Este protocolo permite la generación de cardioides autoorganizados basados en cardiomiocitos a partir de células madre pluripotentes inducidas humanas para la evaluación microscópica de la captación de oligonucleótidos marcados con fluorescencia.
Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Artículo de método
* These authors contributed equally
Este protocolo permite la generación de cardioides autoorganizados basados en cardiomiocitos a partir de células madre pluripotentes inducidas humanas para la evaluación microscópica de la captación de oligonucleótidos marcados con fluorescencia.
Las terapias basadas en oligonucleótidos representan una clase de fármacos en rápido avance con un potencial significativo para tratar enfermedades cardiovasculares; Sin embargo, lograr una administración eficiente en el tejido cardíaco sigue siendo un desafío crítico y sin resolver. Un obstáculo clave es la limitada disponibilidad de modelos humanos in vitro robustos y fisiológicamente relevantes, capaces de apoyar la evaluación cuantitativa de la captación celular de oligonucleótidos y su distribución intracelular. Se presenta un protocolo detallado y paso a paso para generar cardioides 3D autoorganizados a partir de células madre pluripotentes inducidas humanas (iPSCs) y aplicarlos como plataforma para evaluar la absorción de oligonucleótidos marcados con fluorescencia. El protocolo guía a los usuarios a través de la diferenciación cardíaca dirigida en cultivo en suspensión mediante la modulación temporal de la señalización Wnt/β-catenina, permitiendo la especificación secuencial de iPSCs a través de las etapas progenitoras del mesodermo, del mesodermo cardíaco y del cardiomiocito. Bajo estas condiciones, las células se autoensamblan espontáneamente en estructuras tridimensionales que contienen cavidades y que expresan marcadores canónicos de cardiomiocitos. Los cardioides resultantes proporcionan una plataforma escalable y experimentalmente manejable para la evaluación basada en imágenes de la eficiencia de captación de oligonucleótidos, apoyando el desarrollo y la optimización de estrategias de administración para aplicaciones cardíacas.
Las terapias basadas en oligonucleótidos, principalmente oligonucleótidos antisentido (ASO) y pequeños ARN interferentes (siRNA), están emergiendo rápidamente como un enfoque transformador y altamente específico para el tratamiento de una amplia gama de enfermedades, incluyendo tanto condiciones hereditarias como adquiridas 1,2,3. Estas modalidades permiten la modulación directa de la expresión génica a nivel de ARNm mediante la unión específica de secuencia a transcritos objetivo, lo que permite la corrección de silenciamiento génico o empalme de genes asociados a enfermedades que a menudo son inaccesibles para terapias convencionales de moléculaspequeñas 4,5. Por ello, las terapias génicas basadas en oligonucleótidos proporcionan una plataforma versátil para atacar diversos mecanismos patógenos en múltiples áreas de enfermedad, incluyendo trastornoscardiovasculares 6. Hasta la fecha, varios tratamientos basados en oligonucleótidos, incluidos ASOs, siRNAs y agentes de conmutación de empalmes, han sido aprobados para usoclínico 7. A pesar de este progreso, su eficacia terapéutica tanto en entornos preclínicos como clínicos sigue limitada por una administración intracelular ineficiente8. Las estimaciones actuales indican que menos del 1% de los oligonucleótidos internalizados escapan de los compartimentos endosómicos para llegar al citosol y comprometer su ARN objetivo, limitando así la actividadfuncional 9,10. Esta limitación es especialmente pronunciada en el tejido cardíaco, donde la captación y el tráfico intracelular se comprenden poco.
Históricamente, la evaluación preclínica de terapias cardiovasculares se ha basado en gran medida en modelos animales, que siguen siendo indispensables para evaluar la farmacocinética, la biodistribución, la eficacia y la seguridad in vivo. Sin embargo, importantes diferencias entre especies en fisiología cardíaca, regulación génica y respuestas celulares a menudo limitan su capacidad para predecir con precisión la eficacia terapéutica y la toxicidad en humanos. Estas limitaciones han impulsado el desarrollo de modelos in vitro basados en humanos con mayor relevancia fisiológica. Entre ellas, la tecnología de células madre pluripotentes inducidas humanas (iPSC) ha revolucionado la modelización de enfermedades cardiovasculares al proporcionar una fuente prácticamente ilimitada de células que pueden diferenciarse en linajes cardiovasculares. Los cardiomiocitos derivados de iPSC en humanos (iPSC-CM) recapitulan muchas de las propiedades moleculares, estructurales y funcionales del miocardio humano y se han convertido en una plataforma ampliamente adoptada para investigar mecanismos de enfermedades, respuestas a fármacos y modalidades terapéuticasemergentes 11. Sin embargo, los cultivos bidimensionales convencionales de iPSC-CM humanos presentan limitaciones importantes. La mayoría de los protocolos de diferenciación generan cardiomiocitos que se asemejan a células fetales en lugar de adultas, mostrando propiedades estructurales, electrofisiológicas, metabólicas y contráctilesinmaduras.
Además, los cultivos monocapa carecen de la arquitectura tisular tridimensional (3D), las interacciones multicelulares y la composición de la matriz extracelular que influyen en la función cardiomiocitaria in vivo. Para abordar estos desafíos, se han desarrollado modelos cardíacos 3D cada vez mássofisticados 13. Entre ellos, los tejidos cardíacos modificados (EHT), generados mediante la incrustación de iPSC-CM en andamios de biomateriales y la aplicación de estimulación mecánica y eléctrica, promueven la maduración estructural y funcional mientras reproducen más fielmente el entorno biomecánico del miocardionativo 13. Aunque los EHT proporcionan plataformas altamente relevantes fisiológicamente para la modelización de enfermedades y pruebas de fármacos, su generación suele requerir conocimientos especializados en bioingeniería y equipos dedicados. En el otro extremo, las cortes cardíacos ex vivo conservan de forma más fiel la arquitectura y composición celular del tejido nativo, pero dependen del acceso al tejido cardíaco primario, tienen una viabilidad limitada en cultivo y no son fácilmente escalables.
Más recientemente, los organoides cardíacos han surgido como sistemas modelo 3D accesibles que recapitulan aspectos clave de la organización y función del tejidocardíaco 14. Los cardioides son organoides cardíacos autoensamblados compuestos predominantemente por cardiomiocitos que sufren especificación intrínseca, patrón espacial y morfogénesis para formar estructuras en forma de cámara que contienencavidades 15,16. Los métodos para formar cardioides suelen depender de una activación inicial de la señalización Wnt para inducir la especificación del mesodermo, seguida de una inhibición posterior para promover el compromiso de la línea cardíaca. Los cardioides pueden generarse en cultivos estáticos o en suspensión agitada, que apoyan la producción escalable y mejoran la autoorganizacióntisular 15,16,17,18,19. Los organoides cardíacos más complejos de múltiples líneas que incorporan tipos celulares endoteliales, epicárdicos u otros aumentan aún más la relevancia fisiológica, pero requieren protocolos de diferenciación más elaborados, periodos de cultivo más largos y una optimizaciónextensa 13,14.
Se presenta un protocolo sencillo, reproducible y eficiente para generar cardioides autoorganizados basados en cardiomiocitos a partir de iPSC humanos y aplicarlos para evaluar la absorción de oligonucleótidos marcados con fluorescencia. El protocolo debería resultar valioso para investigadores que buscan optimizar la química y las estrategias de administración de oligonucleótidos para aplicaciones cardiovasculares. Todos los materiales utilizados en este estudio están listados en la Tabla de Materiales.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
1. Cultivo y preparación de iPSC para la diferenciación
PRECAUCIÓN: Realizar toda la manipulación al aire libre de células y medios en un gabinete de bioseguridad certificado Clase II. Lleva bata y guantes. Descontamina las superficies de trabajo y los residuos líquidos con un desinfectante adecuado.
2. Preparación de agregados iPSC en placas de micropozos
3. Expansión de agregados iPSC en micropozos
4. Diferenciación cardíaca de agregados de iPSC (Día 0 a Día 12)
5. Caracterización microscópica de cardioides
NOTA: Este método proporciona un flujo de trabajo para la caracterización histológica de los cardioides mediante criosecciones. Las secciones resultantes pueden utilizarse para una variedad de análisis histológicos, incluyendo la tinción de hematoxilina y eosina (H&E) para evaluar la arquitectura general del tejido y el marcaje de inmunofluorescencia para evaluar la identidad del cardiomiocito.
6. Ensayo de captación de oligonucleótidos fluorescentes
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
La Figura 1 resume el flujo de trabajo de diferenciación e ilustra los cambios morfológicos característicos esperados en cada etapa del protocolo, desde la agregación de iPSC hasta la formación de cardioides autoorganizados. La agregación de micropozos basada en suspensión proporciona un enfoque sencillo y estandarizado para la generación paralela de grandes cantidades de cardioides controlados por tamaño. La diferenciación exitosa se caracteriza por la gene...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Las terapias basadas en oligonucleótidos han surgido como una clase poderosa de modalidades de dirigimiento génico, respaldadas por décadas de avances en la química de oligonucleótidos que han mejorado la especificidad del objetivo, la estabilidad metabólica y la tolerabilidadinmunogénica 7,8. A pesar del creciente número de terapias de ARN aprobadas clínicamente, su aplicación más amplia sigue limitada por una administración int...
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Los autores no declaran intereses en competencia.
Agradecemos a los miembros del Novo Nordisk Foundation Challenge Center for Optimized Oligo Escape, en particular a Knud Jensen por el diseño y síntesis de oligonucleótidos, y a Nikos S. Hatzakis y Tomas Kirchhausen por la valiosa orientación sobre imágenes cuantitativas y análisis de tráfico intracelular. Este trabajo fue financiado por el Novo Nordisk Foundation Challenge Center for Optimized Oligo Escape (NNF23OC0081287). M.F. recibió una beca de la Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), Portugal (2020.04836.BD). Agradecemos a GIMM Bioimaging y a las Plataformas de Histopatología GIMM (Lisboa, Portugal) por la asistencia técnica.
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| 4', 6-diamidino-2'-phenylindole, dihydrochloride | Thermo Scientific | 62248 | DAPI |
| 10× dry objective | Zeiss | EC Plan-Neofluar 10×/0.30 | |
| 40× water objective | Zeiss | LD C-Apochromat 40×/1.10 Corr | |
| 63× oil-immersion objective | Zeiss | Plan-Apochromat 63×/1.40 Oil DIC M27 | |
| 800-µm microwell aggregation plate | STEMCELL Technologies | 34815 | AggreWell 800 |
| Andor Neo 5.5 sCMOS camera | Andor | Andor Neo 5.5 | |
| Antifade mounting medium | Vector Laboratories | H-1000-10 | VECTASHIELD Antifade Mounting Medium |
| B27 supplement minus insulin, 50× | Gibco | A18956-01 | B27 Minus Insulin 50× |
| B27 supplement with insulin, 50× | Gibco | 17504-044 | B27 Supplement 50× |
| Basal Medium | Gibco | 21875-034 | RPMI 1640 |
| Basement-membrane matrix | Gibco / Corning | A14132-02 / 354230 | Geltrex LDEV-Free / Matrigel LDEV-Free |
| brightfield microscope | EVOS | EVOS XL Core Imaging Microscope | |
| Cell detachment solution | STEMCELL Technologies | 07922 | ACCUTASE |
| confocal microscope | ZEISS | ZEISS LSM 980 with Airyscan 2 Microscope | |
| Defined feeder-free iPSC maintenance medium | STEMCELL Technologies | 100-0276 | mTeSR Plus |
| DMEM/F12 | Gibco | 31331-028 | DMEM/F12 |
| Non-treated 6-well plate | Avantor (VWR) | 734-2777 | Untreated 6-well Plate |
| Phalloidin | Thermo Scientific | A22287 | Phalloidin Labeling Probes ALexa 647 |
| Phosphate-buffered saline (1× PBS) | Gibco | 14190-144 | DPBS 1× |
| primary antibody c-MYBPC3 | Santa Cruz | sc-137181 | MYBPC3 Antibody (F-1) |
| ROCK inhibitor | STEMCELL Technologies | 72304 | ROCK Inhibitor (Y-27632) |
| Secondary antibody (green) | Thermo Scientific | A-11017 | F(ab')2-Goat anti-Mouse IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 |
| Washing medium supplement | Gibco | 10828028 | KnockOut Serum Replacement |
| WGA, Alexa Fluor™ 488 conjugate | Invitrogen | W11261 | WGA |
| widefield microscope | Nikon | Nikon Eclipse Ti | |
| WNT pathway inhibitor | STEMCELL Technologies | 72552 | IWP4 |
| Wnt/β-catenin pathway activator | Sigma | SML1046 | CHIR99021 |
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Este artículo ha sido publicado
Video próximamente