Artículo de método

Análisis automatizado contracción de ingeniería tisular para la Detección del Corazón Humano cardíaca Drug Safety

DOI:

10.3791/55461

⸱

15 de abril de 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Experimental Pharmacology and Toxicology, Cardiovascular Research Center, University Medical Center Hamburg-Eppendorf and DZHK (German Center for Cardiovascular Research)

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aquí, se muestra la generación de tejido del corazón ingeniería humana a partir de células madre pluripotentes inducidas (hiPSC) derivada de los cardiomiocitos. Se presenta un método para analizar la fuerza de contracción y la alteración ejemplar de patrón de contracción por el hERG inhibidor del canal E-4031. Este método muestra alto nivel de robustez y la idoneidad para la detección de drogas cardíaco.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

la ingeniería de tejidos cardíaco describe técnicas para constituir tres tejidos de ingeniería dimensionales generadores de fuerza. Para la aplicación de estos procedimientos en la investigación básica y el desarrollo preclínico de fármacos, es importante desarrollar protocolos para la generación y el análisis automatizado bajo condiciones estandarizadas. A continuación, presentamos una técnica para generar tejido del corazón diseñados (EHT) de los cardiomiocitos de diferentes especies (rata, ratón, humano). La técnica se basa en el montaje de una fibrina-gel que contiene cardiomiocitos disociados entre polidimetilsiloxano elástico (PDMS) mensajes en un formato de 24 pocillos. Tridimensionales, técnicos en salud ambiental de generación de fuerza constituyen un plazo de dos semanas después de la fundición. Este procedimiento permite la generación de varios cientos de técnicos en salud ambiental por semana y es técnicamente limitado sólo por la disponibilidad de los cardiomiocitos (0,4-1,0 x 10 6 / EHT). Evaluación de las contracciones musculares auxotonic se realiza en una cámara de incubación modificado con un mechanenclavamiento ical para placas de 24 pocillos y una cámara colocada en la parte superior de esta cámara. Un software controla una cámara se movió en un sistema de ejes XYZ a cada EHT. contracciones EHT son detectadas por un algoritmo de reconocimiento de la figura automatizado, y la fuerza se calcula sobre la base de acortamiento de la EHT y la propensión elástica y la geometría de los puestos de PDMS. Este procedimiento permite el análisis automatizado de alto número de EHT bajo condiciones estandarizadas y estériles. La detección fiable de efectos del fármaco sobre la contracción de los cardiomiocitos es crucial para el desarrollo de fármacos cardíaco y farmacología de seguridad. Demostramos, con el ejemplo del inhibidor del canal hERG E-4031, que el sistema de EHT humana replica las respuestas de drogas sobre la cinética de contracción del corazón humano, lo que indica que es una herramienta prometedora para la detección de la seguridad del fármaco cardiaco.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

efectos secundarios cardiacos como el síndrome de QT largo inducido por fármacos han dado lugar a las retiradas del mercado en los últimos años. Las estadísticas indican que alrededor del 45% de todas las extracciones son debido a los efectos no deseados sobre el sistema cardiovascular 1. Este fracaso de drogas después de que el proceso de desarrollo y aprobación caro es el peor de los casos para las compañías farmacéuticas. Por lo tanto, los departamentos de investigación y desarrollo se centran en la detección de tales efectos cardiovasculares no deseados desde el principio. Por razones económicas y éticas, los esfuerzos para reducir los experimentos con animales y reemplazarlos con nuevos ensayos de selección in vitro están en curso.

Un conjunto de ensayos establecidos están incluidos en la Food and Drug Administration (FDA) y la Agencia Europea de Medicamentos (EMA) directrices para la evaluación preclínica de proarrítmicas efectos de drogas 2. La tecnología de la reprogramación de células somáticas seguido por la diferenciación de lascélulas humanas inducidas pluripotentes madre (hiPSC) impulsaron este campo de investigación 3. En la actualidad ofrece la posibilidad de detectar nuevos fármacos candidatos en cardiomiocitos humanos in vitro y evita problemas con las diferencias entre las especies. Los últimos protocolos de diferenciación cardíacas 4, 5 proporcionan suministro ilimitado de cardiomiocitos y sin preocupación ética. Sin embargo, la medición de la fuerza contráctil, la más importante y mejor caracterizado parámetro vivo de los cardiomiocitos, no está bien establecido. Esto está relacionado con la relativa inmadurez 6 de cardiomiocitos inducida humanos madre pluripotentes derivadas de células (hiPSC-CM) en comparación con la de los cardiomiocitos adultos. Una posible avance es diseñar el tejido del corazón de 3 dimensiones a partir de células individuales 7 (tejido corazón ingeniería, EHT). El protocolo EHT se basa en la incorporación de un solo murino o cardiomiocitos humanos 8 sup>, 9, 10 en hidrogel de fibrina entre dos polidimetilsiloxano flexible (PDMS) mensajes 11 en formato de 24 pocillos. A los pocos días los cardiomiocitos comienzan a contraerse espontáneamente a medida que las células individuales y comienzan a formar redes celulares. Después de 7-10 días, las contracciones macroscópicas de todo el tejido son visibles. Durante este proceso, la matriz extracelular es remodelado, lo que conduce a una disminución del diámetro y longitud. El acortamiento de los resultados EHT en la flexión de los PDMS publicar incluso durante el reposo, sometiendo los cardiomiocitos en la EHT en desarrollo a carga continua. Técnicos en salud ambiental continúan realizando contracciones musculares auxotonic lo largo de varias semanas. Técnicos en salud ambiental en humanos demuestran respuestas a la estimulación fisiológica y farmacológica que indican su idoneidad para la detección de drogas y la enfermedad modelar 7.

En este manuscrito se presenta un protocolo robusto y fácil para los Generatien de EHT humano, y el análisis de la contractilidad automatizado de los cambios dependientes de la concentración del patrón de contracción en presencia de inhibidores de los canales de hERG.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Protocolo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

NOTA: Los pasos siguientes describen un protocolo de cultivo de células. Por favor, realice en condiciones estériles y usar los medios pre-calentado.

1. cardiaca diferenciación de hiPSC

  1. Cultivar la hiPSC
    1. Recubrir placas de 6 pocillos (1 ml / pocillo) o matraces T75 (7 ml / matraz) con matriz de membrana basal reducida del factor de crecimiento (por ejemplo geltrex, 1: 200; véase la tabla de materiales) diluido en medio Eagle modificado de Dulbecco (DMEM) para 30 min a 37 ° C. Preparar medio EDA 12 mediante la mezcla de DMEM básico / F-12 medio con 2 mM L-glutamina, 0,5% de penicilina / estreptomicina, 5 mg / L de transferrina, 5 mg / L de selenio, 0,1% de albúmina de suero humano, 1x lípido-mix, 5 mg / L de insulina, 50 nM dorsomorphin, 2,5 ng / ml de activina A, 0,5 ng / ml humano TGFß1 y 30 ng / ml FGF2.
    2. HiPSC Seed (~ 3 x 10 5/10 cm²) en medio y la cultura EDA a 37 ° C, 5% de CO2, 21% de O 2 con cambio de medio al día (Figura 1A). Al 80% de confluencia, el paso (1: 2-1: 6) con ácido etilendiaminotetraacético (EDTA; 0,5 mM; tiempo de incubación ~ 4 min).
  2. La formación de cuerpos embrioides (EB)
    1. Cultivar hiPSC en matraces T75 a alta densidad.
      1. Lavar matraces con células confluentes dos veces con solución salina tamponada con fosfato sin calcio y magnesio (PBS) y se incuban en EDTA 0,5 mM durante ~ 10 min. Asegúrese de que las células no se separan del fondo del matraz.
      2. Eliminar el EDTA con pipeta de vidrio, lave fuera de las células con 10 ml de PBS, frascos de agua en el banco para separar las células.
        NOTA: El uso raspador celular si es necesario.
      3. Recoger las células en tubo cónico de 50 ml, añadir ¼ de volumen (por ejemplo, 10 ml RMPI a 40 ml de suspensión celular) RPMI 1640 (o cualquier otro medio estándar que contiene calcio 1,8 mM) y se centrifuga a 250 xg durante 5 min.
    2. Resuspender el sedimento celular en medio EDA suplementado con 4 mg / ml de alcohol de polivinilo (PVA) y10 M Y27632 y contar las células en una cámara de Neubauer.
    3. Llenar el matraz de agitación con la suspensión de células (30 x 10 6 células / 100 ml de medio suplementado con EDA PVA y Y-27632; véase la etapa 1.2.2) e iniciar EB formación en matraces de agitación (ajustar la velocidad del rotor de agitador magnético a 40 rpm ) en la incubadora de cultivo celular (37 ° C, 5% de CO2, 5% de O 2) durante la noche.
  3. la diferenciación mesodérmica
    1. Durante la formación de EB, cultivo celular capa matraces adecuado para el cultivo en suspensión con un tensioactivo no iónico (14 ml / T175) durante la noche a 37 ° C.
    2. A la mañana siguiente, lavar los frascos de tensioactivos recubierto dos veces con PBS (30 ml / T175). Añadir PBS de nuevo y mantener en la incubadora hasta que se necesite.
    3. Retire el frasco giratorio de la incubadora.
      NOTA: La suspensión celular debería estar claro con pequeñas EBs macroscópicamente visibles (Figura 1B).
    4. Transferir 50 ml de suspensión de bañera cónica 50 mlcorreos y dejar que los CE se conforman con 5-20 min.
    5. Eliminar el sobrenadante y lavar el precipitado con 7 ml de RPMI 1640 suplementado con 2% de PVA y 10? M Y-27632. Transferencia de suspensión a una 15 ml tubo cónico y estimación del volumen de EB graduada (~ 50-100 l).
    6. Transferir el contenido de los matraces de agitación a matraces T175 no recubiertos y dejar este sobre una rejilla en forma de V para la sedimentación durante un máximo de 20 min. Se retira el sobrenadante y lavar cuerpos embrionarios como se indicó anteriormente. No llene el frasco T175 con más de 200 ml como la sedimentación sería demasiado largo. Si el volumen inicial matraz de agitación superior a 200 ml, dividir suspensión EB a varios matraces T175 y combinar EBs de nuevo después del lavado.
    7. Retire medio de lavado y resuspender en medio de diferenciación mesodérmica, es decir RPMI suplementado con 4 mg / ml de PVA, 0,5% de penicilina / estreptomicina, 10 mM ácido 4- (2-hidroxietil) -1-piperazinetanosulfónico (HEPES), suero humano al 0,05% albúmina, 5 mg / ml de transferrina, 5 ng / ml selenito de sodio, 0,1% de mezcla de lípidos, 250 M fosfo-ascorbato, 10? M Y-27632, 10 ng / ml de proteína morfogénica ósea-4 (BMP-4), y 3 ng / ml de activina A, 5 ng / ml FGF2 estable.
    8. Retirar PBS de los matraces de T175 tensioactivo revestido y rellenar con la suspensión de células (200! L EBs en 40 ml). Usar frascos más pequeños para menor volumen EB.
    9. Cultivar EBs en suspensión durante tres días (37 ° C, 5% de CO2, 5% de O 2). Cambio de 50% del medio (misma composición que en el paso 1.3.7) cada día (rack de sedimentación en forma de V uso). Preparar medio fresco cada día antes de la alimentación.
  4. diferenciación cardíaca
    1. Preparar nuevos vasos tensioactivos recubierto el día antes y manejar como se ha indicado anteriormente (1.3.2).
    2. Después de tres días de la inducción mesodérmica, permiten EBs se conforman con hasta 5 min en el estante de la sedimentación. Eliminar la mayor parte del medio y se lava con RPMI 1640 suplementado con 0,5% de penicilina / estreptomicina y HEPES 10 mM.
    3. Transferencia de 10 ml de suspensión de EB a graduó15 ml tubo y estimación del volumen de EB después de la sedimentación.
    4. Resuspender EBs cuidadosamente en medio de diferenciación cardiaca que consiste en RPMI 1640 suplementado con 0,5% de penicilina / estreptomicina, HEPES 10 mM, 0,05% de albúmina de suero humano, 5 mg / ml de transferrina, 5 ng / selenito de sodio ml, 0,1% de mezcla de lípidos, 250 M fosfo -ascorbato, 1 M Y-27632, 100 nM Wnt-inhibidor DS-I-7 13.
    5. Transferencia de EBs a nuevos frascos de cultivo celular de tensioactivos recubierto (~ 200! L EBs en 46 ml / T175).
    6. Incubar durante tres días (37 ° C, 5% de CO2, 21% de O 2) con 50% de cambio medio (composición del medio véase la etapa 1.4.4) en el segundo y tercer día. No cambie el medio dentro de las primeras 48 h.
    7. Incubar en un medio que consiste en RPMI 1640 suplementado con 500? M 1-tioglicerol, HEPES 10 mM, 0,5% de penicilina / estreptomicina, 1 M Y-27632, 2% de suplemento de cultivo celular neural exento de suero (por ejemplo, B27) con insulina, 100 nM Wnt -inhibidor DS-I-7 con cambio diario del medio de 50% durante los siguientes cuatro días. EBS deben empezar a golpear dentro de este período.
    8. Después de una semana de la diferenciación cardiaca, cambiar al mismo medio sin inhibición Wnt y con suplemento de cultivo celular neural exento de suero. Cambiar el 50% del medio todos los días, excepto para el primer día.
  5. La disociación de los cardiomiocitos humanos
    NOTA: Después de dos semanas de protocolo de diferenciación, EBs debe mostrar contracciones espontáneas (Figura 1C). Si es así, iniciar la disociación y preparar la solución de colagenasa.
    1. Preparar solución de colagenasa en el pesaje y la solución de 200 U / ml en solución salina equilibrada de Hanks libre de calcio sin calcio / magnesio (HBSS) y se añade HEPES 1 mM, 10! M Y-27632, 30? M N-bencil-p-tolueno sulfonamida ( BTS). Esterilizar por filtración (filtro de 0,2 micras) y las alícuotas almacenar a -20 ° C. Descongelar alícuotas a 4 ° C durante la noche.
    2. Settle EBS sobre una rejilla de sedimentación,medio aspirado y reemplazar con HBSS 20-25 ml pre-calentado. Repita este paso de lavado una vez más.
    3. Aspirar HBSS y reemplazar con solución de colagenasa pre-calentado (15 ml / T175). Incubar durante 4 h en el incubador de cultivo celular (37 ° C, 5% de CO2, 21% de O 2).
    4. Preparar tampón de bloqueo con DMEM suplementado con 1% de penicilina / estreptomicina y ADNasa (12 mg / ml).
    5. Toque en los frascos de cultivo celular en el banco, disociado EBs debería desintegrarse y desmoronarse (si no, aumentar el tiempo de incubación). suspensión de células se tritura suavemente y transferir a un tubo de 50 ml cónico. Lavar frascos con tampón de bloqueo (15 ml / T175) y transferir al tubo.
    6. Centrifugar durante 10 min a 100 x g. Resuspender las células en DMEM caliente, se tritura y contar las células.

2. Generación de ingeniería tisular corazón (EHT)

  1. Autoclave bastidores PDMS disponibles en el mercado y los espaciadores de politetrafluoroetileno (PTFE) (ver Materiales yHoja de cálculo de equipos; La Figura 2) y preparar las siguientes soluciones en condiciones estériles, un día antes de la generación de EHT.
    1. Preparar 2% de agarosa en el pesaje y la disolución en un volumen apropiado de PBS, autoclave, almacenar inmediatamente a 60 ° C.
    2. Preparar aprotinina (33 mg / ml) en el pesaje y disolviendo en volumen apropiado de anuncios iniectabilia aqua, filtro estéril (filtro de 0,22 micras), alícuota y se almacena a -20 ° C.
    3. Preparar fibrinógeno (200 mg / ml) mediante la disolución de fibrinógeno estéril en volumen apropiado de estéril al 0,9% de NaCl (tibia), alícuota y se almacena a -20 ° C.
    4. Preparar trombina (100 U / ml) mediante la disolución de trombina estéril en tres partes PBS estéril y 2 partes iniectabilia ad aguamarina, partes alícuotas de 3 l en tubos pequeños y almacenar a -20 ° C.
    5. Preparar 10x DMEM disolviendo 670 mg 10x DMEM en polvo en 5 ml iniectabilia aqua ad, filtrado estéril y se almacena a 4 ° C.
    6. Preparar 2x DMEMmediante la mezcla de 2 ml 10x DMEM con 2 ml de suero de caballo inactivado por calor, 0,2 ml de penicilina / estreptomicina y 5,8 ml iniectabilia aqua ad, filtrado estéril y se almacena a 4 ° C.
    7. Preparar EHT-fundición medio (ECM) mediante la mezcla de DMEM con 10% de suero fetal inactivado por calor de ternera, 1% de penicilina / estreptomicina y 1% de L-glutamina (200 mM), se almacena a 4 ° C.
  2. Preparar moldes de colada en placas de 24 pocillos pipeteando 1,6 ml de agarosa caliente (2%, PBS) y colocar el espaciador PTFE (Figura 2A) en los pocillos.
    NOTA: Lugar espaciador inmediatamente después de pipetear en un máximo de 8 pocillos - agarosa solidifica muy rápido. No deje que la agarosa a temperatura ambiente durante más de 5 minutos.
  3. Después de la solidificación de agarosa (~ 10 min, agarosa se volverá opaca), retirar los espaciadores de PTFE (Figura 2C) y colocar los bastidores PDMS (Figura 2B) en los moldes de fundición de modo que pares de postes PDMS alcanzan en cada molde (Figura 2D).
  4. Resuspender los cardiomiocitos en ECM con una concentración mínima de 15 x 10 6 células / ml.
  5. Prepare 110% del volumen estimado de mezcla reconstitución en un fondo de tubo redondo de 15 ml en ice.For 24 técnicos en salud ambiental, pipeta la mezcla reconstitución enumerados en la Tabla 1 para humanos, de rata o de ratón cardiomiocitos, respectivamente (10% extra está incluido).
    NOTA: La concentración de células de la mezcla de la reconstitución es diferente para (6.8 x 10 6 células / ml) técnicos en salud ambiental humana (10 x 10 6 células / ml), de rata (4.1 x 10 6 células / ml) y el ratón. Dependiendo de la concentración de la suspensión de células, añadir ECM adicional a un volumen final de 2.640 l. Fibrinógeno tiene que estar tibia para pipetear. llenar lentamente la punta de la pipeta y no toque la superficie de la mezcla de la reconstitución en frío con la pipeta que contiene fibrinógeno cuando la adición de fibrinógeno en la mezcla de la reconstitución - la viscosidad de la fibrinógeno en la punta de la pipeta aumentaría inmediatamente.
  6. Se tritura la mezcla de reconstitución 10 - 15 veces con una pipeta serológica hasta que el coágulo de fibrinógeno se disuelve. Compruebe la mezcla de la reconstitución de la pipeta para la homogeneidad.
  7. Para cada EHT, pipeta de 100! L de la mezcla de la reconstitución en una parte alícuota de trombina (3 l en un tubo de 200! L), mezclar y pipetear la mezcla en la agarosa ranuras lo más rápidamente posible (Figura 2E). Utilizar una punta de filtro para cada EHT. Resuspender la mezcla de reconstitución (trituración con serológica pipeta 5-10 veces) después de cada 8 técnicos en salud ambiental.
  8. Una vez que todas las ranuras se llenan con la mezcla de la reconstitución, cierre la tapa de la cápsula de cultivo celular y se incuba a 37 ° C, 7% de CO2 durante 2 h.
  9. Retirar la placa de la incubadora y se coloca bajo una campana estéril. Cubrir cada pocillo con una pequeña cantidad de medio (por ejemplo, DMEM, de aproximadamente 200 - 500 l), agitar suavemente la placa y se incuba de nuevo a 37 ° C durante al menos 10 min. La adición de DMEM facilitará la eliminación de los geles de fibrina a partir de moldes de fundición de agarosa.
  10. Preparar una nueva placa de 24 pocillos con 1,5 ml EHT-medio por pocillo que consiste en DMEM suplementado con 10% de suero de caballo inactivado por calor, 1% de penicilina / estreptomicina, 10 mg / ml de insulina, 33 mg / ml de aprotinina.
  11. Retire cuidadosamente los bastidores de PDMS de los moldes de fundición de agarosa y la transferencia a la placa de 24 pocillos llenos de medio (Figura 2F). Coloque el plato de nuevo en la incubadora (37 ° C, 7% de CO2, 40% de O 2 para técnicos en salud ambiental humanos y de rata, 21% O 2 para técnicos en salud ambiental ratón) y de alimentación de los lunes, miércoles y viernes con recién preparada EHT-medio. Técnicos en salud ambiental deberían mostrar las contracciones espontáneas de desviación los puestos de los bastidores PDMS 7-10 días después de la fundición (Figura 1D, 2G).
    1. Para ratón técnicos en salud ambiental añaden 25 g / ml de βDarabinofuranoside 5-citosina a medio de cultivo durante 48 h para limitar la proliferación de fibroblastos.

Análisis 3. Contracción

NOTA: El análisis se basa en la contracciónvideo-óptico de grabación en un instrumento de análisis EHT disponible en el mercado (véase la Tabla de materiales). La unidad central de este instrumento es una cámara de incubación (Figura 3A). El software proporcionado con el instrumento calcula la fuerza de contracción basada en la desviación de los puestos de PDMS con módulo elástico conocido y la geometría 11 (Figura 1).

  1. A su vez en el dispositivo de calentamiento de la máquina 2 h antes de la medición. Abra el suministro de gas y suministro electrónico del sistema de eje inmediatamente antes del análisis contracción.
  2. Para la grabación de la línea de base (punto de referencia en el análisis), colocar la placa de 24 pocillos con los técnicos en salud ambiental en EHT-medio en el instrumento de análisis EHT e iniciar el software de análisis de contracción según el manual de proveedores.
    1. Haga clic en la pestaña "Protocolo" en el panel de la derecha y entre la información pertinente respecto nombre del estudio, el usuario, especie, ceTipo II, edad, duración de la grabación y observaciones adicionales.
    2. Haga clic en la pestaña "Vista de cámara" en el panel izquierdo y empezar el modo en directo de la cámara con el modo de detección automática de la figura. Haga clic en la pestaña "Configuración" en el panel derecho andadjust la posición de la cámara con las coordenadas XYZ para cada pozo en el 24 pocillos plato. Asegúrese de que el EHT se encuentra en el centro de la ventana y en el enfoque de la cámara.
      1. Asegúrese de que la tapa de la placa de cultivo celular no es niebla, ya que esto perjudicar la figura reconocimiento y análisis de contracción.
        NOTA: El algoritmo de reconocimiento cifra se basa en la detección de zonas de alto contraste y el seguimiento de su cambio de posición. En el software de reconocimiento de estas áreas cifra serán marcados con una cruz azul que se mueve con las contracciones de la EHT.
      2. Asegúrese de que las posiciones de los cruces azules son en ambos extremos superior e inferior de los técnicos en salud ambiental y mover solamente a juego verticalmente las contracciones de los técnicos en salud ambiental (Figura 3B). Sposiciones de configuración ave de cada pozo presionando el botón de "Posición OK".
    3. A continuación, haga clic en la pestaña "Parámetros" en el panel izquierdo. Los parámetros que se muestran aquí se definen los criterios por los cuales el software identifica un pico de contracción y lo marca con un cuadrado verde. Estos valores son muy importantes para la correcta identificación de los picos de contracción (Figura 3C) y no hay puntos de datos falsos (Figura 3E-F).
      NOTA: Una lista de parámetros y ejemplos dependiente de la especie se representa en la Figura 3H. Para más detalles, consulte el manual del software.
    4. Haga clic en la pestaña "automática" en el panel de la derecha e iniciar el análisis activando el botón "Inicio". El software se moverá secuencialmente de un pozo a los próximos, ficha contracciones EHT y calcular la fuerza durante la grabación (que aparece en la pestaña de "tiempo real" en el panel izquierdo). Al final del análisis, un informe pdf summarizing los resultados se generará automáticamente.
  3. Guardar y analizar el informe pdf el sistema genera para resumir los resultados.
  4. Monitorizar los parámetros contráctiles de medición repetida durante varios días. El EHT se incrementará en la fuerza de contracción hasta que se haya alcanzado una meseta (por lo general alrededor del día 15 del cultivo).
  5. La detección de drogas
    1. Preparar la solución de Tyrode libre de proteína de un día antes de la medición y equilibrar en placas de 24 pocillos (2 ml / pocillo) en la incubadora de cultivo celular (37 ° C, 7% de CO2, 40% de O 2) durante la noche: NaCl 120 mM, KCl 5,4 mM, 1 mM de MgCl2, 0,1-5 mM CaCl2, 0,4 mM NaH 2 PO 4, 22,6 mM NaHCO 3, glucosa 5 mM, 0,05 mM Na 2 EDTA, HEPES 25 mM. Añadir calcio hasta 1,8 mM o el determinado previamente [EC 50] para investigar los efectos inotrópicos positivos.
    2. Pesar y disolver el fármaco en DMSO y filtro estéril, si es necesario.Preparar 6 soluciones diferentes 1000x-sub-almacén (en DMSO) de la concentración de trabajo (por ejemplo, 0,3, 1, 3, 10, 30, 100? M para el rango nanomolar respectiva).
    3. Diluir la acción correspondiente en las placas de Tyrode (2 l en cada pocillo de 2 ml) y mezclar completamente. Colocar las placas de nuevo en la incubadora hasta que se necesite.
    4. Iniciar la medición de línea de base mediante la adopción de la primera 24 placa de pocillos Tyrode llenas debajo de los electrodos del capó y la posición de carbono estériles en los pocillos. La transferencia de los bastidores de PDMS con los técnicos en salud ambiental colocados en la parte superior de los electrodos de carbono, cierre la tapa, poner la placa posterior en la incubadora y esperar un periodo de equilibrio de ~ 30 min.
    5. La transferencia de los técnicos en salud ambiental de la incubadora para el enclavamiento en el instrumento de análisis EHT. Cerrar el instrumento y registrar la contractilidad basal espontánea (20 s / EHT).
    6. Conectar los electrodos de carbono para el cable de estimulación y empezar la estimulación eléctrica de los técnicos en salud ambiental (2,5 V, 4 ms de duración del impulso, humana: ~ 1 Hz, de rata: ~ 2Hz, ratón: ~ 4 Hz). Grabar la línea de base "ritmo" (10 s / EHT). Asegúrese de que todos los técnicos en salud ambiental están debidamente estimulados. frecuencia de estimulación y la tensión puede variar en función de la línea celular a línea celular.
    7. Después de la grabación de línea de base, eliminar los técnicos en salud ambiental desde el instrumento y transferir los electrodos con los bastidores de PDMS en la parte superior, a la placa de 24 pocillos con la primera concentración de fármaco. Transferir el técnicos en salud ambiental de nuevo en el enclavamiento del instrumento de análisis EHT inmediatamente e incubar allí (incubación de medicamentos estándar tiempo, por ejemplo 20 min).
    8. Vuelva a conectar los cables de estimulación, ajuste el reconocimiento figura y registrar contracciones EHT que respondieron a la primera concentración del fármaco.
    9. Para las siguientes concentraciones de fármaco, repetir el paso 3.5.7 y 3.5.8 con los 24 pocillos de placas que contienen concentraciones de fármaco más altas.
    10. Guardar todas las grabaciones pdf. Compruebe cada grabación para el reconocimiento figura, el correcto posicionamiento de cuadrados verdes identificación de los picos de contracción y artefactos (véase 3.2.1 y la Figura 3 ).
    11. Realizar análisis fuera de línea adicional si es necesario.
      1. Seleccione la respectiva ejecución de la base de datos "series" en el panel izquierdo, haga clic en "Seleccionar plazo". En la pestaña "Parámetros" de la izquierda, cambiar parámetros para el análisis de la contracción. A continuación, seleccione "análisis sin conexión" en la pestaña "fuera de línea" en el panel de la derecha para volver a analizar los videos.
      2. Para ajustar el reconocimiento figura y, por tanto, grabar un nuevo archivo de vídeo, seleccione "revisión de la muestra" después de ajustar el reconocimiento de la figura de la ficha "en tiempo real". NOTA: revisión de la muestra sólo se puede volver a analizar un pozo a la vez, mientras que el análisis fuera de línea puede aplicar nuevos parámetros para todos los pozos haciendo clic en el botón "Uso de parámetros en todos los pozos" en el panel de "parámetros" en la izquierda. Ambos tipos de análisis fuera de línea creará automáticamente nuevos archivos de datos y PDF que muestra los resultados.
    12. Analizar el experimento mediante la combinación de los resultados de la biológica replica y resumir los datos en curvas de respuesta a concentración para la frecuencia, la fuerza de contracción, el tiempo de contracción y el tiempo de relajación (Figura 5D) y / o de visualización gráfica de los picos de contracción media (Figura 5C).
      NOTA: Los bastidores de PDMS y PTFE espaciador se pueden utilizar repetidamente (PDMS bastidores max 5 veces, y PTFE spacer sin fin.). Después del uso, limpiar manualmente con agua, hervir dos veces en agua desmineralizada y autoclave. Ser conscientes de los posibles efectos de arrastre, cuando se vuelva a utilizar los bastidores, como las drogas podrían ser absorbidos por el PDMS.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Cardiaca Diferenciación y Preparación de EHT

HiPSC se expandieron en matriz de membrana basal factor de crecimiento reducido, se disoció con EDTA y cuerpos embrioides (EBS) formados en matraces de agitación durante la noche. Después de la inducción mesodérmica durante tres días, la diferenciación cardiaca se inició con el inhibidor de Wnt. Después de ~ 17 días de protocolo de diferenciación, EBs golpeando se disociaron en células...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Discusión

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

tejido cardíaco ingeniería ofrece una opción valiosa para la caja de herramientas de la investigación cardiovascular. Técnicos en salud ambiental en el formato de 24 pocillos han demostrado valiosa para el modelado de la enfermedad 8, 14, Presentación de seguridad de medicamentos 7, 8, 10, 11, 15, o i...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Divulgaciones

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

IM, TE y AH son co-fundadores de EHT Technologies GmbH, Alemania.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores agradecen a Alessandra Moretti y Dennis Schade por su amable aportación de material. Reconocemos el gran apoyo del grupo de trabajo iPS y EHT en el Departamento de Farmacología y Toxicología Experimental de la UKE. El trabajo de los autores es apoyado por becas de la DZHK (Centro Alemán de Investigación Cardiovascular) y el Ministerio de Educación alemán e Investigación (BMBF), la Fundación Alemana de Investigación (DFG Es 88 / 12-1, HA 3423 / 5-1 ), Centro Nacional británico para el reemplazo de refinamiento y reducción de animales en la investigación (NC3Rs Crack-otorgará 35.911 a 259.146), la Fundación británica del corazón RM / 13/30157, el Consejo Europeo de Investigación (Advanced Grant IndivuHeart), la Fundación alemana del corazón y la Freie und Hansestadt Hamburgo.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Instrumento de análisis EHT EHTTechnologies GmbHA0001Se incluye el software
EHT Bastidor PDMS EHTTechnologies GmbHC0001
EHT Espaciador de PTFE EHTTechnologies GmbHC0002
Electrodo EHT EHTTechnologies GmbHP0001
Adaptador/cable de estimulación EHT EHTTechnologies GmbHP0002
placa de 24 pocillosNunc144530
placa de cultivo celular de 6 pocillosNunc140675
tubo falcon de 15 mL, graduado Sarstedt62.554.502
Rascador de célulasSarstedt831.830
Matraz giratorioIntegra182 101
Agitador Variomag/ Cimarec Biosystem Direct Thermo scientific70101Ajuste la velocidad del rotor a 40 rpm
Matraz de cultivo celular T175 Sarstedt 831.812.002
rack de sedimentación en forma de V Hecho a medida en UKE Hamburgna
10× DMEMGibco52100
1-Tioglicerol  Sigma AldrichM6145
Ácido 2-Fosfo-L-ascórbico sal trisódicaSigma Aldrich49752
Activin-A R& Sistemas D338-AC
Agarose Invitrogen15510-019
AprotininSigma AldrichA1153
Aqua ad injectabiliaBaxter GmbH1428
B27 PLUS insulina Gibco17504-044
BMP-4R& Sistemas D314-BP
Colagenasa II WorthingtonLS004176
DMEMBiochromF0415
DMSO Sigma AldrichD4540
DNasa II, tipo V (procedente del bazo bovino)Sigma D8764
Dorsomorfina abcamab120843
EDTA Roth8043.2
Suero fetal para ternerosGibco10437028
FGF2Miltenyi Biotec130-104-921
Fibrinógeno (bovino)Sigma AldrichF8630
Geltrex GibcoA1413302Para recubrimiento: dilución 1:200
HBSS sin Ca2+/Mg2+ Gibco14175-053
HEPES Roth9105.4
Suero de caballoTecnologías de la vida26050088
Albúmina sérica humana Industrias Biológicas05-720-1B
Insulina humanaSigma AldrichI9278
L-GlutaminGibco25030-024
Lipidmix Sigma AldrichL5146
MatrigelBD Biosciences354234para EHT reconsitutionmix.
N-Bencil-p-ToluenosulfonamidaTCIB3082-25G
PBS sin MgCl2/CaCl2Biochrom14190
Penicilina/EstreptomicinaGibco15140
Pluronic F-127 Sigma AldrichP2443
Alcohol polivinílico Sigma AldrichP8136
RPMI 1640 Gibco21875
Selenito de sodioSigma AldrichS5261
TGFß 1Peprotech100-21
TrombinaSigma AldrichT7513
Transferrin Sigma AldrichT8158
Y-27632Biorbytorb6014
hiPSCHecho a medida en UKE hamburgona
Kit de cardiomiocitos iCellCellular Dynamics InternationalCMC-100-010-001
Kit de cardiomiocitos pluricitariosPluriomicsPCK-1.5
Cor.4U - Kit de cardiomiocitos HiPSCAxiogenesis AGAx-C-HC02-FR3
Cellartis cardiomiocitosTakara Bio USA, Inc.Y10075

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Laverty, H. How can we improve our understanding of cardiovascular safety liabilities to develop safer medicines? Br J Pharmacol. 163 (4), 675-693 (2011).
  2. Guidance for Industry S7B Nonclinical Evaluation of the Potential for Delayed Ventricular Repolarization (QT Interval Prolongation) by Human Pharmaceuticals. , U.S. Department of Health and Human Services Food and Drug Administration. Available from: http://www.fda.gov/downloads/drugs/guidancecomplianceregulatoryinformation/guidances/ucm074963.pdf (2005).
  3. Takahashi, K., Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 126, 663-676 (2006).
  4. Burridge, P. W. Chemically defined generation of human cardiomyocytes. Nat Methods. 11 (8), 855-860 (2014).
  5. Kempf, H., Kropp, C., Olmer, R., Martin, U., Zweigerdt, R. Cardiac differentiation of human pluripotent stem cells in scalable suspension culture. Nat Protoc. 10 (9), 1345-1361 (2015).
  6. Yang, X., Pabon, L., Murry, C. E. Engineering adolescence: maturation of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Circ Res. 114 (3), 511-523 (2014).
  7. Mannhardt, I. Human Engineered Heart Tissue: Analysis of Contractile Force. Stem Cell Reports. 7 (1), 29-42 (2016).
  8. Eder, A. Effects of proarrhythmic drugs on relaxation time and beating pattern in rat engineered heart tissue. Bas Res Cardiol. 109 (6), 436(2014).
  9. Stöhr, A. Contractile abnormalities and altered drug response in engineered heart tissue from Mybpc3-targeted knock-in mice. J Mol Cell Cardiol. 63, 189-198 (2013).
  10. Schaaf, S. Human Engineered Heart Tissue as a Versatile Tool in Basic Research and Preclinical Toxicology. PLoS One. 6 (10), e26397(2011).
  11. Hansen, A. Development of a drug screening platform based on engineered heart tissue. Circ Res. 107 (1), 35-44 (2010).
  12. Frank, S., Zhang, M., Schöler, H. R., Greber, B. Small molecule-assisted, line-independent maintenance of human pluripotent stem cells in defined conditions. PloS One. 7 (7), e41958(2012).
  13. Lanier, M. Wnt inhibition correlates with human embryonic stem cell cardiomyogenesis: A structure-activity relationship study based on inhibitors for the Wnt response. J Med Chem. 55 (2), 697-708 (2012).
  14. Hirt, M. N. Increased afterload induces pathological cardiac hypertrophy: a new in vitro model. Bas Res Cardiol. 107 (6), 307-323 (2012).
  15. Jacob, F. Analysis of Tyrosine Kinase Inhibitor-Mediated Decline in Contractile Force in Rat Engineered Heart Tissue. PLoS One. 11 (2), e0145937(2016).
  16. Friedrich, F. W. Evidence for FHL1 as a novel disease gene for isolated hypertrophic cardiomyopathy. Hum Mol Genet. 21 (14), 3237-3254 (2012).
  17. Crocini, C. Impact of ANKRD1 mutations associated with hypertrophic cardiomyopathy on contraction parameters of engineered heart tissue. Bas Res Cardiol. 108 (3), 349(2013).
  18. Fiedler, J. Development of Long Noncoding RNA-Based Strategies to Modulate Tissue Vascularization. J Am Coll Cardiol. 66 (18), 2005-2015 (2015).
  19. van Meer, B. J. Small molecule absorption by PDMS in the context of drug response bioassays. Biochem Biophysl Res Commun. , (2016).
  20. Godier-Furnémont, A. F. G. Physiologic force-frequency response in engineered heart muscle by electromechanical stimulation. Biomaterials. 60, 82-91 (2015).
  21. Eng, G. Autonomous beating rate adaptation in human stem cell-derived cardiomyocytes. Nat Commun. 7, 10312(2016).
  22. Huebsch, N. Miniaturized iPS-Cell-Derived Cardiac Muscles for Physiologically Relevant Drug Response Analyses. Sci Rep. 6 (24726), 1-12 (2016).
  23. Masumoto, H. The myocardial regenerative potential of three-dimensional engineered cardiac tissues composed of multiple human iPS cell-derived cardiovascular cell lineages. Sci Rep. 6 (29933), 1-10 (2016).
  24. Ravenscroft, S. M., Pointon, A., Williams, A. W., Cross, M. J., Sidaway, J. E. Cardiac Non-myocyte Cells Show Enhanced Pharmacological Function Suggestive of Contractile Maturity in Stem Cell Derived Cardiomyocyte Microtissues. Toxicol Sci. 152 (1), 99-112 (2016).
  25. Zhang, J. H., Chung, T. D. Y., Oldenbutg, K. R. A Simple Statistical Parameter for Use in Evaluation and Validation of High Throughput Screening Assays. J Biomol Screen. 4 (2), 67-73 (1999).
  26. Vandenburgh, H. Durg-screening platform based on the contractility of tissue-engineered muscle. Muscle Nerve. 37 (4), 438-447 (2008).
  27. EHT Technologies GmbH. , Available from: http://www.eht-technologies.com Forthcoming.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Reimpresiones y permisos

Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este artículo de JoVE

Solicitar permiso

Etiquetas

Ensamblaje de gel de fibrinapostes de PDMSmedici n de fuerzadetecci n basada en c maraalgoritmo de reconocimiento de figurasinhibici n del canal hERGrespuesta al f rmaco E 4031

Artículos relacionados