מתואר כאן תהליך עבודה פשוט להבדיל בין תאי אנדותל לתאי גזע פלוריפוטנטיים אנושיים ואחריו פרוטוקול מפורט לגירוי המכני שלהם. זה מאפשר לחקור את המכנוביולוגיה ההתפתחותית של תאי אנדותל. גישה זו תואמת לבדיקות במורד הזרם של תאים חיים שנאספו משבב התרבית לאחר גירוי מכני.
הלב הוא האיבר הראשון שהוקם תפקודית במהלך ההתפתחות, ובכך מתחיל את זרימת הדם בשלב מוקדם מאוד בהריון. מלבד הובלת חמצן וחומרים מזינים כדי להבטיח את גדילת העובר, זרימת הדם העוברית שולטת באירועים התפתחותיים חיוניים רבים המתרחשים בתוך שכבת האנדותל באמצעות רמזים מכניים. אותות ביומכניים גורמים לשינויים מבניים בכלי הדם, קובעים מפרט עורקי ושולטים בהתפתחות תאי גזע המטופויטיים. חוסר הנגישות של הרקמות המתפתחות מגביל את הבנת תפקיד המחזור בהתפתחות האנושית המוקדמת; לכן, מודלים במבחנה הם כלים מרכזיים לחקר מכנוביולוגיה של כלי שיט. מאמר זה מתאר פרוטוקול להבדיל תאי אנדותל מתאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים על ידי בני אדם וזריעתם לאחר מכן לתוך מכשיר נוזלי כדי לחקור את תגובתם לרמזים מכניים. גישה זו מאפשרת תרבית ארוכת טווח של תאי אנדותל תחת גירוי מכני ולאחר מכן שליפה של תאי האנדותל לצורך אפיון פנוטיפי ופונקציונלי. מודל ה- in vitro שהוקם כאן יהיה חיוני להבהרת המנגנונים המולקולריים התוך-תאיים המתמרים את האיתות בתיווך רמזים מכניים, אשר בסופו של דבר מתזמרים את התפתחות כלי הדם במהלך חיי העובר האנושי.
במהלך ההתפתחות העוברית, הלב הוא האיבר הראשון שביסס פונקציונליות1, עם התכווצויות ניתנות לזיהוי מהשלב המוקדם ביותר של היווצרות צינור הלב2. זרימת הדם, יחד עם הרמזים המכניים המתווכים על ידי זרימת הדם בתוך כלי השיט, שולטת בהיבטים מכריעים רבים של התפתחות מוקדמת. לפני הקמת מחזור הדם העוברי, כלי הדם מאורגנים במקלעת נימים ראשונית; עם תפקוד הלב, מקלעת זו מתארגנת מחדש לכלי דם ורידיים ועורקיים3. תפקידם של רמזים מכניים באפיון העורקים משתקף על ידי ביטוי פאן-אנדותל של סמנים עורקיים וורידיים לפני תחילת זרימת הדם4.
כוחות המודינמיים לא רק שולטים על התפתחות כלי הדם עצמם, אלא גם ממלאים תפקיד בסיסי בשליטה על היווצרות תאי הדם. תאי גזע ותאי אב המטופויטיים (HSPCs) יוצאים מתאי אנדותל מיוחדים הנקראים אנדותל המוגן 5,6,7,8, הנמצאים באזורים אנטומיים שונים של העוברים אך ורק בשלב המוקדם של ההתפתחות. מודלים של מחסור בלב, יחד עם מודלים במבחנה, הוכיחו כי רמזים מכניים מורים ומגבירים את ייצור HSPC מהאנדותל ההמוגן 9,10,11,12,13,14.
סוגים שונים של דינמיקת זרימה הוכחו כשולטים באופן דיפרנציאלי במחזור התא15, הידוע כחשוב הן באנדותל המוגן 16,17 והן במפרט תאי עורקים18. בסך הכל, רמזים מכניים הם גורמים קריטיים לזהות התא ולתפקודו במהלך ההתפתחות. התקנים פלואידים חדשניים במבחנה מאפשרים לנו להתגבר על המגבלות הכרוכות בחקר מכנוביולוגיה התפתחותית במהלך התפתחות הדם האנושי in vivo.
המטרה הכוללת של הפרוטוקול בכתב יד זה היא לתאר, שלב אחר שלב, את צינור הניסוי לחקר ההשפעה של לחץ גזירה על תאי אנדותל אנושיים שמקורם במבחנה מתאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים על ידי בני אדם (hiPSCs). פרוטוקול זה מכיל הוראות מפורטות על התמיינות של hiPSCs לתאי אנדותל וזריעתם לאחר מכן לתוך שבבים נוזליים עבור פרוטוקול הגירוי. באמצעות שימוש זה, תאי אנדותל שונים במבחנה יכולים להיבדק על יכולתם לחוש את לחץ הגזירה על ידי ניתוח האוריינטציה שלהם בתגובה לזרימה. זה יאפשר למעבדות אחרות לענות על שאלות לגבי התגובה ללחץ גזירה וההשלכות התפקודיות שלה על זהויות שונות של תאי אנדותל.
הפרוטוקול שאנו מתארים כאן מאפשר יצירה של תאי אנדותל רגישים למכנו מתאי גזע פלוריפוטנטיים אנושיים וחקר תגובתם לגירוי מכני המתווך על ידי לחץ גזירה מבוקר. פרוטוקול זה מבוסס כולו על ציטוקינים ותואם באופן מלא לריאגנטים GMP לתרגום פוטנציאלי לייצור תאים לטיפול תאי.
הנגזרת של hiPSCs מספקת למדענים מודל אינסטרומנטלי לשלבים המוקדמים של התפתחות עוברית, המאפשר לחקור תהליכים שאחרת קשה לחקור in vivo24. למעשה, רקמות עובריות אנושיות הזמינות למחקר נאספות מעוברים חסרי מחזור דם, ועשויה להיות לכך השפעה משמעותית על החתימה המולקולרית הנשלטת על ידי רמזים מכניים. הגישה המתוארת כאן מאפשרת הדמיה חיה ומחקר בזמן אמת של תגובת התא ללחץ גזירה. השילוב של hiPSCs עם פלואידיקה מספק מודל של מחקר המתגבר על הזמינות המוגבלת וחוסר הנגישות של רקמות העובר המתפתחות כאשר התחלת מחזור הדם מחדש ושולטת על הקמת מערכת הלב וכלי הדם 3,9,10,25.
מגבלה של הפרוטוקול היא שתאי האנדותל הנגזרים מפרוטוקול זה עשויים שלא לשקף את הזהויות השונות של תאי אנדותל שונים הקיימים ברקמות המתפתחות. כדי להתגבר על מגבלה זו, ייתכן שיהיה צורך בשילוב ספציפי של ציטוקינים במהלך תהליך ההתמיינות שקדם לגירוי הנוזלי כדי להשיג את הזהות הרצויה או פנוטיפ ספציפי לרקמה26. ניתן לקבל בידוד של תת-קבוצות אנדותל באמצעות אימונופנוטיפ מעודן יותר במהלך שלב הבידוד. פרוטוקול זה מבודד תאי אנדותל רק על סמך ביטוי CD34, ובכך מאפשר בידוד עמודות במקום מיון תאים המופעלים על ידי פלואורסצנטיות (FACS); זה מפחית מוות תאי ואת הסיכון של זיהום. יתר על כן, פרוטוקול זה תוכנן במיוחד כדי לחקור את התפקיד של מתח גזירה מתווך על ידי זרימה למינרית. יהיה צורך להשתמש בגישות פלואידיות חלופיות כדי לחקור את ההשפעה של רמזים מכניים אחרים, כגון מתיחה או דחיסה, או סוגים אחרים של זרימה כגון זרימה מופרעת או מופרעת.
הראינו בעבר כי תאי אנדותל שמקורם ב-iPSC מחקים את הזהויות התאיות העורקיות ההטרוגניות27 בדומה לזה שנצפה באבי העורקים הגבי העוברי28,29,30. יש לכך חשיבות מיוחדת בהקשר של התפתחות כלי הדם והאפיון התאי, הידוע כנשלט על ידי מחזור הדם. מחקרים במודלים שונים הראו כי חוסר זרימת דם גורם לשינוי מפרט עורקי11,14,31. המנגנונים המחברים רמזים מכניים עם מפרט התא עדיין אינם ידועים, והצנרת המתוארת כאן מאפשרת מחקרים פונקציונליים מעודנים שלא ניתן היה לבדוק in vivo.
צינור זה מתאר את הייצור והגירוי של תאי אנדותל שמקורם בתאי גזע גזעיים גבוהים באמצעות תעלות פלואידיות זמינות מסחרית, תוך הימנעות מהצורך ביציקת המכשירים כמו בהתקני פולידימתילסילוקסאן (PDMS) הנמצאים בשימוש נרחב12. יתר על כן, השימוש בשבבי PDMS הופך את איסוף התאים המגורה למאתגר במיוחד, בעוד שעם פרוטוקול זה, ניתן לשלוף את התאים בקלות מהערוץ. זה משפר באופן משמעותי את הכוח האנליטי המאפשר ניתוח עוקב כגון ניתוחים פרוטאומיים ו transcriptomic, ציטומטריה זרימה, ובדיקות פונקציונליות, אשר עשוי להזדקק תרבית נוספת או בדיקות in vivo .
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי מענק המחקר המתקדם 2021 מהאגודה ההמטולוגית האירופית, פרס המחקר העולמי 2021 מהאגודה האמריקאית להמטולוגיה, וקרן התמיכה באסטרטגיה פנימית ISSF3 במימון קרן ברוכים הבאים ואוניברסיטת אדינבורו. אנו מודים לפיונה רוסי ממתקן ציטומטריית הזרימה על התמיכה בניתוח ציטומטריית זרימה. לצורך גישה פתוחה, המחבר החיל רישיון Creative Commons Attribution (CC BY) על כל גרסה של כתב היד המקובל על המחבר הנובעת מהגשה זו.
0.6 Luer uncoated slide | ibidi | IB-80186 | |
25% BSA | Life Technologies | A10008-01 | |
6-well plates | Greiner Bio-one | 657160 | |
Accutase | Life Technologies | A1110501 | Cited as Dissociation reagent |
Ascorbic acid | Merck | A4544-100G | |
Aspiration pipette | Sardtedt | 86.1252.011 | |
B27 supplement | Life Technologies | 17504044 | Cited as Neuronal cell culture supplement (50x) |
BD FACS DIVA | BD Biosciences | Version 8.0.1 | Cited as flow cytometry software |
BD LSR Fortessa 5 Laser | BD Biosciences | ||
bFGF | Life Technologies | PHG0021 | |
CD34 Microbead kit | Miltenyil Biotec | 30-046-702 | |
CD34 PE clone 4H11 | Invitrogen | 12-0349-42 | |
CD34 PerCP-eFluor 710 clone 4H11 | Invitrogen | 44-0349-42 | |
Cellstar cell-repellent surface 6-well plates | Greiner Bio-one | 657970 | Cited as cell-repellent plate |
CHIR99021 | Cayman Chemicals | 13122-1mg-CAY | |
Cryostor CS10 cell cryopreservation | Merck | C2874-100ML | Cited as Cryopreservation solution |
Dimethyl Sulfoxide | VWR | 200-664-3 | Cited as DMSO |
DMEM/F-12 | Life Technologies | 10565-018 | |
DPB Ca2+ Mg2+ | Life Technologies | 14080055 | |
DPBS | Life Technologies | 14200075 | |
EASY Strainer 40 μm | Greiner Bio-one | 542040 | |
EDTA | Life technologies | 15575020 | |
FcR Blocking Reagent | Miltenyil Biotec | 130-059-901 | |
Fiji | Version 1.53c | ||
Flow Jo | Version 10.7.1 | Cited as flow cytometry sanalysis oftware | |
FLT3L | Peprotech | 300-19-10uG | |
Fluidic unit | ibidi | 10903 | |
GlutaMax | Life Technologies | 35050038 | Cited as L-glutamine supplement |
Ham F-12 | Life Technologies | 11765054 | |
Holo-transferrin | Merk | T0665-500MG | |
Human Serum Albumin | Fujifilm UK LTD | 9988 | |
Ibidi Pump system | ibidi | 10902 | Cited as Pump system |
IMDM | Life Technologies | 12440053 | |
Inverted microscope | ioLight/Thisle Scientific | IOL-IO-INVERT | Cited as inverted in-incubator microscope |
Lyophilised BSA | Merck | A2153-100G | |
MiniMACS Separator | Miltenyil Biotec | 130-042-102 | Cited as Magnetic separator |
MS Columns | Miltenyil Biotec | 130-042-201 | Cited as Magnetic column |
MTG | Merck | M6145-25ML | |
N2 supplement | Life Technologies | 17502048 | |
Notebook for pump system | ibidi | 10908 | |
Paraformaldehyde 37-41% | Fisher Chemicals | F/1501/PB15 | |
Pastette | Greiner Bio-one | 612398 | |
Pen/Strep | Gibco | 15070063 | |
Perfusion Set YELLOW/GREEN: 50 cm, ID 1.6 mm, 10 mL reservoirs | Ibidi | IB-10964 | Cited as Perfusion set |
Polystyrene Round Bottom Tubes | Falcon | 352008 | Cited as Flow cytometry tubes |
Prism 9 | Verison 9.4.0 | ||
Pump control software | ibidi | version 1.6.1 | Cited as Pump software |
ReLeSR | Stem cell tecchonologies | 5872 | Cited as Detaching solution |
rhBMP4 | R&D | 314-BP-010 | |
rhEPO | R&D | 287-TC-500 | |
rhIGF1 | Peprotech | 100-11-100uG | |
rhIL11 | Peprotech | 200-11-10uG | |
rhIL3 | Peprotech | 200-03-10uG | |
rhIL6 | R&D | 206-IL-010 | |
rhLaminin-521 | Life technologies | A29248 | Cited as Laminin |
rhSCF | Life Technologies | PHC2111 | |
rhTPO | R&D | 288-TPN-025 | |
rhVEGF | R&D | 293-VE-010 | |
RLT Lysis Buffer | Qiagen | 79216 | |
Serial Connector for µ-Slides: Sterile, Sterile | ibidi | IB-10830 | |
StemPro-CD34 SFM media | Life Technologies | 10639011 | Cited as Serum-Free media for CD34+ cells (SFM-34) |
StemPro-CD34 Nutrient Supplement | Life Technologies | 10641-025 | Cited as 34 nutrient supplement |
StemPro hESC SFM | Life Technologies | A1000701 | Cited as Culture media |
StemPro supplement | Life Technologies | A10006-01 | |
Vitronectin (VTN-N) recombinant human protein, truncated | Invitrogen | A31804 | |
Y-27632 dihydrochloride | Tocris | 1254 | Cited as iRock |
β-Mercaptoethanol | Gibco | 21985023 |