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Research Article
Qinghui Ou*1, Riham R.E. Abouleisa*1, Xian-Liang Tang1, Hamzah R. Juhardeen1, Moustafa H. Meki2, Jessica M. Miller2, Guruprasad Giridharan2, Ayman El-Baz2, Roberto Bolli1, Tamer M.A. Mohamed1,3,4,5,6
1Institute of Molecular Cardiology, Department of Medicine,University of Louisville, 2Department of Bioengineering,University of Louisville, 3Diabetes and Obesity Center, Department of Medicine,University of Louisville, 4Department of Pharmacology and Toxicology,University of Louisville, 5Institute of Cardiovascular Sciences,University of Manchester, 6Faculty of Pharmacy,Zagazig University
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Questo protocollo descrive come affettare e coltura tessuto cardiaco in condizioni fisiologiche per 6 giorni. Questo sistema di coltura potrebbe essere utilizzato come piattaforma per testare l'efficacia di nuove terapie per l'insufficienza cardiaca, nonché test affidabili della cardiotossicità acuta in un modello di cuore 3D.
Molti nuovi farmaci falliscono negli studi clinici a causa di effetti collaterali cardiotossici, poiché i saggi in vitro attualmente disponibili e i modelli animali in vivo predicono male le passività cardiache umane, il che rappresenta un onere multimiliardario sull'industria farmaceutica. Pertanto, vi è una necessità medica insoddisfatta in tutto il mondo di approcci migliori per identificare la cardiotossicità dei farmaci prima di intraprendere studi costosi e dispendiosi in termini di tempo "first in man". Attualmente, solo le cellule cardiache immature (cardiomiociti derivati da cellule staminali derivate da cellule staminali derivate da cellule staminali umane [hiPSC-CMs]) vengono utilizzate per testare l'efficienza terapeutica e la tossicità dei farmaci in quanto sono le uniche cellule cardiache umane che possono essere coltivate per periodi prolungati necessario per testare l'efficacia e la tossicità del farmaco. Tuttavia, un tipo di singola cellula non può replicare il fenotipo del complesso tessuto cardiaco 3D che è formato da più tipi di cellule. È importante sottolineare che l'effetto dei farmaci deve essere testato sui cardiomiociti adulti, che hanno caratteristiche e risposte di tossicità diverse rispetto ai immaturi hiPSC-CMs. Culturing human heart slices è un modello promettente di miocardio umano intatto. Questa tecnologia fornisce l'accesso a un sistema multicellulare completo che imita il tessuto cardiaco umano e riflette le condizioni fisiologiche o patologiche del miocardio umano. Recentemente, attraverso l'ottimizzazione delle componenti dei mezzi di coltura e le condizioni di coltura per includere la stimolazione elettrica continua a 1,2 Hz e l'ossigenazione intermittente del mezzo di coltura, abbiamo sviluppato un nuovo sistema di coltura che preserva la vitalità e funzionalità di fette di cuore umano e maiale per 6 giorni in coltura. Nel protocollo attuale, stiamo descrivendo in dettaglio il metodo per affettare e coltivare il cuore di maiale come esempio. Lo stesso protocollo viene utilizzato per la coltura di fette da cuori umani, cani, pecore o gatti. Questo sistema di coltura ha il potenziale per diventare un potente modello predittivo in situ umano in situ per test di cardiotossicità acuta che colma il divario tra i risultati dei test preclinici e clinici.
La cardiotossicità indotta da farmaci è una delle principali cause di ritiro del mercato1. Nell'ultimo decennio del XXsecolo, otto farmaci non cardiovascolari sono stati ritirati dal mercato in quanto hanno provocato la morte improvvisa a causa di aritmie ventricolari2. Inoltre, diverse terapie anti-cancro (mentre in molti casi efficace) può portare a diversi effetti cardiotossici tra cui cardiomiopatia e aritmie. Ad esempio, le terapie di cancro al seno sia tradizionali (ad esempio, antracicline e radiazioni) che terapie mirate (ad esempio, trastuzumab) possono provocare complicazioni cardiovascolari in un sottoinsieme di pazienti3. Una stretta collaborazione tra cardiologi e oncologi (attraverso il campo emergente della "cardio-oncologia") ha contribuito a rendere queste complicazioni gestibili assicurando che i pazienti possano essere trattati efficacemente2. Meno evidenti sono gli effetti cardiovascolari degli agenti più recenti, tra cui Her2 e PI3K inibitori, soprattutto quando le terapie vengono utilizzate in combinazione. Pertanto, c'è una crescente necessità di strategie di screening preclinico affidabili per le tossicità cardiovascolari associate alle terapie anti-cancro emergenti prima degli studi clinici sull'uomo. La mancanza di disponibilità di sistemi di coltura per il tessuto cardiaco umano che è funzionalmente e strutturalmente praticabile per più di 24 h è un fattore limitante per test di cardiotossicità affidabili. Pertanto, è urgente sviluppare un sistema affidabile per la coltura del tessuto cardiaco umano in condizioni fisiologiche per testare la tossicità dei farmaci.
Il recente movimento verso l'uso di cardiomiociti derivati da cellule staminali derivate da cellule staminali plurimi indotti dall'uomo (hiPSC-CMs) nei test di cardiotossicità ha fornito una soluzione parziale per affrontare questo problema; tuttavia, la natura immatura degli hiPSC-CM e la perdita di integrità dei tessuti rispetto alla natura multicellulare del tessuto cardiaco sono i principali limiti di questa tecnologia4. Uno studio recente ha parzialmente superato questa limitazione attraverso la fabbricazione di tessuti cardiaci da hiPSC-CMs su idrogel e sottoponendoli ad un graduale aumento della stimolazione elettrica nel tempo5. Tuttavia, le loro proprietà elettromeccaniche non hanno raggiunto la maturità osservata nel miocardio umano adulto. Inoltre, il tessuto cardiaco è strutturalmente più complicato, essendo composto da vari tipi di cellule tra cui cellule endoteliali, neuroni e vari tipi di fibroblasti stromali collegati insieme a una miscela molto specifica di proteine della matrice extracellulare6. Questa eterogeneità della popolazione cellulare non cardiomiocite7,8,9 nel cuore dei mammiferi adulti è un ostacolo importante nella modellazione del tessuto cardiaco utilizzando singoli tipi di cellule. Queste principali limitazioni evidenziano l'importanza di sviluppare metodi per consentire la coltura di tessuto cardiaco intatto per studi ottimali che coinvolgono condizioni fisiologiche e patologiche del cuore5.
Coltivare fette di cuore umano è un modello promettente di miocardio umano intatto. Questa tecnologia fornisce l'accesso a un sistema multicellulare 3D completo che è simile al tessuto cardiaco umano che potrebbe riflettere in modo affidabile le condizioni fisiologiche o patologiche del miocardio umano. Tuttavia, il suo uso è stato fortemente limitato dal breve periodo di redditività nella cultura, che non si estende oltre 24 h utilizzando i protocolli più robusti segnalati fino2018 10,11,12. Questa limitazione era dovuta a molteplici fattori tra cui l'uso dell'interfaccia aria-liquido per la coltura delle fette, e l'uso di un semplice mezzo di coltura che non supporta le elevate esigenze energetiche del tessuto cardiaco. Recentemente abbiamo sviluppato un sistema di coltura sommersi che è in grado di fornire una stimolazione elettrica continua e ottimizzato i componenti dei mezzi di coltura per mantenere le fette di tessuto cardiaco vitali fino a 6 giorni13. Questo sistema di coltura ha il potenziale per diventare un potente modello predittivo in situ umano in situ per i test di cardiotossicità acuta per colmare il divario tra i risultati dei test preclinici e clinici. Nell'articolo attuale, stiamo descrivendo in dettaglio il protocollo per affettare e coltivare le fette di cuore usando un cuore di maiale come esempio. Lo stesso processo viene applicato ai cuori umani, cani, pecore o gatti. Con questo protocollo, speriamo di diffondere la tecnologia ad altri laboratori della comunità scientifica.
Tutte le procedure sugli animali erano conformi agli orientamenti istituzionali dell'Università di Louisville e approvate dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali.
1. Preparazione per il taglio (un giorno prima di affettare)
2. Perfusione cuore di maiale
3. Taglio del tessuto del cuore di maiale
4. Culturing Fette di Cuore
Utilizzando uno stimolatore elettrico di coltura cellulare disponibile in commercio in grado di ospitare otto 6 piastre di pozzo contemporaneamente, abbiamo emulato l'ambiente cardiaco adulto inducendo stimolazione elettrica alla frequenza fisiologica (1,2 Hz), e sottoposto a screening per i componenti medi fondamentali per prolungare la durata delle fette di cuore di maiale funzionali nella coltura13. Poiché i cuori di maiale e umani sono simili per dimensioni e anatomia15, abbiamo sviluppato un sistema di coltura delle fette di cuore biomimetico usando cuori di maiale e successivamente lo abbiamo convalidato in fette di cuore umano. Qui, abbiamo dettagliato il protocollo per le fette di cuore di maiale che è la stessa procedura per affettare e coltivare il cuore umano. La nuova coltura biomimetica descritta qui, ha mantenuto la vitalità delle fette di cuore di maiale per 6 giorni, come valutato dal test MTT (Figura 1A). Abbiamo confermato la fattibilità funzionale di queste fette nell'arco di 6 giorni valutando la loro omeostasi di calcio e la forza contrattile. Nei primi 6 giorni, non ci sono transitori spontanei di calcio nei cardiomiociti, e i cardiomiociti hanno risposto alla stimolazione elettrica esterna e alla stimolazione z-adrenergica simile alle fette di cuore fresche (Figura 1B). Inoltre, la forza contrattile e le risposte all'isoproterenolo sono mantenute in fette di cuore coltivate per un massimo di 6 giorni, simile a quella delle fette di cuore fresco (Figura 1C,D).
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Figura 1: Convalida della fattibilità e della funzionalità della coltura delle fette di cuore di maiale. (A) Quantificazione della vitalità delle fetta cardiace nel tempo utilizzando il saggio MTT in un sistema di coltura stimolato o non stimolato nel mezzo ottimizzato (n : 5 cuori di maiale ciascuno in triplice copia, SEM è rappresentato come barre di errore; test ANOVA bidirezionale è stato condotto per confrontare tra gruppi, .p < 0.05). (B) Traccia rappresentativa del segnale di calcio da una fetta di cuore fresca (giorno 0) e dopo 6 giorni di coltura (giorno 6) con e senza 1 stimolazione isoproterenola M . I transitori sono stati registrati dopo aver caricato le fette cardiache con colorante di calcio Fluo-4 e utilizzando la stimolazione elettrica di 1 Hz/20 V al momento della registrazione. La quantificazione dell'ampiezza del segnale di calcio con e senza stimolazione con isoproterenol mostra un modello simile di transitori di calcio al giorno 0 e il giorno 6 in coltura (n - 4 cuori di maiale, È stato condotto un test ANOVA bidirezionale per il confronto tra gruppi, con stimolazione della linea di base e di base allo stesso tempo, il valore pD0 vs D6 - 0,95 e il valore pD0 Iso vs D6 Iso è 0,93). (C) Impostazione della valutazione della forza contrattuale (pannello sinistro); la fetta cardiaca (HS) è appesa tra un trasduttore di forza (FT) e un posto stabile (P) tra due elettrodi elettrici (EE) per la stimolazione elettrica. Dopo la stimolazione, i contratti di fetta e le contrazioni vengono registrati utilizzando il software designato (pannello destro). (D) Grafico a barre mostra la quantificazione della forza contrattile in presenza o assenza di isoproterenolo (Iso) generato da fette di cuore di maiale fresco (giorno 0) e dopo 6 giorni nella coltura biomimetica (n - 4 cuori di maiale ciascuno in triplice copia, SEM è rappresentato come barre di errore; test ANOVA bidirezionale è stato condotto per confrontare tra i gruppi, p < 0,05 confrontando la linea di base con la stimolazione Iso allo stesso tempo, la forza di contrazione: p-valueD0 vs D6 - 0.96, p-valueD0 Iso vs D6 Iso - 0.81; tempo al 50% di rilassamento: p-value D0 vs D6 - 0,47, valore pD0 Iso vs D6 Iso - 0,43). Questa cifra è stata modificata da Ou etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Condizione | Fischer etal. | Ou etal. |
| Specie | Umano | Maiale e umano |
| Malattia | Cuori in dissesto | Cuori sani normali |
| Conservazione | Tessuto conservato | Tessuto fresco |
| Spessore della sezione | 300 m | 300 m |
| Ossigenazione media | No | Ossigenazione intermittant |
| Cultura Medium | M199/ITS | M199/ITS/FBS/VEGF/FGF |
| Agitazione | Sì | No |
| Tasso di pacing | 0,2 Hz | 1,2 Hz |
| Durata della cultura | 4 mesi con compromesso | 6 giorni senza compromessi |
| Temperatura della coltura | 37 | 37 |
| Carico meccanico | carico auxotonico | nessun caricamento |
| Punti temporali testati senza variazioni nell'espressione genica rispetto alla fetta di cuore fresca | N/D | 2 e 6 giorni |
| Primo punto temporale testato per mostrare un cambiamento nell'espressione genica | Giorno 8 | Giorno 10 |
Tabella 1: Confronto tra le condizioni di taglio e di coltura utilizzate in Fischer et al.16 e Ou et al.13.
TMAM detiene equità in Tenaya Therapeutics. Gli altri autori non segnalano conflitti.
Questo protocollo descrive come affettare e coltura tessuto cardiaco in condizioni fisiologiche per 6 giorni. Questo sistema di coltura potrebbe essere utilizzato come piattaforma per testare l'efficacia di nuove terapie per l'insufficienza cardiaca, nonché test affidabili della cardiotossicità acuta in un modello di cuore 3D.
TMAM è supportato dalla sovvenzione NIH P30GM127607 e dalla sovvenzione 16SDG29950012. RB è supportato da P01HL78825 e UM1HL113530.
| 1.000 mL, 0,22 & micro; m, Filtro sottovuoto/Sistemi di stoccaggio | VWR | 28199-812 | |
| 2,3-Butandione monoxime (BDM) | Fisher | AC150375000 | |
| 500 mL, 0,22 &; m, Filtro sottovuoto/Sistemi di stoccaggio | VWR | 28199-788 | |
| Coperchio per piastra a C a 6 pozzetti (coperchio per piastre di stimolazione elettrica) | Ion Optix | CLD6WFC | |
| Piastre a 6 pozzetti | Fisher | 08-772-1B | |
| Agarose | Bioline USA | BIO-41025 | |
| Antibiotico-Antimicotico | Thermo | 15-240-062 | |
| C-Pace EM ( | Ion Optix | CEP100 | |
| Cloruro di calcio (CaCl2) | Fisher | C79-500 | |
| Lame in ceramica per microtomo vibrante | Campden Instruments | 7550-1-C | |
| Divaricatore toracico Cooley | Millennium Surgical | 63-G5623 | |
| D-glucosio | Fisher | D16-1 | |
| Bisturi monouso #20 | Biologyproducts.com | DS20X | |
| Filtri per cellule di falco, sterili, Corning | VWR | 21008-952 | |
| Siero fetale bovino | Thermo | A3160502 | |
| Graefe Pinze | Fisher | NC9475675 | |
| Eparina sale sodico | Sigma-Aldrich | H3149-50KU | |
| HEPES | Fisher | BP310-1 | |
| Histoacryl BLUE Colla per tessuti | Amazon | https://www.amazon.com/HISTOACRYL-FLEXIBLE-1051260P-Aesculap-Adhesive/dp/B074WB5185/ | |
| Iris Forbici a molla | Fisher | NC9019530 | |
| Iris Straight Scissors | Fisher | 731210 | |
| Isoflurano, USP | Piramal | NDC 66794-017-25 | |
| ITS Integratore di terreni liquidi | Sigma-Aldrich | I3146-5ML | |
| Ketamina HCl (500 mg/10 mL) | West-Ward | NDC 0143-9508 | |
| Cloruro di magnesio (MgCl2) | Fisher | M33-500 | |
| Mayo SuperCut Forbici | chirurgicheAROSurgical Instruments Corporation | AROSuperCut™ 07.164.17 | |
| Medium 199, Earle's Salts | Thermo | 11-150-059 | |
| Regolatore di ossigeno | Praxair | ||
| Serbatoi di ossigeno - | Praxair | ||
| Pipette Pasteur in plastica | Fisher | 13-711-48 | |
| Cloruro di potassio (KCl) | Fisher | AC193780010 | |
| Cinghia dentata per stampante | Amazon | https://www.amazon.com/Uxcell-a14081200ux0042-PRINTER-Precision-Timing/dp/B00R1J3KDC/ | |
| Lame rettangolari per rasoio | Fisher | 12-640 | |
| FGF umano ricombinante di base | Re D Systems | 233-FB-025/CF | |
| VEGF umano ricombinante | R& D Systems | 293-VE-010/CF | |
| Bisturi retrattili | Fisher | 22-079-716 | |
| Bicarbonato di sodio (NaHCO3) | Fisher | AC217125000 | |
| Cloruro di sodio (NaCl) | Fisher | AC327300010 | |
| Microtomo vibrante | Campden Instruments | 7000 SMZ-2 | |
| Xilazina HCl (100 mg/mL) | Forniture veterinarie Heartland | NADA 139-236 |