פרוטוקול זה מתאר כיצד למדוד התכווצות בקרדיומיוציטים ראשוניים אנושיים בוגרים מלבבות תורמים באמצעות מערכת MyoBLAZER, פלטפורמה אמינה להערכת שינויים בהתכווצות הנגרמת על ידי תרופות במהלך הפיתוח הפרה-קליני.
מאמר שיטה
פרוטוקול זה מתאר כיצד למדוד התכווצות בקרדיומיוציטים ראשוניים אנושיים בוגרים מלבבות תורמים באמצעות מערכת MyoBLAZER, פלטפורמה אמינה להערכת שינויים בהתכווצות הנגרמת על ידי תרופות במהלך הפיתוח הפרה-קליני.
הערכת השינויים בהתכווצות הלב חיונית במהלך הפיתוח הפרה-קליני עבור תרכובות חדשות ממוקדות לב ולא לב. מאמר זה מתאר פרוטוקול להערכת שינויים בהתכווצות בקרדיומיוציטים חדריים ראשוניים אנושיים בוגרים באמצעות MyoBLAZER, שיטה אופטית לא פולשנית המשמרת את הפיזיולוגיה והפרמקולוגיה הרגילות של התאים. שיטת הקלטה אופטית זו מודדת ברציפות מעברי התכווצות מתאים מרובים במקביל, ומספקת הן תפוקה בינונית והן מידע בעל ערך עבור כל תא בודד בשדה הראייה, ומאפשרת מעקב בזמן אמת אחר השפעות התרופה. התכווצויות הקרדיומיוציטים מושרות על ידי גירוי שדה חשמלי קצוב, ותמונות השדה הבהיר הנרכשות מוזנות לתוכנת עיבוד תמונה המודדת את התקצרות הסרקומר על פני קרדיומיוציטים מרובים. שיטה זו מייצרת במהירות נקודות קצה שונות הקשורות לקינטיקה של שלבי ההתכווצות וההרפיה, ולאחר מכן ניתן לפרש את הנתונים המתקבלים ביחס לריכוזים שונים של מאמר בדיקה. שיטה זו משמשת גם בשלבים מאוחרים של פיתוח פרה-קליני לביצוע מחקרי המשך מכניסטיים לתמיכה במחקרים קליניים מתמשכים. לפיכך, למודל האנושי הראשוני המבוסס על קרדיומיוציטים בוגרים בשילוב עם המערכת האופטית לניטור התכווצות רציפה יש פוטנציאל לתרום לעידן חדש של תרגום נתונים לבביים במבחנה בפיתוח טיפול רפואי פרה-קליני.
התכווצות שריר הלב (אינוטרופיה), המייצגת את היכולת הטבעית של שריר הלב להתכווץ, היא תכונה מרכזית של תפקוד הלב ותלויה בדינמיקה של הצימוד האלקטרו-מכני. שינויים הנגרמים על ידי תרופות בהתכווצות שריר הלב רצויים לטיפול במחלות לב (למשל, אי ספיקת לב) ואינם רצויים בהקשר של רעילות לב (למשל, הפחתה במקטע פליטת החדר השמאלי). לכן, מודלים של כיווץ פרה-קליני חייבים להיות קשורים לחיזוי מדויק כדי לוודא שתרופות חדשות יכולות להצליח במהלך הפיתוח הקליני. עם זאת, אסטרטגיות פרה-קליניות עכשוויות, המסתמכות על מודלים תאיים מלאכותיים רדוקציוניסטיים (למשל, קווי תאים אימורטליים מהונדסים גנטית המבטאים יתר על המידה מטרות לבביות ספציפיות המעניינות) ומודלים של בעלי חיים שאינם אנושיים, הראו מגבלות משמעותיות ונמצאו קשורות לשיעורי שחיקה גבוהים של תרופות (כלומר, שיעור גבוה של אותות שווא)1,2,3,4 . לפיכך, הכרחי להקים מודלים חדשים ואמינים להתכווצות הלב התאית האנושית הקשורים בעוצמה גבוהה (כלומר, שיעור גבוה של אותות אמיתיים) כדי לחזות תוצאות תרופות בבני אדם, ומכאן, לעזור להאיץ את ההשקה של טיפולים חדשים5.
השיטות פורצות הדרך שנקבעו לאחרונה לשיקום לבבות תורמים אנושיים למחקר 6,7,8,9,10 ובטכניקות בידוד קרדיומיוציטים 11,12,13,14,15 סיפקו הזדמנות ייחודית לביצוע מחקרים מבוססי אדם במהלך הפיתוח הפרה-קליני. למטרה זו, קרדיומיוציטים ראשוניים אנושיים בוגרים כבר הראו תועלת בהערכת שינויים הנגרמים על ידי תרופות בהתכווצות הלב האנושי11,12,13,14. המאמר הנוכחי מפרט את הפרוטוקול לחקר השפעות ההתכווצות של תרכובות חדשות בקרדיומיוציטים אנושיים בוגרים.
כל השיטות בוצעו בהתאם להנחיות ולתקנות הרלוונטיות. כל הלבבות האנושיים ששימשו למחקרים לא היו ניתנים להשתלה והושגו באופן אתי על ידי הסכמה משפטית מדעת (גוף ראשון או קרוב משפחה) מתורמי איברים גופיים בארצות הברית (ארה"ב). פרוטוקולי ההחלמה והניסויים במבחנה אושרו מראש על ידי ועדות סקירה מוסדיות (IRBs) במרכזי השתלות בתוך רשת השתלות רכישת האיברים של ארה"ב (OPTN). יתר על כן, כל העברות הלבבות התורמים ניתנות למעקב מלא ונבדקות מעת לעת על ידי הרשויות הפדרליות בארה"ב.
הערה: החל את כל נהלי הבטיחות הדרושים במהלך ביצוע פרוטוקול זה, כולל לבישת ציוד מגן אישי מתאים (לדוגמה, מעילי מעבדה, משקפי בטיחות, כפפות).
1. בידוד קרדיומיוציטים (יום אחד לפני מדידת התכווצות)
2. הכנת ציפוי למינין (יום לפני מדידת התכווצות)
3. הכנת קרדיומיוציטים סובלניים Ca2+ (ביום מדידת התכווצות)
4. הכנת מערכת ההקלטה (ביום מדידת התכווצות)
הערה: מערכת ההקלטה כוללת קופסת בקרת טמפרטורה, ממריץ, זילוח מונחה לחץ הנשלט על ידי מחשב, בקבוקי זילוח מונעי לחץ, תוכנת רכישה פנימית המאפשרת בחירת אזורי עניין (ROIs) ותצוגה של מעברי כיווץ, מיקרוסקופ הפוך, תא תא ומצלמה (איור 1).
5. הכנת תרכובות בדיקה (ביום מדידת ההתכווצות)
6. ציפוי קרדיומיוציטים (ביום מדידת התכווצות)
7. הקלטה של התכווצות cardiomyocyte
8. כיבוי מערכת הקלטת הכיווץ האופטי
9. ניתוח נתוני התכווצות
מתואר בפרוטוקול זה הליך למדידת התכווצות בקרדיומיוציטים ראשוניים אנושיים בוגרים מבודדים מתורמי איברים והערכת שינויים חריפים בפרמטרים של התכווצות הנגרמים על ידי תרכובת בדיקה. מדידת התכווצות חולפת מתבצעת באמצעות מערכת גיאומטריה תאית מבוססת וידאו, MyoBLAZER, המודדת דינמיקה של סרקומר, ומצב הלב הבוגר מחוקה על ידי גרימת התכווצות עם גירוי חשמלי בתדר הקצב הפיזיולוגי (1 הרץ). הכדאיות התפקודית של הקרדיומיוציטים מאושרת על ידי הערכת צימוד העירור-התכווצות שלהם (כלומר, עיבוד תאי המקשר עירור חשמלי [פוטנציאל הפעולה הסרקולמלי] עם התכווצות). אין מעברי התכווצות ספונטניים בקרדיומיוציטים אנושיים, והקרדיומיוציטים מגיבים לגירוי חשמלי חיצוני באמצעות מחזורי התכווצות/הרפיה (איור 2C, E), כמו גם לאיזופרוטרנול, אגוניסט β-אדרנרגי (איור 2F,G). איזופרוטרנול גורם לעלייה תלוית ריכוז בהתכווצות (איור 2G), וניתן לאפיין גם את השפעתו על הקינטיקה של התכווצות חולפת (איור 2D)12.

איור 1: התקנה ניסיונית של מערכת רישום התכווצות אופטית. רישומי התכווצות שדה בהיר מבוצעים מקרדיומיוציטים ראשוניים אנושיים בוגרים כפי שתואר קודם לכן11,12,13,14. ההתקנה כוללת (A) תיבת בקרת טמפרטורה, (B) מגרה שדה, (C,D) מערכת זילוח מונעת לחץ, (E) תוכנית מחשב מונעת לחץ, (F) לחץ בתוספת בקבוקים, (G) תוכנת רכישה, (H) בחירת ROI עם תוכנת רכישה, (I) תצוגה של מעברי כיווץ עם תוכנת רכישה, (J) מיקרוסקופ הפוך, (K) תא מיקרוסקופ, ו ( L) מצלמה. כל התכונות של הציוד ניתנות בטבלת החומרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: אימות של מדידת התכווצות קרדיומיוציטים אנושיים וההשפעה של גירוי β-אדרנרגי. (A) תמונת מיקרוסקופ ניגודיות פאזה של קרדיומיוציטים ראשוניים אנושיים בוגרים מייצגים, (B) אזורי עניין מוגדרים על-ידי המשתמש (ROI) הממוקמים מעל תמונות של קרדיומיוציטים בריאים ומקבילים לציר ההתכווצות, (C) תצוגה של מעברי התכווצות המתקבלים מאותם ROI ב-(B) עם תוכנת הרכישה, (D) פרמטרים הקשורים לארעי ההתכווצות שנמדדו עם תוכנת הרכישה: משרעת התכווצות, זמן לשיא, דעיכה 30, דעיכה 90, TR90. ניתן למדוד גם פרמטרים נוספים: אורך סרקומר בסיסי, זמן לשיא של 50%, גובה שיא, אורך סרקומר בשיא התכווצות, מהירות התכווצות מקסימלית ומהירות הרפיה מרבית. (E) מעברי התכווצות אופייניים שנרשמו ממיוציטים חדריים ראשוניים אנושיים בוגרים בתדירות קצב של 1 הרץ בנוכחות בקרת רכב (F) ולאחר חשיפה לאיזופרוטרנול 30 ננומטר, אגוניסט β-אדרנרגי לא סלקטיבי. מעברי ההתכווצות שהודגמו בלוחות E ו- F נאספו מאותו קרדיומיוציטים. Isoproterenol מ cardiomyocytes אנושיים בקצב של 1 הרץ בתדירות קצב שימש כדי ליצור את מידע העוצמה. (G) עקומת ריכוז-תגובה מצטברת אופיינית הנוצרת על ידי מדידת התכווצות קרדיומיוציטים אנושיים עם איזופרוטרנול (n = 8 תאים). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
| רצף זילוח | פתרון לרכב | ריכוז 1 (מיקרומטר) | ריכוז 2 (מיקרומטר) | ריכוז: 3 (מיקרומטר) | ריכוז: 4 (מיקרומטר) | לרחוץ |
| זמן טיפול | 120 שניות | 300 שניות | 300 שניות | 300 שניות | 300 שניות | 300 שניות |
| תדירות גירוי | 1 הרץ | 1 הרץ | 1 הרץ | 1 הרץ | 1 הרץ | 1 הרץ |
טבלה 1: פרוטוקול גירוי ורצף יישום תרכובת בדיקה. יציבות זמני ההתכווצות מוערכת על ידי רישום רציף במשך 120 שניות בתמיסה C, המבססת את בקרת הרכב (בדרך כלל ב- 0.1% DMSO). לאחר מכן, ריכוז מאמר הבדיקה מוחל על מינימום של 300 שניות או עד להשגת אפקט מצב יציב. נעשה שימוש בארבעה ריכוזי מאמרי בדיקה עולים, המספקים עקומות אפקט ריכוז מצטבר (C-E). בתום התוספות המצטברות של מאמר הבדיקה, ניתן ליישם תקופת שטיפה של 300 שניות.
כתב יד זה מספק פרוטוקול מפורט עבור המערכת האופטית המבוססת על התכווצות קרדיומיוציטים אנושיים בוגרים עבור שיטה פשוטה בתפוקה בינונית המאפשרת בדיקה של יעילות חריפה ורעילות לב של תרכובות חדשות. מערכת רישום התכווצות אופטית זו קלה לשימוש, מאפשרת הקלטות מתאים מרובים במקביל, מאפשרת הערכה בו זמנית של בריאות התא, פיזיולוגיה ופרמקולוגיה, מגיעה עם ניתוח נתונים אוטומטי ומהיר (ריצה של תאים מרובים מנותחת ב -5 שניות), ומאפשרת איסוף נתונים מהיר (עקומת ריכוז-תגובה כל 30 דקות / תרכובת / מכשיר). בהתחשב בתכונות אלה, מערכת ההקלטה יכולה לשמש לא רק כדי לזהות את ההשפעות של תרופות על התכווצות קרדיומיוציטים, אלא גם כדי לספק נתונים על יחסי מבנה-פעילות לתמיכה במאמצי כימיה רפואית במהלך השלבים המוקדמים של גילוי תרופות16. מכיוון שניתן להשיג עשרות מיליוני תאים מפרוטוקול בידוד קרדיומיוציטים, היישום של פלטפורמת מערכת רישום התכווצות אופטית - קרדיומיוציטים נחקר כעת כדי להשיג יכולת בדיקה מוגברת (עם שימוש בצלחות מבוססות היטב) בעלות מופחתת. יתר על כן, הערכת השפעות התרופה על הפרמטרים הסיסטוליים וההרפיה הנמדדים באמצעות מערכת ההקלטה יכולה לספק פרופיל מכניסטי רב-פרמטרי של תרופות אינוטרופיות12. בנוסף, ניתן להשתמש בנתוני התכווצות קרדיומיוציטים כדי לדרג תרופות חדשות מרוב להכי פחות קרדיוטוקסיות (למשל, שולי בטיחות) ומהכי פחות יעילות (למשל, שולי עוצמה). מחקרי מעקב אחר התכווצות קרדיומיוציטים יכולים להתבצע גם כדי לתמוך בתוכניות פיתוח שנקשרו לירידה קלינית בהתכווצות שריר הלב12.
יתרון משמעותי נוסף של השימוש במערכת ההקלטה האופטית לכיווץ קרדיומיוציטים אנושי הוא התאמתה לתפיסת ה-3Rs (החלפה, הפחתה ועידון)17 שכן ניתן לראות בה שיטה חלופית המונעת או מחליפה את השימוש בבעלי חיים לייצור נתונים בתעשיית התרופות. יתרון 3Rs זה יכול להיות מורחב גם למחקר לב אקדמי. כל הידע הנוכחי על פיזיולוגיה ופרמקולוגיה של קרדיומיוציטים מגיע ממחקרים אקדמיים שנערכו עם תאים שבודדו מלבבות בעלי חיים18. לפיכך, מודל הכיווץ האופטי של קרדיומיוציטים אנושי פותח את האפשרות לביצוע מחקרים תרגומיים ביקורתיים. כדי לבצע מחקרים אלה, יש לפתח פרוטוקולים לשימור ומשלוח של קרדיומיוציטים בוגרים אנושיים (הנמצאים כעת בהערכה במעבדה של AnaBios), ולמערכת ההתכווצות חייבת להיות היכולת לרשום שינויים באורך הסרקומר מקרדיומיוציטים שאינם אנושיים (זה המקרה עם מערכת רישום ההתכווצות האופטית מכיוון שסרקומרים נשמרים היטב בין מינים).
מערכת התכווצות הקרדיומיוציטים האנושית יכולה לחקות מספר מצבים פיזיולוגיים (למשל, צימוד אלקטרומכני, תדר קצב המחקה את קצב הלב, טמפרטורת הגוף, שילוב כל מטרות הלב האנושיות) והוכיחה ערך תרגומי כמרכיב מרכזי בגילוי תרופות11,12,13,14אם כי הוא אינו יכול לחקות את השינויים בעומס מכני ובלחץ הגזירה שנצפו במהלך מחזור התכווצות הלב., המבנה והתפקוד של מטריצות חוץ-תאיות לבביות מובנים כיום טוב יותר19, פיתוח מטריצות כאלה יכול לסייע להתגבר על מגבלת העומס המכאני, ומטריצות עם נוקשות דומה ללב שונות נבדקות כעת במעבדה של AnaBios. מגבלה נוספת של מערכת ההתכווצות האופטית של קרדיומיוציטים אנושיים היא היעדר רשת העצבים המספקת את הלב (למשל, סיבים סימפתטיים ופאראסימפתטיים)20. קשר נוירו-לבבי זה יכול להיווצר מחדש באמצעות יישום משותף של מוליכים עצביים (למשל, איזופרוטרנול, אגוניסט של קולטני β-אדרנוצפטור; אצטילכולין, אגוניסט של קולטני M2 מוסקריניים), כאשר התרכובת מוערכת על השפעותיה האפשריות על התכווצות קרדיומיוציטים. יתר על כן, מעברי ההתכווצות נרשמים ללא מדידות סימולטניות של פוטנציאלי פעולה וטרנזיאנטים Ca 2+, שהם חיוניים גם בעת הערכת השפעות התרופה על האק"ג והטיפול ב- Ca2+. למרות שהשמטה זו יכולה להיחשב כמגבלה של המערכת, היא אינה קריטית מדי מכיוון שהקלטות של אותות פוטנציאליים לפעולה (עם שיטת מהדק זרם או צבעים רגישים למתח) ומעברי Ca 2+ (עם מחוונים / צבעיםCa 2+) יכולים להיות קשורים לציטוטוקסיות. השפעות ציטוטוקסיות כאלה יכולות להשפיע על הערכה של תרופות חדשות כדי לווסת את התכווצות הלב. להיפך, שימוש בשיטה אופטית לא פולשנית המשמרת את הבריאות, הפיזיולוגיה והפרמקולוגיה של הקרדיומיוציטים, כמו מערכת הרישום המתוארת בפרוטוקול זה, לא רק יבטיח קבלת נתוני התכווצות באיכות הגבוהה ביותר, אלא גם יספק נתונים שיכולים לחזות היטב את ההשפעות המתכווצות של תרופות חדשות בבני אדם.
כל המחברים הם עובדי תאגיד AnaBios ומצהירים כי אין אינטרסים מתחרים.
עבודה זו נתמכה על ידי AnaBios Corporation ומענק NIH Small Business Innovation Research (SBIR) (1R44TR003162-01).
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 100– 1000 ומיקרו; L מסונן, פתח רחב, קצוות סטריליים | פיפטה | UF-1000W | |
| 100 מ"ל, בקבוקי לחץ דוראן פלוס | DWK Life Sciences | 218102406 | |
| 1 ליטר, 0.22 ומיקרו; m מערכת מסנן ואקום | VWR | 567-0020 | |
| 290 מילימול/ק"ג אוסמולריות סטנדרטית | Wescor | OA-029 | |
| מד pH שולחני | מטלר טולדו | https://www.mt.com/us/en/home/products/Laboratory_Analytics_Browse/pH-meter/pH-meters.html | |
| סידן כלוריד דיהידראט (CaCl2) | מצלמת סיגמא-אולדריץ' | C3881 | |
| Optronis GmbH | ציקלון-25-150-M | https://optronis.com/en/products/cyclone-25-150/ | |
| קורנינג 25 מ"מ x25 מ"מ מרובע #1 כיסוי זכוכית | קורנינג | 2845-25 | |
| ציקלון-25-150 | Optronis | https://optronis.com/en/products/cyclone-25-150/ | |
| D-(+)-גלוקוז | סיגמא-אולדריץ' | G8270 | |
| טיימר דיגיטלי/שעון עצר | פישר סיינטיפיק | 14-649-17 | |
| דימתיל סולפוקסיד (DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418 | |
| צלחת תרבית סטרילית מפוליסטירן מלבנית בעלת שמונה בארות | Thermo Fisher Scientific | 73521-426 | |
| https://us.vwr.com/store/product/4679368/nunclontm-delta-rectangular-dishes-polystyrene-sterile-thermo-scientific מערכת תא מיקרוסקופ FHD | IonOptix | ||
| Flow EZ, בקר זרימה מודולרי מבוסס לחץ עם תוכנית מונעת מחשב גרסת 1.1.0.0. | OxyGEN | ||
| VWR | 16211-080 | ||
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| למינין רקומביננטי אנושי 521 | BioLamina | LM521-05 | |
| צינורות כרומטוגרפיה IDEX, FEP טבעי, 1/16 אינץ' OD x 0.030 אינץ' ID | Cole-Palmer | 1520L | |
| Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes | , פישר סיינטיפיק | 06-666 | |
| L-(-)-חומצה מאלית, חומצה | סיגמא-אולדריץ' | 112577 | |
| חומצה לקטוביונית, חומצה | סיגמא-אולדריץ | 153516 | |
| L-גלוטמית | סיגמא-אולדריץ' | 49449 | |
| L-היסטידין | סיגמא-אולדריץ | H8000 | |
| מגנזיום כלוריד הקסהידרט (MgCl<תת>2) | Sigma-Aldrich | M9272 | |
| מיקרוסקופ בקרת טמפרטורה שלב מחמם AmScope | TCS-100 | ||
| MyoPacer ממריץ שדה | IonOptix | ||
| Nunc כלים מלבניים | תרמו סיינטיפיק | 267062 | |
| אולימפוס IX83P1ZF Ixplore מיקרוסקופ סטנדרטי | אולימפוס | https://www.olympus-lifescience.com/en/microscopes/inverted/ixplore-standard/?campaignid=657680540&adgroupid =116963199831& מילת מפתח=ix73%20 מיקרוסקופ& gclid=EAIaIQobChMIl qjyiMWP-AIVVx-tBh2JoQ85EAA YASAAEgLp3fD_BwE | |
| pH 4.01, 7.00 ו-10.01 תקנים | אוקטון | WD-05942-10 | |
| אשלגן כלורי (KCl) | סיגמא-אולדריץ | 746436 | |
| אשלגן הידרוקסיד (KOH) | Sigma-Aldrich | P4494 | |
| אשלגן פוספט מונו-בסיסי (KH2PO4) | תוכנת GraphPad של Sigma-Aldrich | 795488 | |
| Prism | - Dotmatics | ||
| https://www.graphpad.com/ RBS 25 חומר ניקוי נוזלי | Sigma-Aldrich | 83460 | |
| Sharps Container | Uline | S-15307 | |
| SigmaPlot תוכנת ניתוח | Systat Software Inc. | https://systatsoftware.com/ | |
| נתרן כלורי (NaCl) | סיגמא-אולדריץ' | S3014 | |
| נתרן הידרוקסיד (NaOH) | סיגמא-אולדריץ' | 221465 | |
| סטודנט דומונט #5 מלקחיים | כלים מדעיים עדינים | 91150-20 | |
| סוכרוז | סיגמא-אולדריץ' | S7903 | |
| טאורין | סיגמא-אולדריץ' | T0625 | |
| תיבת בקרת טמפרטורה | Warner Insturments | TC-324C | |
| אוסמומטר לחץ אדים | ELITechGroup | דגם 5600 | |
| בקבוקוני Wheaton 20 מ"ל | DWK מדעי החיים | 225288 |