$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Die ischämische Herzkrankheit ist weltweit eine der führenden Ursachen für Morbidität und Mortalität und betrifft allein in den Vereinigten Staaten mindestens 20,5 Millionen Menschen – 1,2,3. Ohne ausreichende Perfusion führt eine anhaltende Hypoxie zum Tod von Kardiomyozyten (CM) und zu einer Myokardialfunktionsstörung. Myokardischämie wird hauptsächlich durch Revaskularisation durch perkutane Intervention, thrombolytische Therapie oder koronare Bypass-Transplantation behandelt. Die Revaskularisation ist jedoch ein zweischneidiges Schwert und kann durch die Freisetzung reaktiver Sauerstoffspezies 4,5 zusätzliche Verletzungen verursachen. Obwohl Reperfusionsstrategien äußerst erfolgreich waren, waren Ansätze zur Begrenzung des CM-Verlusts während ischämischer Verletzungen oder nach der Reperfusion schwer zu fassen. Obwohl viele Versuche, infarktisches Gewebe zu retten, in Tiermodellen der Ischämie-Reperfusion wirksam sind, konnten diese Therapien in Humanstudien weitgehend keinen nennenswerten Nutzen erzielen, was den Bedarf an menschlichen Modellen zur Bewertung von CM-schonenden oder auffüllenden Therapeutika 6,7,8,9,10,11,12 erhöht.
Menschliche Plattformen, die zur Modellierung der Herzverletzung verwendet werden, umfassen Primärgewebe und menschlich induzierte pluripotente Stammzellensysteme (hiPSC)-abgeleiteteSysteme 13,14. Da primäre Gewebe durch die Probenverfügbarkeit eingeschränkt sind, haben sich hiPSC-Systeme als dominierende menschliche Plattform für die Modellierung kardialer Erkrankungen etabliert, mit dem deutlichen Vorteil, genetisch behandelbar und skalierbar zu sein 15,16,17,18,19. Traditionelle 2D-hiPSC-abgeleitete Kardiomyozytenkulturen (hiPSC-CM) sind durch die Unreife der resultierenden CMs, das Fehlen komplexer Gewebearchitektur und die Unfähigkeit, die volle zelluläre Vielfalt im menschlichen Herzen15,20 zu reproduzieren, begrenzt. Um diese Schwächen zu beheben, werden immer mehr entwickelte 3D-Herzgewebe (EHTs) eingeführt: 20,21,22,23,24,25,26. EHT-Ansätze umfassen das Mischen vordifferenzierter Herzzellen zu Sphäroiden24 oder das Einsetzen differenzierter Herzzellen in Gerüste oder Formen 21,22,27. Obwohl EHTs heterotypische zelluläre Interaktionen besser modellieren können und eine relativ höhere Reife als 2D-Kulturen aufweisen, schränken die Anforderungen an maßgeschneiderte Gerüste oder Bioreaktoren zur Herstellung und Wartung von EHTs derzeit ihre Skalierbarkeitauf 21,27,28 ein.
Selbstassemblierende kardiale Organoide (hCOs), oder Kardioide, sind ein neues und leistungsfähiges in-vitro-Modellsystem für den Menschen 20,25,26,29. hCOs haben mehrere Vorteile. Erstens können sie mehrere Zelltypen umfassen, darunter Endothelzellen, Fibroblasten und Epikardzellen, ohne dass mehrere spezialisierte Differenzierungsprotokolle erforderlich sind. Zweitens findet der Großteil ihrer Differenzierung in 3D-Suspensionskulturen statt, wodurch die Anforderungen für spezialisierte Formen oder Gewebematrix 25,26,29,30 überflüssig werden. Schließlich besitzen hCOs eine stereotype kugelförmige Morphologie mit einer zentralen Kavität, was morphologische Analysen ermöglicht. Daher besitzen hCOs eine Skalierbarkeit ähnlich wie 2D-Kultursysteme, behalten jedoch einen Teil der Gewebekomplexität von EHTs. hCOs wurden für Arzneimitteltoxizitätstests, patientenspezifische Krankheitsmodellierung und zur Modellierung von Aspekten der Herzentwicklungverwendet: 20,26,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39. Obwohl vielversprechend, haben hCOs im Vergleich zu EHTs mehrere Einschränkungen, darunter die Unfähigkeit, den Kraftoutput direkt zu messen. Außerdem gibt es in den beschriebenen hCO-Modellen keine native Immunzellpopulation, obwohl es möglich ist, hCOs mit Makrophagen zu besiedeln. Dennoch sind hCOs ein aufkommendes und sich schnell entwickelndes menschliches Modellsystem 20,26,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39.
Bis heute war die Modellierung von Herzverletzungen mit hCOs begrenzt. Ein Kryoverletzungsmodell wurde beschrieben, aber die Verletzungen sind sehr variabel, und die Notwendigkeit, hCOs einzeln zu verletzen, begrenzt die Skalierbarkeitum 29. Dieses Manuskript beschreibt ein benutzerfreundliches Protokoll zur Erzeugung und Verletzung selbstassemblierender HCOs mit Hypoxie-Reoxygenierungs-(H/R)-Verletzungen. Im Vergleich zu anderen Protokollen zur Erzeugung von hCOs verwendet dieses Protokoll ein vereinfachtes Differenzierungsmedium und integriert die von Hofbauer et al.29 beschriebene 2D-3D-Mesoderm-Differenzierungsstrategie. Das Protokoll für H/R-Verletzungen kann jederzeit nach Beginn der HCOs durchgeführt werden, was typischerweise um den Differenzierungstag 8 (D8) zu D11 geschieht. Die H/R-Dauer kann zwischen 6 und 24 Stunden getitert werden, um das gewünschte Verletzungsniveau zu erreichen, das von minimalem bis nahezu vollständigem Blasenverlust reicht. Außerdem entwickeln HCOs stereotypisch einen kollagenen Kern mit Vimentin+- Zellen nach einer H/R-Verletzung, der ebenfalls mit der H/R-Dauer in der Schwere skaliert. Dieses hochdurchgängige, skalierbare hCO-Modell von H/R-Verletzungen kann potenziell den Bedarf für menschliche Modelle adressieren, um neue therapeutische Wege zur Förderung der CM-Genesung oder -Regeneration nach einer Verletzung zu entwickeln und zu testen.