פרוטוקול זה מתאר שיטה שלב אחר שלב ליצירת אורגנואידים לבביים אנושיים פונקציונליים מתאי גזע עובריים אנושיים (hESCs). הוא כולל הפשרת תאים, התמיינות ושלבי התבגרות, המספקים פלטפורמה חזקה להתפתחות לב ומודלים של מחלות.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
פרוטוקול זה מתאר שיטה שלב אחר שלב ליצירת אורגנואידים לבביים אנושיים פונקציונליים מתאי גזע עובריים אנושיים (hESCs). הוא כולל הפשרת תאים, התמיינות ושלבי התבגרות, המספקים פלטפורמה חזקה להתפתחות לב ומודלים של מחלות.
אורגנואידים לבביים שמקורם בתאי גזע עובריים אנושיים (hESC) הם מבנים תלת מימדיים (תלת מימדיים) רב-תאיים המסכמים היבטים מרכזיים של התפתחות ותפקוד לב אנושי מוקדם. אורגנואידים אלה המארגנים את עצמם מציגים התכווצות ספונטנית, ביטוי סמני קרדיומיוציטים וארכיטקטורה דמוית רקמה המזכירה שריר לב מקומי. כאן, אנו מציגים פרוטוקול חזק וניתן לשחזור ליצירת אורגנואידים לבביים מקו H9 hESC באמצעות בידול שושלת מדורג. השראת מזודרם מתחילה על ידי טיפול בספרואידים במשך 36-40 שעות עם אקטיבין A (50 ננוגרם/מ"ל), חלבון מורפוגנטי של העצם 4 (BMP4, 10 ננוגרם/מ"ל), גורם גדילה פיברובלסטים 2 (FGF2, 30 ננוגרם/מ"ל), לדוביגלוסיב (CHIR99021, 3 מיקרומטר), ומעכב פוספטידילינוזיטול 3-קינאז (PI3K) (LY294002, 5 מיקרומטר). מפרט שושלת הלב מכוון לאחר מכן על ידי חשיפה יומית למשך ארבעה ימים ל-BMP4 (10 ננוגרם/מ"ל), FGF2 (10 ננוגרם/מ"ל), מעכב מסלול Wnt (XAV-939, 5 מיקרומטר) וחומצה רטינואית (0.5 מיקרומטר). התמיינות והבשלה של קרדיומיוציטים מקודמים עוד יותר מהיום ה-5.5 ואילך באמצעות BMP4 (10 ננוגרם/מ"ל), FGF2 (10 ננוגרם/מ"ל) ואינסולין (10 מיקרוגרם/מ"ל). אימות תפקודי מושג באמצעות הדמיית זמן-lapse וניתוח אימונופלואורסצנטי, המאשר את יצירת הקרדיומיוציטים המתכווצים המסומנים על ידי ביטוי טרופונין T (cTnT) לבבי. בנוסף, צביעה חיסונית תלת מימדית חושפת נוכחות של α-SMA ו-CDH5, מה שמעיד על הופעת שריר חלק ואוכלוסיות תאים דמויי אנדותל. אורגנואידים לבביים אלה מדגימים באופן עקבי התכווצויות קצביות; עם זאת, לא בוצע אימות אלקטרופיזיולוגי ישיר של צימוד אלקטרומכני. מגבלות ידועות כוללות חוסר יכולת להעביר אורגנואידים ונמק מרכזי פוטנציאלי במהלך תרביות ממושכות. לסיכום, מודל זה מספק פלטפורמה ניתנת להרחבה ורלוונטית מבחינה פיזיולוגית לחקר קרדיוגנזה אנושית, תגובות לתרופות ומחלות לב מולדות.
מחלות לב וכלי דם נותרו הגורם המוביל לתחלואה ותמותה ברחבי העולם, מה שמדגיש את הצורך הדחוף במודלים אמינים במבחנה המסכמים את התפתחות ותפקוד הלב האנושי 1,2. תרביות חד-שכבתיות דו-ממדיות מסורתיות (2D) של קרדיומיוציטים, למרות שהן בעלות ערך, אינן מצליחות לשחזר את המורכבות המרחבית, האינטראקציות הרב-תאיות והאינטגרציה האלקטרומכנית של הלב האנושי המקומי 3,4. אורגנואידים לבביים תלת מימדיים שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטיים התגלו כפלטפורמות עוצמתיות המתייחסות למגבלות אלה, ומספקות מבנים רב-תאיים בארגון עצמי המחקים מורפוגנזה לבבית מוקדמת והתבגרות תפקודית במבחנה5.
ל-hESCs, כגון קו H9, יש את היכולת הפנימית להתמיין לכל סוגי התאים הסומטיים, כולל קרדיומיוציטים, תאי אנדותל ופיברובלסטים לבביים6. בתנאי תרבית מבוקרים, ניתן להנחות hESCs דרך השלבים הרציפים של השראת מזודרם, מפרט מזודרם לבבי והתמיינות קרדיומיוציטים 5,7. ניתן לווסת תהליך מדורג זה באמצעות מולקולות איתות ומעכבים ספציפיים, כולל מעכבי Activin A, BMP4, FGF2, PI3K, CHIR99021, מעכבי Wnt וחומצה רטינואית 5,8. על ידי חיקוי מקרוב של סביבת האיתות in vivo של התפתחות הלב העוברית, רמזים אלה מקדמים קרדיוגנזה יעילה וניתנת לשחזור במבחנה 5,7.
בניגוד למערכות אורגנואידים רבות הדורשות הטמעה ברכיבי מטריצה חוץ-תאית (ECM) כגון Matrigel, אורגנואידים לבביים יכולים להרכיב את עצמם בתנאי הידבקות נמוכה ללא תמיכה במטריקס 5,9. צבירה של hESCs מבדלים בתרחיף מניבה מבנים תלת מימדיים כדוריים המציגים פעימות ספונטניות בשבוע הראשון של התמיינות10. אורגנואידים אלה מכילים אוכלוסיות תאי לב רלוונטיות מבחינה תפקודית ומפגינים מאפיינים אופייניים, כגון ארגון סרקומרי, מעברי סידן והתכווצויות קצביות11,12, המציעים מודל רלוונטי מבחינה פיזיולוגית של רקמת לב אנושית מוקדמת.
היכולת לייצר אורגנואידים לבביים שמקורם ב-hESC מציעה הזדמנויות מרגשות לביולוגיה התפתחותית, מודלים של מחלות, סינון תרופות ובדיקת רעילות לב13,14. יתר על כן, אינטגרציה עם טכנולוגיות עריכת גנום ותאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים ספציפיים לחולה (iPSCs) מאפשרת מידול מחלות מותאם אישית וחקירה טיפולית להפרעות לב תורשתיות.
במאמר זה, אנו מציגים פרוטוקול מפורט, שלב אחר שלב, ליצירת אורגנואידים לבביים מתאי גזע עובריים אנושיים, תוך הדגשת שלבי מפתח של התמיינות, תנאי תרבית וטכניקות אימות. פלטפורמה זו מספקת מערכת חזקה וניתנת להרחבה לסיכום התפתחות הלב האנושי והקמת בסיס למחקר תרגומי עתידי.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כל ההליכים הכוללים תאי גזע עובריים אנושיים (H9) נערכו בהתאם להנחיות המוסדיות ואושרו על ידי ועדת האתיקה הביו-רפואית של האוניברסיטה הרפואית סאות'ווסט, אישור 20241023-031. כל עבודות תרבית הרקמה המפורטות להלן צריכות להיעשות במכסה זרימה למינרי Class II. ודא תמיד שהמדיה והריאגנטים נמצאים בטמפרטורת החדר, מאוזנים באופן טבעי לפני השימוש. אל תשתמש באמבט מים לחימום מדיה.
1. הפשרה ותרבות שגרתית של HESCs (H9)
2. התמיינות של HESCs (H9) לשושלת לב
3. הכנה לשימור בהקפאה
4. התאוששות והפשרה של אורגנואידים לבביים
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
ההתמיינות המוצלחת של H9 hESCs לאורגנואידים לבביים מתחילה בתחייה ותחזוקה חזקה של תאי גזע פלוריפוטנטיים. עם ההפשרה, hESCs מפגינים כדאיות גבוהה והיצמדות כאשר הם מצופים על לוחות מצופים ויטרונקטין במדיום E8 בתוספת מעכב ROCK. תוך 24-48 שעות, ניתן לצפות במושבות קומפקטיות עם קצוות מוגדרים ויחסי גרעין לציטופלזמה גבוהים, מה שמעיד על התאוששות של מורפולוגיה לא מובחנת טיפוסית (איור 1A). לאחר ההפשרה, hESCs נכנסים במהירות לשלב התפשטות, ומדגימים התרחבות מושבה חזקה וביסוס מחדש של מאפיינים פלוריפוטנטיים (
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הייצור המוצלח של אורגנואידים לבביים מ-H9 hESCs מסתמך על ויסות זמני ומרחבי מדויק של מסלולי איתות מרכזיים כדי לחקות התפתחות לב מוקדמת. פרוטוקול זה מסכם את השלבים הקריטיים של השראת מזודרם, מפרט שושלת הלב וארגון עצמי למבנים מתכווצים תלת מימדיים במערכת מוגדרת כימית. השיטה מספקת פלטפורמה חזקה וניתנת לשחזור למידול התפתחות לב אנושית, מחלות לב מולדות ובדיקת רעילות לב.
אחד השלבים הקריטיים ביותר בפרוטוקול זה הוא הבטחת הבריאות והאיכות של H9 hESCs לפני התמיינות 5. יש לתרבי...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין ניגודי אינטרסים להצהיר עליהם.
אנו מודים לג'ונפנג ג'י (בית הספר למדעי הרפואה הבסיסיים, אוניברסיטת ג'ה-ג'יאנג, סין) וטאו לואו (בית הספר למדעי הרפואה הבסיסיים, אוניברסיטת ג'ה-ג'יאנג, סין) על מתן hESCs (H9). עבודה זו נתמכה על ידי מענקים מהקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (מענק מס' U23A20398 ל-CZ), תוכנית המדע והטכנולוגיה של סצ'ואן (מענק מס' 2022YFS0578 ו-2022YFS0614 ל-CZ), קרן סטארט-אפ מחקר של האוניברסיטה הרפואית סאות'ווסט (מענק מס' 00040155 ל-CZ), קרן סטארט-אפ מחקר של האוניברסיטה הרפואית סאות'ווסט (מענק מס' 00170071 ל-B.W.), תוכניות שיתוף הפעולה האסטרטגי למדע וטכנולוגיה של הממשל העממי העירוני של לוז'ו והאוניברסיטה הרפואית של דרום-מערב (מענק מס' 2024LZXNYDJ088 ל-BW), פרויקט שיתוף הפעולה האסטרטגי למדע וטכנולוגיה של האוניברסיטה הרפואית סאות'ווסט (מענק מס' 2024PZXNYD01 ל-BW), וקרן האוניברסיטה הרפואית של סאות'ווסט (מענק מס' 2024ZKZ014 ל-BW).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 0.02% EDTA | ביוטיים | ג0198 | |
| 6 באר צלחת | קורנינג | 3516 | |
| 7.5% אלבומין בסרום בקר | ACMEC | AC11954 | |
| צלחת חיבור נמוכה במיוחד 96 באר | קורנינג | 7007 | |
| Alexa Fluor 488 חמור נגד עכבר IgG | יאסן | ברקוד 34106ES60 | |
| Alexa Fluor 555 עיזים נגד ארנב | Invitrogen | א-21428 | |
| CHIR-99021 מונוהידרוכלוריד | יאסן | ברקוד 52965ES10 | |
| DMSO | סולארביו | D8370 | |
| תמיסת מלח חוצצת פוספט של Dulbecco (D-PBS) | יאסן | ברקוד 60152ES76 | |
| FBS | ג'יבקו | ברקוד 10099141ג | |
| חלבון FGF2, אנושי, רקומביננטי | טרגטמול | TMPY-00749-50 & ז | |
| תערובת התזונה F-12 של האם | טכנולוגיות חיים | 11765054 | |
| hPSC-CDM (חיוני 8 בינוני) | קוליסל | 400105 | |
| חלבון רקומביננטי BMP-4 אנושי | ג'יבקו | PHC9534 | |
| IMDM, תוסף GlutaMAX | טכנולוגיות חיים | 31980030 | |
| אינסולין-טרנספרין-סלניום (ITS -G) | ג'יבקו | 41400045 | |
| LY294002 | סלק | S1105-50 מ"ג | |
| מונותיוגליצרול | סיגמא-אולדריץ' | M6145 | |
| עכבר אנטי-&אלפא;SMA | אבמארט | MN50104 | |
| תושבת ProLong Diamond Antifade עם DAPI | Invitrogen | עמ' 36966 | |
| ארנב אנטי-CDH5 | אבמארט | ת"א 6265 | |
| ארנב נגד cTNT | Invitrogen | 701620 | |
| חלבון BMP-4 אנושי רקומביננטי | יאסן | ברקוד 92053ES20 | |
| אינסולין אנושי רקומביננטי | יאסן | ברקוד 40112ES25 | |
| רקומביננטי אדם/עכבר/חולדה אקטין A חלבון | יאסן | ברקוד 91702ES10 | |
| ReLeSR | תא גזע | 100-0483 | |
| חומצה רטינואית | סיגמא-אולדריץ' | ₪525 | |
| ויטרונקטין | ג'יבקו | A14700 | |
| XAV-939 | סלק | S1180 | |
| Y-27632 2HCl (מעכב ROCK) | סלק | S1049 |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.