RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ar
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Rafeeh Dinani1,2, Emmy Manders1,2,3, Michiel Helmes1,2,3, Lili Wang4, Bjorn C. Knollmann4, Diederik W. D. Kuster1,2, Jolanda van der Velden1,2
1Division of Physiology, Amsterdam UMC,Vrije University, 2Heart Failure & Arrhythmias,Amsterdam Cardiovascular Sciences, 3CytoCypher BV, 4Division of Clinical Pharmacology,Vanderbilt School of Medicine
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
هنا ، يتم وصف طريقة راسخة لإجراء قياسات الانقباض والكالسيوم في خلايا عضلة القلب المشتقة من الخلايا الجذعية متعددة القدرات التي يسببها الإنسان باستخدام منصة قائمة على البصريات. تمكن هذه المنصة الباحثين من دراسة تأثير الطفرات والاستجابة لمختلف المحفزات بطريقة سريعة وقابلة للتكرار.
تمثل الخلايا العضلية القلبية المشتقة من الخلايا الجذعية البشرية (hiPSC-CMs) أداة قوية لدراسة التغيرات بوساطة الطفرة في وظيفة عضلة القلب وتحديد آثار الضغوطات والتدخلات الدوائية. في هذه الدراسة ، ثبت أن هذا النظام القائم على البصريات هو أداة قوية لتقييم المعلمات الوظيفية ل hiPSC-CMs في 2D. باستخدام هذه المنصة ، من الممكن إجراء قياسات مزدوجة في بيئة درجة حرارة محفوظة جيدا على تخطيطات لوحات مختلفة. علاوة على ذلك ، يوفر هذا النظام للباحثين تحليلا فوريا للبيانات.
تصف هذه الورقة طريقة لقياس انقباض hiPSC-CMs غير المعدلة. يتم قياس حركية الانكماش عند 37 درجة مئوية بناء على تغيرات ارتباط البكسل بالنسبة إلى إطار مرجعي تم التقاطه عند الاسترخاء عند تردد أخذ العينات 250 هرتز. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن الحصول على قياسات متزامنة لعابرات الكالسيوم داخل الخلايا عن طريق تحميل الخلية بفلوروفور حساس للكالسيوم ، مثل Fura-2. باستخدام مفتاح فائق ، يمكن إجراء قياسات الكالسيوم النسبية على بقعة إضاءة قطرها 50 ميكرومتر ، بما يتوافق مع منطقة قياسات الانقباض.
قصور القلب هو السبب الرئيسي للوفاة في جميع أنحاء العالم. في عام 2019 ، تسببت أمراض القلب والأوعية الدموية في 18.6 مليون حالة وفاة على مستوى العالم ، مما يعكس زيادة بنسبة 17.1٪ خلال العقدالماضي 1. على الرغم من الجهود التي يبذلها الباحثون لتحديد أهداف الأدوية للوقاية من قصور القلب وعلاجه ، لا تزال نتائج المرضى ضعيفة2. يمكن أن يكون الاختلاف في الفيزيولوجيا المرضية للنماذج الحيوانية فيما يتعلق بالبشر أحد العوامل الأساسية في النجاح المحدود لتحسين علاج قصور القلب3. هناك ما يبرر نماذج إضافية شبيهة بالإنسان لنمذجة المرض واختبار سمية وفعالية مركبات الأدوية الجديدة.
تمثل الخلايا العضلية القلبية المشتقة من الخلايا الجذعية البشرية (hiPSC-CMs) أداة قوية لتحديد الآليات المرضية الخلوية التي تسببها الضغوطات أو نقص التروية أو التمثيل الغذائي المتغير أو المتغيرات الجينية المسببة للأمراض وفعالية وسمية التدخلات الدوائية4. لتحديد التأثيرات على الخصائص الوظيفية ل hiPSC-CMs ، هناك ما يبرر وجود نظام عالي السرعة يقيس الخصائص الانقباضية والانبساطية للانقباضات الخلوية بطريقة غير متحيزة وقابلة للتكرار. هذا الهدف العام للدراسة الحالية هو إثبات أن النظام القائم على البصريات هو أداة قوية لإجراء تحليلات في الوقت الفعلي للمعلمات الوظيفية ل hiPSC-CMs.
حاليا ، هناك منصات متعددة لتقييم انقباض hiPSC-CMs. ومع ذلك ، فإن الأنظمة الحالية إما تقدم قراءة بطيئة ، أو قد يمثل العدد المطلوب من الخلايا تحديا. تعتمد أنظمة قياس الفيديو الخالية من الملصقات 5,6 على التحليل اللاحق لمقاطع الفيديو ، الأمر الذي يتطلب مساحة تخزين كبيرة ويفتقر إلى التعليقات المباشرة أثناء الحصول على الفيديو. وبالإضافة إلى ذلك، يصعب تحقيق استبانة زمنية ومكانية كافية، وقد يؤدي ذلك إلى نقص العينات. قد تتداخل الطرق الأخرى لتحديد خصائص الخلايا العضلية القلبية ، مثل التكرارات العنقودية القصيرة المتباعدة بانتظام (CRISPR) / HiPSC-CMs7 المحررة بواسطة Cas9 مع مراسلي الفلورسنت مع استقرار الجينات للخلايا وتتطلب خبرة مخبرية متخصصة.
للتغلب على القيود المذكورة أعلاه ، تم تطوير نظام قياس فريد قائم على البصريات وتقديمه في هذه الدراسة. تتيح هذه المنصة قياسات الانقباض على hiPSC-CMs غير المعدلة ببساطة عن طريق إعادة طلائها على أي تنسيق لوحة مطلوب ، دون أي قيود في حجم اللوحة. علاوة على ذلك ، تسمح القياسات في الوقت الفعلي بالمراقبة والتحليلات المباشرة للمعلمات الوظيفية ل hiPSC-CMs ، وبالتالي توفر إعدادا تجريبيا لضبط البروتوكولات وتحسينها على الفور. علاوة على ذلك ، يتم تخزين موقع كل قياس ، مما يتيح إجراء قياسات مزدوجة على نفس العينة ، وبالتالي زيادة قوة التجارب.
لإثبات النظام القائم على البصريات ، تم إجراء قياسات الانقباض على خط التحكم hiPSC-CM. تم إنشاء خط التحكم hiPSC هذا من الخلايا الليفية الجلدية لمتبرع ذكر سليم مع النمط النوويالطبيعي 8. تم قياس حركية الانكماش عند 37 درجة مئوية ، بناء على تغيرات ارتباط البكسل بالنسبة إلى إطار مرجعي تم التقاطه أثناء الاسترخاء عند تردد أخذ العينات 250 هرتز. نظرا لأنه لا يمكن دائما تحديد البداية الدقيقة للانكماش بشكل لا لبس فيه ، فقد تم أخذ النقطة الزمنية التي تم فيها الوصول إلى 20٪ من ارتفاع الذروة (الوقت إلى الذروة 20٪) كنقطة انطلاق لقياسات الوقت حتى الذروة. من خلال القيام بذلك ، تم العثور على تباين أقل لهذه المعلمة داخل عينة واحدة. وبالمثل، نظرا لصعوبة تقييم اللحظة الدقيقة التي تعود فيها الإشارة إلى خط الأساس، فقد تم استخدام الوقت المستغرق للوصول إلى 80٪ من العودة إلى خط الأساس من الذروة (الوقت إلى خط الأساس 80٪) لوصف وقت الاسترخاء.
تضمنت قياسات الانقباض الإجمالية ترددات الضرب أثناء الراحة ، والوقت من 20٪ من الذروة إلى الذروة (TP. Con) ، والوقت من ذروة الانكماش إلى 80٪ من خط الأساس (TB. Con80) (الشكل 1 ب). لاختبار تأثير الإجهاد ، تم تحضين الخلايا باستخدام الأيزوبرينالين (ISO). بالإضافة إلى ذلك ، بالتزامن مع قياسات الانقباض ، تم قياس عابري Ca 2+ عن طريق تحميل الخلايا باستخدام إستر Fura-2-acetoxymethyl (Fura-2 AM) بتردد أخذ عينات يبلغ 250 هرتز. تم إجراء قياسات Ratiometric Ca 2+ 9 باستخدام مفتاح فائق على منطقة إضاءة قطرها 50 ميكرومتر ، المقابلة لمنطقة قياسات الانقباض. يتم تصوير بيانات قياس Ca 2+ على أنها الوقت من 20٪ من الذروة إلى الذروة في Ca2+ العابر (TP.Ca) والوقت من الذروة إلى 80٪ من خط الأساس (TB.Ca80) (الشكل 1C). تم استخدام أداة تحليل بيانات سريعة وتلقائية للحصول على متوسط المعلمات الحركية للانقباض والكالسيوم لكل منطقة.
1. إعداد وسائط زراعة الخلايا والكواشف
2. زراعة hiPSC-CMs
3. قياسات الانقباض
4. قياسات الكالسيوم العابرة
5. تحليل البيانات
باتباع هذا البروتوكول ، تم إجراء قياسات الانقباض ، وعابرات Ca2+ ، والاستجابة لمركب في hiPSC-CMs. باستخدام نظام القياس القائم على البصريات هذا ، يمكن ببساطة إعادة طلاء hiPSC-CMs على اللوحات المطلوبة ، ويمكن إجراء قياسات الانقباض. يتم قياس الانقباض في منطقة اهتمام 100 ميكرومتر × 100 ميكرومتر (ROI) بمعدل 250 إطارا في الثانية عن طريق حساب ارتباط البكسل بالنسبة إلى إطار مرجعي. يتم اكتشاف الإطار المرجعي تلقائيا بواسطة النظام عند نهاية الانبساط. بالتزامن مع قياسات الانكماش ، يتم تسجيل عابر الكالسيوم النسبي.
في هذه الدراسة ، تم استخدام ثلاث جولات مختلفة من التمايز كثلاث نسخ بيولوجية. لكل دفعة من التمايز ، تم قياس ثلاثة آبار كنسخ تقنية مكررة. تم إجراء هذه الدراسة باستخدام 24 صفيحة بئر ، وتم قياس 10 مناطق داخل كل بئر. بعد القياسات ، تم استخدام برنامج CytoSolver لتحليل البيانات على الفور. تم الإبلاغ عن المعلمات التالية: تردد الضرب أثناء الراحة ، TP. يخدع ، والسل. Con80 من التحكم hiPSC-CMs (الشكل 2A-C). لتصور تباين البيانات لكل معلمة مذكورة ، يتم عرض القياسات داخل كل بئر ومتوسط قيم ثلاثة آبار لكل جولة من التمايز كقطع أرض فائقة10. لتقييم تباين البيانات بشكل أفضل لكل جولة من جولات التمايز وبين الجولات الثلاث ، تم حساب معامل التباين (الشكل 2D) لكل معلمة. كما هو موضح في الشكل 2D ، تقع قيم النسخ المتماثلة التقنية المقابلة لتكرار بيولوجي واحد ضمن نطاق قريب جدا من بعضها البعض (أي معامل تباين منخفض) ، مما يوضح متانة هذه الطريقة.
هذا التطبيق مناسب تماما لاختبار آثار المخدرات. هنا ، تم اختبار تأثير 500 nM ISO ، وهو ناهض مستقبلات β الأدرينالية غير الانتقائي ، على انقباض التحكم hiPSC-CMs. من المعروف أن هذا المركب يزيد من معدل ضربات القلب ويمارس تأثيرا إيجابيا لوسيتروبيك. كما هو موضح في الشكل 3 أ ، زادت ISO بشكل كبير من تردد الضرب في جميع الآبار. زادت ISO أيضا من الحركية ، وهو ما يتضح في انخفاض TP. يخدع والسل. Con80 (الشكل 3 ب ، ج). بشكل عام ، عند الحضانة مع ISO ، زاد تواتر الضرب بشكل كبير في جميع الآبار ، إلى جانب تقليل وقت الانكماش والاسترخاء ، مما يشير إلى أن الاستجابة المتوقعة لهذا المركب تم تسجيلها بواسطة هذه المنصة.
بالتوازي مع قياسات الانقباض ، تم إجراء قياسات الكالسيوم أيضا. بنفس طريقة بيانات الانقباض (الشكل 2) ، يتم تصوير بيانات قياس الكالسيوم الخاصة ب hiPSC-CMs في الشكل 4. TB.Ca 80 أبطأ بكثير مما هو عليه في خلايا عضلة القلب المعزولة للفئران أو الفئران ، وهو ما يفسره جزئيا الاختلافات في الأنواع ومعدل ضربات القلب11 ، وكذلك من خلال معالجة الكالسيوم غير الناضجة في hiPSC-CMs بسبب انخفاض ديناميكيات الكالسيوم داخل الشبكة الساركوبلازمية وانخفاض التعبير عن بروتينات التعامل مع الكالسيوم مقارنة بالخلايا الأولية12. على غرار بيانات الانقباض ، تم حساب معامل التباين لقياسات الكالسيوم ، ويظهر تباينا منخفضا داخل النسخ المتماثلة التقنية والبيولوجية (الشكل 4C).

الشكل 1: الاستخدام الفوري لأداة التحليل العابر CytoSolver بعد التجربة لتحليل البيانات. (أ) مثال على العابرين المقبولين (كلها باللون الأزرق) لمنطقة واحدة مقاسة داخل بئر. تصور اللوحة A1 العابرين المقلصين. تمثل اللوحة A2 عابرات الكالسيوم. (ب) متوسط انقباض عابر تم الحصول عليه من القياسات في ثلاثة آبار لدورة واحدة من التمايز. من كل عابر واحد أو متوسط ، بيانات من نقاط زمنية مختلفة من الوقت إلى الذروة (TP. يخدع) والوقت إلى خط الأساس (TB. يخدع) من انقباض عابر يمكن استخراجها. نظرا لأنه لا يمكن دائما تحديد البداية الدقيقة للانكماش بشكل لا لبس فيه ، يتم أخذ الوقت حتى الذروة بنسبة 20٪ كنقطة انطلاق لقياسات الوقت حتى الذروة. وبالمثل ، من الصعب تقييم اللحظة الدقيقة التي تعود فيها الإشارة إلى خط الأساس. لذلك ، يتم استخدام الوقت حتى خط الأساس 80٪ لوصف وقت الاسترخاء. هنا ، TP. يخدع (الوقت إلى الذروة - الوقت إلى الذروة 20 ٪) والسل. يتم استخدام Con 80 (الوقت حتى خط الأساس80٪ - وقت الذروة). (ج) متوسط بيانات الكالسيوم العابرة التي تم الحصول عليها من القياسات في ثلاثة آبار لجولة واحدة من التمايز. من كل عابر كالسيوم مفرد أو متوسط ، يمكن استخراج البيانات من نقاط زمنية مختلفة إلى الذروة (TP.Ca) والوقت إلى خط الأساس (TB.Ca) من عابرات الكالسيوم. بالنسبة لقياسات الوقت إلى الذروة ، تكون نقطة البداية هي الوقت حتى الذروة بنسبة 20٪ ، وبالنسبة للوقت حتى خط الأساس ، فإن نقطة النهاية هي الوقت حتى خط الأساس 80٪. في هذه الدراسة ، تم استخدام TP.Ca (الوقت إلى الذروة - الوقت إلى الذروة 20٪) و TB.Ca 80 (الوقت إلى خط الأساس 80٪ - الوقت إلى الذروة). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: قياسات انقباض خط الأساس التي أجريت على ثلاث جولات مختلفة من التمايز. ثلاثة مكررات بيولوجية وثلاثة آبار لكل جولة من جولات التمايز (أي ثلاثة مكررات تقنية). تمثل ثلاثة رموز رئيسية لكل جولة من التمايز متوسط قيمة المساحات المقاسة (رموز الخلفية بألوان باهتة) داخل كل بئر. يتم عرض البيانات كمتوسط ± SEM. يتم تمثيل البيانات المتعلقة بتردد الضرب أثناء الراحة بالهرتز ، وبالنسبة ل TP. يخدع والسل. Con80 ، البيانات في ثوان. (أ) تكرار الضرب أثناء الراحة. (ب) الوقت اللازم للوصول إلى الذروة (TP. يخدع). (ج) الوقت حتى خط الأساس 80٪ (السل. Con80). (د) لتقييم التباين بين البيانات التي تم الحصول عليها في كل جولة وبين جميع جولات التمايز الثلاث ، تم حساب معامل نسبة التباين باستخدام متوسط قيم كل بئر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: قياسات الانقباض عند خط الأساس (-) وبعد الحضانة باستخدام ISO (+) على ثلاثة آبار من ثلاث جولات من التمايز. (أ) تردد الضرب أثناء الراحة (-) وتردد الضرب بعد الحضانة باستخدام 500 نانومتر ISO (+). (ب) الوقت اللازم للوصول إلى الذروة (TP. Con) القياسات عند خط الأساس وبعد الحضانة مع ISO. (ج) الوقت حتى خط الأساس 80٪ (السل. Con80) القياسات عند خط الأساس وبعد الحضانة باستخدام ISO. لتقييم تأثير ISO على معلمات الانقباض ، تم إجراء Anova ثنائي الاتجاه مع تصحيح Bonferroni. يتم عرض البيانات كمتوسط ± SEM. يتم تمثيل البيانات المتعلقة بتردد الضرب أثناء الراحة بالهرتز ، وبالنسبة ل TP. يخدع والسل. Con80 ، يتم تمثيل البيانات بالثواني. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: قياسات الكالسيوم العابرة الأساسية التي أجريت على ثلاثة آبار من ثلاث جولات من التمايز . (أ) الوقت اللازم للوصول إلى الذروة (TP.Ca) و (ب) الوقت حتى خط الأساس 80٪ (TB.Ca 80) من عابرات الكالسيوم. يتم عرض البيانات كمتوسط ± SEM. يتم تمثيل TP.Ca وTB.Ca 80 بيانات بالثواني. (ج) لتقييم التباين بين البيانات التي تم الحصول عليها في كل جولة وبين جميع جولات التمايز الثلاث ، تم حساب معامل نسبة التباين باستخدام متوسط قيمة كل بئر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
EM هو موظف في CytoCypher BV. MH هو الرئيس التنفيذي لشركة CytoCypher BV. يعلن المؤلفون الباقون أن البحث قد أجري في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها على أنها تضارب محتمل في المصالح.
هنا ، يتم وصف طريقة راسخة لإجراء قياسات الانقباض والكالسيوم في خلايا عضلة القلب المشتقة من الخلايا الجذعية متعددة القدرات التي يسببها الإنسان باستخدام منصة قائمة على البصريات. تمكن هذه المنصة الباحثين من دراسة تأثير الطفرات والاستجابة لمختلف المحفزات بطريقة سريعة وقابلة للتكرار.
تم تمويل هذا البحث جزئيا من خلال منحة Eurostars Estars2 113937 CARDIOMYO (EM & DK) ، ومنحة NWO-VICI 91818602 (JV).
| & micro ؛ لوحة 24 Well Black ID 14 مم | ibidi | 82421 | |
| B-27 Supplement (50x) | Thermo Fisher | 17504044 | |
| CytoSolver أداة تحليل عابرة | CytoCypher | أداة تحليل البيانات التلقائية السريعة | |
| DMEM / F-12 | Thermo Fisher | 11320033 | |
| Fura-2 ، AM | Thermo Fisher | F1221 | |
| الأيزوبرينالين هيدروكلوريد | ميرك | 15627 | |
| KnockOut & trade ؛ استبدال المصل | Thermo Fisher | 10828010 | |
| Matrigel | Merck | CLS3542C | غشاء القاعدي |
| MultiCell CytoCypher مع هدف Nikon 20x Super Fluor ومصدر ضوء LED 730 نانومتر وبرنامج Ionwizard | نظامالقياس القائم | علىالبصريات CytoCypher | |
| مانع الصخرة Y-27632 | Tocris | 1254 | |
| RPMI 1640 | Thermo Fisher | 11875119 | |
| تيرود | محلول عصامي الصنع مع التركيز النهائي للمكونات التالية: كلوريد الصوديوم 134 ملي مولار ، كلوريد كلوريد 5 ملي مولار ، هيبس 12 ملي مولار ، مجم سولات المغنيسيوم 4 1.2 ملي مولار ، NaH2PO4 H2O 1.2 ملي مولار ، الجلوكوز 11 ملي مولار ، بيروفات الصوديوم 5 ملي مولار ، 1 ملي كالسيروميد 2 |