليل confocal من CSs ملطخة بالأجسام المضادة ضد CD31، علامة للخلايا البطانية، أن هذه الخلايا تشكل شبكة مماثلة لتلك التي لوحظت في الجسم الحي. للحث HF وربما اختبار وكلاء الرواية التي قد علاج أو منع ذلك، تم علاج CSs مع 10 μM DOX (تركيز وجدت في مجرى الدم لمرضى السرطان تلقي الدواء). عندما تلطخ مع الكالسين-AM و ethidium homodimer (تلطيخ الخلايا الحية والميتة, على التوالي), DOX- المعالجة CSs تقديم انخفاض كبير في القدرة على البقاء بالمقارنة مع CSs التي لم تتلق الدواء. كما تقدم CSs نشاطًا مندّدًا متجانسًا عند سرعة الوتيرة باستخدام التحفيز المحتمل للمجال بين 1 و3 هرتز.
الناحية التنموية ، وتشكيل شبكة الأوعية الدموية السليم أمر بالغ الأهمية لتوليد الأنسجة الوظيفية ، بما في ذلك قلب الإنسان10،12،23،24،25،26. النظر في الأوعية الدموية السليمة من الأنسجة 3D تسمح بتبادل الأكسجين، وعوامل النمو، الجزيئات الإشارات والمواد المغذية، ومنع تطور نخر الخلايا داخل أي الأنسجة سمكا من 200 ميكرومتر6،10،12،17،24،25،26،28. تتوفر حاليا في النماذج في المختبر 3D القلب التي تقدم شبكة الأوعية الدموية هي في المقام الأول تقديم الشعيرات الدموية الحجم، شبكات الأوعية الدموية غير المنظمة وتفتقر إلى المركب الهرمية تشعب الأوعية الدموية احظت في الجسم الحي6،8،29. إن النهج البديل لتطوير شبكة الخلايا البطانية القلبية المعقدة الموصوفة في هذه المخطوطة يعرض تحسين جدوى الخلية ووظيفته مقارنة بالنماذج الموجودة(الشكل 1)14،22. 3D في المختبر CSS نموذج قلب الإنسان عن طريق تلخيص أفضل لها في بيئة حيوية، بما في ذلك مكوناتها الجزيئية والخلوية وخارج الخلية14،22. CS جيل من الخلايا الجذعية المشتقة من الخلايا في قطرات شنقا تسمح ثقافاتهم في ظروف محددة (على سبيل المثال، وأنواع الخلايا ونسبة، وتشكيل الأنسجة السليمة). الثقافات المشتركة لـ iCMs جنبا إلى جنب مع HCFs و HCAECs داخل CSs تحدد الTalk عبر الجزيئية والخلوية التي تنظم فيزيولوجيا أمراض القلب، بما في ذلك وظيفتها العقدية والاستجابة للأدوية بتركيزات موجودة في مجرى الدم للمريض14. بسبب هذه الميزات الفريدة، وقد استخدمت CSs لنموذج تليف القلب، نتيجة خطيرة ل احتشاء عضلة القلب وفشل القلب21. أظهرت دراساتنا السابقة كيف أن وجود كل من الخلايا البطانية والليفية أمر بالغ الأهمية لإعادة تجميع البيئة الدقيقة الوعائية في قلب الإنسان ، مما يسمح بالترسب الأمثل لبروتينات ECM المشتقة من الخلايا الليفية ، مثل اللامينين والألياف الكولاجينية من النوع الرابع ، مترجمة على مقربة من شبكة الخلايا البطانية النامية14،21.
DOX هو دواء معروف للرضع الكردي التي قد تتطور فشل القلب في مرضى السرطان حتى بعد 17 عاما من علاجهم30. ومع ذلك، فإنه لا يزال الدواء المفضل لعلاج سرطان الدم وسرطان الغدد الليمفاوية في المرضى الأطفال وسرطان الثدي لدى النساء30. وقد استخدم علاج DOX في CSs بعد ذلك لنموذج فشل القلب (HF) في المختبر لدراسة كل من الآليات المنظمة للسمية في الخلايا العضلية القلبية والخلايا البطانية والليفية14 ونموذج تليف القلب الناجم عن HF21. تم تخفيض صلاحية الخلية إحصائيا في DOX CSs المعالجة في غضون 24 ساعة عندما تعرضت للدواء في التركيز الموجود في مجرى الدم لمرضى السرطان (بين 5 و 10 μM)14 (الشكل 2). أظهرت الدراسات السابقة في مختبرنا أيضًا التأثيرات السامة لـ DOX على كل من الخلايا البطانية القلبية والأبلوستات الليفية عبر مركب أكسيد النيتريك البطانية (eNOS) باستخدام كل من مثبطات جينية والكيميائية لهذا المسار الإشارات14. استخدام الجينية (NOS3 SHRNA) والكيميائية (N5-(1-iminoethyl)-L-ornithine، ديهيدروكيلوريد، أو L-NIO) الخصوم من مسار إشارة eNOS كهدف المصب من DOX منع آثاره السامة في كل من الخلايا البطانية القلبية والليفية14.
كما تم قياس النشاط التقلصي داخل CSs بفضل اقتران كهربائي للخلايا القلبية عند التعرض للتحفيز الميداني المحتمل. وجدنا أن CSs مثقف مع وسائل الإعلام التحكم (DOX 0 μM) عقد تلقائيا وبشكل متجانس بمعدل الضرب التي يمكن أن يكون يسير من قبل التحفيز الميداني داخل 1 و 3 هرتز، قابلة للمقارنة مع قلب الإنسان السليم. من ناحية أخرى، لا تتبع CSs المعالجة بـ DOX التحفيز الكهربائي لأنها لا تستطيع التعاقد. جنبا إلى جنب مع قياسات صلاحية الخلية والسمية باستخدام الكالسين-AM و ethidium homodimer, هذا الاحسان وظيفية لوظيفة التعاقد CS تسمح بتقييم السيناريو المعقدة نموذجية من قلب الإنسان في المختبر, حاليا لا يمكن تحقيقه مع نماذج أخرى. بالمقارنة مع قياسات النشاط العقدي للخلايا القلبية المفردة باستخدام نفس النظام، فإننا لسنا قادرين على تصور وقياس الساركومير في CSs. لذلك ، نحن تقتصر على قياسات النسبة المئوية للتقصير spheroid مع مرور الوقت ، وهو فحص كان علينا أن نطوره داخل مختبرنا. ونحن السيطرة على عدد من الخلايا، ونحن شارك في الثقافة في كل CS، وبالتالي حجم كل CS، ونحن الاستفادة من CSs مع حجم مماثل أن تقدم في الواقع وظيفة المتعاقدة متجانسة. ومع ذلك ، حتى في حال قمنا بتوليد CSs من أحجام مختلفة ، لم يتغير نشاطها العقدي.
ومن المهم أيضاً أن نبلغ بأن طبيعة الخلايا المتعددة لـ CSs تجعلها ثقيلة بما يكفي لإضفاء الطابع المحلي على أسفل الغطاء في نظام أيون-أوبتيكس، حتى في حالة غرسها في المستويات الفائقة. استنادا إلى حقيقة أن CSs الجلوس بأنفسهم في موقف محدد، ونحن لسنا بحاجة لجعلها تلتزم غطاء، على العكس من ما يتم عادة مع خلايا القلب واحد في معظم المختبرات.
التحليل المجهري لCSS الملطخة بالأجسام المضادة ضد القلب تروبونين T، CD31/PECAM، وPECAM (كما علامات لCCMs، HCAECs، وHCFs، على التوالي) أظهرت تشكيل شبكة الخلايا البطانية(الشكل 1، الأزرق). لاستبعاد كامل نخر في الجزء الداخلي من CSs، تم إجراء التقييم المكاني لقابلية الخلية في مختبرنا عن طريق التحليل الثقفي من الكالسين-AM/ethidium homodimer الملطخة CSs(البيانات غير مبينة). ومع ذلك، من المهم أن نعترف بأن التطورات المستقبلية في مجال المعالجة البيولوجية لتكميم أفضل السمات المعقدة الأخرى النموذجية للقلب البشري في الجسم الحي، غير متوفرة حاليا في النموذج الحالي. وتشمل هذه: ط) وظيفة انكماشية نموذجية من أمراض القلب الكبار; 2) تدفق الدم وقوى الضغط؛ ‘3’ إشارات الباراكرين؛ iv) الاستجابة المناعية, والتي ستكون حاسمة لتحسين هذا وغيره في نماذج القلب في المختبر6. كما أن أي نموذج آخر يهدف إلى تلخيص السمات الرئيسية إما لالأنسجة السليمة أو حالة المرض، بروتوكول لتوليد واستخدام CS الموصوفة في هذه المخطوطة يهدف إلى مساعدة الباحث في معالجة أسئلة محددة، التي قد لا تكون شاملة باستخدام هذا النهج. على سبيل المثال، من شأن الاستخدام المحتمل للخلايا المشتقة من المرضى لتوليد CSs توفير أدوات للطب الشخصي، غير متوفر حاليا باستخدام الأقوال المتاحة عادة عالية الإنتاجية لأبحاث القلب والأوعية الدموية.
في الختام، أظهرنا طريقة بسيطة لتكميم بيئة القلب البشري الدقيقة بشكل أفضل باستخدام خلايا القلب. الزنجيات القلبية تقديم شبكة الخلايا البطانية التي يلخص أفضل واحد موجود في قلب الإنسان مقارنة بثقافات أحادية الطبقات من الخلايا القلبية. نظراً لخصائصها الفريدة، فهي تمثل أدوات متقدمة للاختبارات المختبرية لأبحاث القلب والأوعية الدموية. يمكن أن توفر الدراسات المستقبلية باستخدام الخلايا المشتقة من المريض خيارات للطب الشخصي والعلاجات الجديدة لمنع أمراض القلب والأوعية الدموية وعلاجها بشكل أفضل.
The authors have nothing to disclose.
شكر خاص لنات جونستون لتسجيل وتحرير الفيديو.
وقد تم دعم بونام شارما من جامعة نيوكاسل مع UNIPRS و UNRS المركزية وكلية كلية (UNRSC5050) المنح الدراسية. تم دعم كارمين جنتيل من قبل تمويل البذور UTS، الأبرشية الكاثوليكية من منحة سيدني لأبحاث الخلايا الجذعية للبالغين ومؤسسة كلية الطب في سيدني جراحة القلب والصدر منحة البحوث.
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A1933 | |
Donkey anti-mouse Secondary Antibodies | Jackson Immunological Research Labs, Inc. | 715-165-150 | Cyanine Cy3-conjugated secondary antibody |
Doxorubicin hydrochloride | Sigma-Aldrich | D1515 | |
Fibronectin | Sigma-Aldrich | F1141-1MG | From Bovine Plasma |
Human cardiac fibroblasts (HCFs) | Cell Applications, Inc., San Diego, CA, USA | 306AK-05a | 5×10^5 Cells (Adult), Medium & Subculture Reagents |
Human coronary artery endothelial cells (HCAECs) | Cell Applications, Inc., San Diego, CA, USA | 300K-05a | 5×10^5 Cells (Adult), Medium & Subculture Reagents |
Human iPSC-derived cardiomyocytes (iCMs) | Fujifilm Cellular Dynamics, Inc. | R1057 | iCell Cardiomyocytes Kit, 01434 |
HCF Growth medium | Cell Applications, Inc., San Diego, CA, USA | 316-500 | |
Human MesoEndo Cell Growth Medium | Cell Applications, Inc., San Diego, CA, USA | 212-500 | |
LIVE/DEAD Viability/Cytotoxicity Kit | Invitrogen, Carlsbad, CA, USA | L3224 | |
Maintenance Medium (iCells) | Fujifilm Cellular Dynamics, Inc. | R1057 | iCell Cardiomyocytes Kit, 01434 |
Mouse Monoclonal anti-human CD31/PECAM | BD Pharmingen, San Diego, CA, USA | 566177 | |
NucBlue Live ReadyProbe Reagent (Hoechst 33342) | Invitrogen, Carlsbad, CA, USA | R37605 | |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | P6148 | |
Phosphate-Buffered Saline | Sigma-Aldrich | D8537 | |
Plating Medium (iCells) | Fujifilm Cellular Dynamics, Inc. | R1057 | iCell Cardiomyocytes Kit, 01434 |
Rat Tail Collagen | Sigma-Aldrich | C3867 | |
Sodium Azide | Sigma-Aldrich | S2002 | |
Trypsin–EDTA, 0.25% | Gibco, Thermofisher Scientific | 25200072 | |
Trypan Blue Solution, 0.4% | Gibco, Thermofisher Scientific | 15250061 | |
Triton-X 100 | Sigma-Aldrich | X100 | |
Tissue culture flasks (T25) | Thermofisher Scientific | 156367 | |
96-well Flat Clear Bottom Black Polystyrene TC-treated Microplates | Corning, New York, USA | 3603 | |
384-Well Hanging Drop Plate | 3D Biomatrix, Ann Arbor, MI, USA | HDP1385 |