כאן פיתחנו מודל של איבר על-שבב של תאי שריר חלקים באבי העורקים כדי לשכפל את הזן הביומכני in vivo של תאי שריר חלקים בדופן אבי העורקים האנושי.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
כאן פיתחנו מודל של איבר על-שבב של תאי שריר חלקים באבי העורקים כדי לשכפל את הזן הביומכני in vivo של תאי שריר חלקים בדופן אבי העורקים האנושי.
טכניקות קונבנציונליות של תרביות תאים דו-ממדיות ומודלים של בעלי חיים שימשו במחקר של מפרצת ודיסקציה של אבי העורקים החזי האנושי (TAAD). עם זאת, TAAD אנושי לפעמים לא יכול להיות מאופיין על ידי מודלים של בעלי חיים. קיים פער מינים לכאורה בין מחקרים קליניים בבני אדם לבין ניסויים בבעלי חיים שעשויים לעכב גילוי של תרופות טיפוליות. לעומת זאת, מודל תרבית התאים הקונבנציונלי אינו מסוגל לדמות גירויים ביומכניים in vivo . לשם כך, טכניקות מיקרו-פבריקציה ומיקרופלואידיות התפתחו מאוד בשנים האחרונות, ומספקות טכניקות חדשניות לביסוס מודלים של אורגנואידים על שבב המשכפלים את המיקרו-סביבה הביומכנית. במחקר זה פותח מודל של איבר-על-שבב של תאי שריר חלקים של אבי העורקים (HASMC-OOC) כדי לדמות את הפרמטרים הפתופיזיולוגיים של ביומכניקה של אבי העורקים, כולל המשרעת והתדירות של מאמץ מחזורי שחווים תאי שריר חלק באבי העורקים האנושי (HASMCs) הממלאים תפקיד חיוני ב-TAAD. במודל זה, המורפולוגיה של HASMCs התארכה בצורתה, התיישרה בניצב לכיוון המתח, והציגה פנוטיפ מתכווץ יותר בתנאי מאמץ מאשר בתנאים קונבנציונליים סטטיים. זה עלה בקנה אחד עם כיוון התא והפנוטיפ בדפנות אבי העורקים האנושי המקומי. בנוסף, תוך שימוש ב-TAAD (BAV-TAAD) הקשור למסתם אבי העורקים ו-TAAD (TAV-TAAD) הקשור למסתם אבי העורקים טריקוספיד שמקורו בחולי HASMCs, הקמנו מודלים של מחלות BAV-TAAD ו-TAV-TAAD, המשכפלים את מאפייני HASMC ב-TAAD. מודל HASMC-OOC מספק פלטפורמה חדשנית במבחנה המשלימה מודלים של בעלי חיים להמשך חקר הפתוגנזה של TAAD וגילוי מטרות טיפוליות.
מפרצת ודיסקציה של אבי העורקים החזי (TAAD) היא הרחבה מקומית או דלמינציה של דופן אבי העורקים הקשורה לתחלואה גבוהה ותמותה1. תאי שריר חלק באבי העורקים האנושי (HASMCs) ממלאים תפקיד חיוני בפתוגנזה של TAAD. HASMCs אינם תאים ממוינים באופן סופני, ו- HASMCs שומרים על פלסטיות גבוהה, מה שמאפשר להם להחליף פנוטיפים בתגובה לגירויים שונים2. HASMCs נתונים בעיקר למתח מתיחה קצבי in vivo, וזהו אחד הגורמים המרכזיים המווסתים שינויים מורפולוגיים בשרירים חלקים, התמיינות ותפקודים פיזיולוגיים 3,4. לכן, לא ניתן להתעלם מתפקידו של זן מחזורי בחקר ה- HASMCs. עם זאת, תרביות תאים דו-ממדיות קונבנציונליות אינן יכולות לשכפל את הגירוי הביומכני של זן מחזורי שחווים HASMCs in vivo. בנוסף, בניית מודל TAAD של בעלי חיים אינה מתאימה לסוגים מסוימים של TAAD, כגון TAAD הקשור לשסתום אבי העורקים הביקוספיד (BAV). יתר על כן, לא ניתן להתעלם מהפער בין מחקרים קליניים בבני אדם לניסויים בבעלי חיים. זה מעכב את התרגום הפרמצבטי בפרקטיקה הקלינית. לפיכך, יש צורך דחוף במערכות מורכבות ופיזיולוגיות יותר כדי לדמות את הסביבה הביומכנית in vivo במחקר של מחלות אבי העורקים.
ניסויים בבעלי חיים המשמשים במחקר ביו-רפואי ובפיתוח תרופות הם יקרים, גוזלים זמן ומוטלים בספק מבחינה אתית. בנוסף, התוצאות ממחקרים בבעלי חיים לעתים קרובות אינן מצליחות לחזות את התוצאות המתקבלות בניסויים קליניים בבני אדם 5,6. היעדר מודלים פרה-קליניים אנושיים ושיעור הכישלון הגבוה בניסויים קליניים הביאו למעט תרופות יעילות למרפאה, מה שהגדיל את עלויות הטיפול הרפואי7. לכן, דחוף למצוא מודלים ניסיוניים אחרים כדי להשלים מודלים של בעלי חיים. טכניקות מיקרו-פבריקציה ומיקרופלואידיות התפתחו מאוד בשנים האחרונות, ומספקות טכניקות חדשניות לביסוס מודלים של אורגנואידים על שבב המתקן את החסרונות של טכניקות מסורתיות של תרביות תאים דו-ממדיות ומבססים מודל in-vitro מציאותי יותר, בעלות נמוכה ויעילה יותר למחקרים פיזיולוגיים ופיתוח תרופות. באמצעות התקנים מיקרופלואידיים, איברים על שבבים נוצרים כדי לתרבת תאים חיים בתאים בגודל מיקרומטר עם גירויים שונים כדי לשכפל את הפונקציות העיקריות של רקמה או איבר. המערכת מורכבת ממיקרו-תעלות מיקרופלואידיות בודדות או מרובות, כאשר סוג אחד של תאים מתרבית בתא משוכפל פונקציות מסוג רקמה אחד או סוגי תאים שונים בתרבית על ממברנות נקבוביות כדי ליצור מחדש ממשקים בין רקמות שונות. לאורגנואידים מבוססי מיקרופלואידיקה בשילוב עם תאים שמקורם בחולה יש יתרון ייחודי של גישור על ההבדלים בין המינים הגדולים בין מודלים של מחלות עכברים ובני אדם והתגברות על החסרונות של תרבית תאים דו-ממדית מסורתית לצורך מחקר מנגנוני מחלה וגילוי תרופות. עם ההתפתחות המהירה של מיקרופלואידיקה בשנים האחרונות, חוקרים הבינו את התועלת של מודלים של איבר על שבב (OOC) במבחנה המשכפלים פרמטרים ביולוגיים מורכבים in vivo 8. אורגנואידים מיקרופלואידיים אלה מדמים סביבות ביומכניות במבחנה, כגון מתח מחזורי, עקת גזירה ולחץ נוזלי, ומספקים סביבת תרבית תאים תלת-ממדית (3D). עד כה, מספר מודלים OOC הוקמו כדי לדמות גירויים ביומכניים באיברים כגון הריאה9, כליה 10, כבד11, המעי 12, ולב 13, אבל אלה לא יושמו באופן נרחב על המחקר של מחלת אבי העורקים האנושי.
במחקר זה, אנו מציגים מודל של איבר-על-שבב של תאי שריר חלקים של אבי העורקים האנושי (HASMC-OOC) שיכול לשלוט בכוחות ובמקצבים המכניים הביומימטיים המופעלים על HASMCs ראשוניים שמקורם ב-TAAD. השבב מורכב מלוחות עבים תלת-שכבתיים של פולידימתילסילוקסן (PDMS) החרוטים בתעלות ושני ממברנות PDMS ממוסחרות וגמישות במיוחד. HASMCs מתורבתים על ממברנות PDMS. הערוץ במרכז השבב מלא במדיום תרבית לתרבית תאים. הערוצים העליונים והתחתונים של השבב מחוברים למערכת אספקת לחץ ואקום שיכולה לשלוט בקצב ובתדירות של מתח מתיחה מכני של ממברנות PDMS. ניתן לדמות זן קצבי שחווים HASMCs ב-HASMC-OOC, תוך שכפול המיקרו-סביבה הביומכנית של רקמה או איבר שאינם ניתנים להשגה פונקציונלית עם מערכות תרבית דו-ממדיות קונבנציונליות. עם היתרון של הדמיה בזמן אמת ברזולוציה גבוהה ומיקרו-סביבה ביומכנית, ניתן לחקור את הפעילויות הביוכימיות, הגנטיות והמטבוליות של תאים חיים להתפתחות רקמות, פיזיולוגיה של איברים, אטיולוגיה של מחלות, מנגנונים מולקולריים וזיהוי סמנים ביולוגיים, מחלות לב וכלי דם ומחלות אבי העורקים. בשילוב עם תאים ספציפיים לרקמות ולמטופלים, מערכת זו יכולה לשמש לבדיקת תרופות, רפואה מותאמת אישית ובדיקות רעילות. מודל HASMC-OOC זה מספק פלטפורמה חדשנית במבחנה לחקר הפתוגנזה של מחלת אבי העורקים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דגימות אבי העורקים האנושיות נוצלו לבידוד ראשוני של HASMC באישור בית החולים ז'ונגשאן, ועדת האתיקה של אוניברסיטת פודאן (NO. B2020-158). דגימות אבי העורקים נאספו מחולים שעברו ניתוח אבי העורקים בבית החולים ז'ונגשאן, אוניברסיטת פודאן. הסכמה מדעת בכתב התקבלה מכל המטופלים לפני ההשתתפות.
1. בידוד תאי שריר חלק אבי העורקים האנושי העיקרי
2. הכנת שבב PDMS
3. טיפול משטח שבב PDMS ועיקור
4. זריעת תאים על שבב PDMS ותהליך מתיחת תאים
5. הכנת מערכת הבקרה המכנית
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מודל HASMC-OOC מורכב ממערכת בקרת ואקום, מערכת מחזור ושבבי PDMS, והתכנון הסכמטי של מודל HASMC-OOC (איור 1). מערכת בקרת הוואקום מורכבת ממשאבת ואקום, שסתומי סולנואיד ובקר PLC. כדי לפעול כמערכת המחזור, נעשה שימוש במשאבה פריסטלטית כדי לרענן את מדיום תרבית התאים ולהוסיף תרופות. שבב ה-PDMS הורכב משני תאי ואקום ותא אמצעי מלא ב-SMCM לצמיחת תאים. על פי התכנון של מבנה השבב, תבנית PMMA הוכנה, ושלושת לוחות PDMS הוכנו על ידי מזיגה לתוך תבניות וקישור צולב ב 70 מעלות צלזיוס במשך 2 שעות. לאחר טיפול בפלזמה, ש...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיה מיקרופלואידית, מודלים של OOC שיכולים לשכפל את התפקוד הביולוגי והמבנה של איבר אחד או יותר במבחנה התפתחו בשנים האחרונות ליישומים בביולוגיה, רפואה ופרמקולוגיה15. OOC יכול לדמות תפקודים מרכזיים של המיקרו-סביבה הפיזיולוגית האנושית, החיוניים לחקר מנגנוני מחלה ולקידום תרגום תרופות פרה-קליניות 8,16. למרות ש- OOC עדיין נמצא בשלבים המוקדמים ויש צורך בקלט נוסף כדי לייעל את העיצוב של OOC, התקדמות רבה הושגה בשני...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין מה לחשוף.
המחברים מכירים בכך שעבודה זו נתמכה על ידי מענקים מוועדת המדע והטכנולוגיה של עיריית שנגחאי (20ZR1411700), הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (81771971) ותוכנית השייט של שנגחאי (22YF1406600).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 4% פרפורמלדהיד | Beyotime | P0099-100 מ"ל | משמש לקיבוע תאים |
| Alexa Fluor 350-Labeled Goat Anti-Rabbit IgG | Beyotime | A0408 | נוגדנים המשמשים לצביעה חיסונית |
| אלבומין בסרום בקר | Beyotime | ST025-20g | |
| סידן AM/PI | Invitrogen | L3224 | |
| בקבוק תרבית תאים | קורנינג | 430639 | |
| CNN1 | Abcam | Ab46794 | |
| מסחרי גמיש ממברנת PDMS | האנגג'ואו קירח חומרים מתקדמים | KYQ-200 | |
| F-actin | Invitrogen | R415 | |
| FBS | Sigma | M8318 | |
| צינורות | נוזל Runze | 96410 | קוטר פנימי 1 מ"מ; קוטר חיצוני 3 מ"מ; עובי דופן 1 מ"מ; כתובת האתר הרשמי: https://www.runzefluidsystem.com |
| קו תאי שריר חלק אבי העורקים האנושי CRL1999 | ATCC | מספר פריט:70019189 | |
| תמונה J | Imagej.net/fiji/downloads | להורדה בחינם: | פלטפורמת הדמיה https://fiji.sc המשמשת לזיהוי עוצמת הקרינה |
| חממת | Thermo Fisher Scientific | מבטיח שהטמפרטורה, לחות וחשיפה לאור זה><ה לחלוטין לאורך כל הניסוי . | |
| Luer | Runze Fluid | RH-M016 | כתובת האתר הרשמית: https://www.runzefluidsystem.com. |
| מיקרוסקופ | קולגן עכבר אולימפוס | ||
| סיגמא | C7661 | ||
| פלזמת חמצן | מכשיר צ'אנגג'ואו הונגמינג | HM-Plasma5L | |
| פסטר פיפטה | Biologix | 30-0138A1 | |
| PBS | Beyotime | C0221A | |
| עט-סטרפטוק | Sigma | P4458-100 מ"ל | אנטיביודיקה המשמשת למניעת זיהום חיידקים של תאים במהלך התרבית. |
| משאבה פריסטלטית | Kamoer | F01A-STP-B046 | |
| צלחת פטרי | קורנינג | 430167 | |
| בקר PLC | Zhejiang Jun Teng (BenT) מפעל CNC | BR010-11T8X2M | ניתן למצוא את הגדרת התוכנית המפורטת בהשלמה. כתובת האתר הרשמי: files.http://www.btcnc.net |
| polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| SM22 | Abcam | ab14106 | |
| SMCM | ScienCell | Cat 1101 | |
| שסתום סולנואיד | SMC (סין) | VQZ300 | |
| בקטון, דיקינסון ושות' | 300841 | ||
| Triton-X 100 | Beyotime | ST795 | לחדירה לקרומי התאים |
| Trizol | Invitrogen | 10296010 | משמש למיצוי RNA |
| טריפסין | סיגמא | ||
| SMC (סין) | ZFC5-6 | רשמי כתובת האתר: | |
| משאבת ואקום | https://www.smc.com.cn Kamoer | KVP15-KL-S | |
| ווסת ואקום | AirTAC | GVR-200-06 | |
| <חזק>פריימרים | |||
| שם פריימר | קדימה (5' עד 3') | הפוך (5' עד 3') | |
| SM22 | CCGTGGAGATCCCAACTGG | CCATCTGAAGGCCAATGACAT | |
| CNN1 | CTCCATTGACTCGAACGACTC | CAGGTCTGCGAAACTTTAGA |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.