心筋梗塞のマウスモデルにおける3次元バイオプリントパッチの移植
September 26th, 2020
このプロトコルは、心不全をモデル化する梗塞マウスの心外膜に3Dバイオプリントパッチを移植することを目的としている。麻酔、手術胸部開口部、左前下降(LAD)冠動脈の永久結紮、心臓の梗塞領域へのバイオプリントパッチの適用に関する詳細が含まれています。
10分ごとに、オーストラリアの誰かが心臓発作を起こします。これは、損傷した心筋でそれらを残すことができます, それは心不全につながることができます.私たちは、幹細胞を血液や皮膚から鼓動する心臓細胞に変換できることを発見しました。
そして、これらの再プログラムされた細胞を、バイオインクを使って3Dバイオプリンターを通して、人々自身の細胞と一致する細胞で心臓パッチを作ることができると信じています。深く麻酔をしたマウスは、ケタミンキシラジンを用いて、20ゲージカテーテルを用いて挿管される。トラッカーの挿管後、マウスは慎重に加熱パッドに配置され、その後、自動的にマウスの重量に基づいてターゲットのボリュームを設定する人工呼吸器に接続されます。
2%のフッ化物を使用した軽い麻酔下では、マウスはヨウ素とエタノールできれいにします。左横胸部の胸膜の検査は、心臓を露出させるために行われる。リトラクターは、第 3 肋骨と第 4 肋骨の間に配置されます。
心膜は慎重に切断されます。顕微鏡下で識別されたLAD。LADライゲーションステップでは、縫合糸がLADを切断するのを避けるのが重要です。
したがって、図のように3.06シルク縫合糸の補強片が心臓に配置され、同じ方向に走り、LADの上に走る。7.06シルク縫合糸を使用して、LADは単離され、永久に結び付けられています。これは心臓発作を受けている心臓のブランチを可能にする。
これは、改造につながり、左心室は時間をかけて失敗します。3Dバイオプリント心臓パッチは、3Dバイオプリンタを使用してラボで生成されます。これにより、層によって層、心臓細胞の沈着、細胞およびヒドロゲルの組み合わせを用いる。
このビデオとこの画像で浮いているものを見ることができます。ここでは、6つのウェルプレートのウェルで、蛍光光顕微鏡で画像化した場合のパッチの外観の画像です。このパッチは細胞核のHoechst染色で染色されており、この青い染色は自己蛍光ハイドロゲルも強調しています。
これは、ビデオに示したものと同様に、移植に適した無傷のアルゲネートゼラチンパッチです。私たちの方法では、ほとんどのパッチは、崩壊した別のパッチのこの画像に示すように、文化で14〜28日の間に崩壊し始めました。パッチを移植するのに最適な時間は、バイオプリンティング後の7日目から14日目の間であることがわかりました。
これは、心臓細胞を含むパッチが拍動し始め、組織成熟の程度を示したが、パッチが崩壊し始める前であった。パッチは外科室に持ち込まれ、ゆっくりと慎重にマウスの一部の心臓の上に置かれる。また、インフェリンのエリアにも慎重に移動します。
リトラクターはゆっくりと取り外されます。最後に、3番目と4番目の肋骨は6.0プロレン縫合を使用して一緒に閉じられます。筋肉と一緒に、肋骨は閉じられ、続いて皮膚の閉鎖が続く。
胸部の閉鎖後、マウスはアンティセダンとフロセミドを注射する。ゆっくりと、マウスは独立した呼吸活動を取り戻し、つま先ピンチに応答します。マウスは注意深く監視され、麻酔薬から目を覚ますと、それ自身のケージに置かれます。
この画像は、バイオプリントパッチがマウスの心臓の上に座る採用領域を示しています。結論として、我々は、3Dバイオプリントアルゲラチンパッチが心筋梗塞のマウスモデルにおいて、我々の方法によって外陰に移植できることを示した。バイオプリンティング段階では、ゼラチンヒドロゲルのアルゲネートは、細胞に損傷を与えることなく押し出しを可能にするが、3Dバイオプリンティング後および移植中に生体力学的強度を有する、そのレオロジー特性のために優れた印刷能力を有する。
我々の方法は広く実現可能であり、また3Dバイオプリントパッチの複数のグループをテストするのに適している可能性が高い。例えば、異なる細胞の内容を持つ。
概要
この研究は、心不全をモデル化した梗塞マウスの心外膜に3Dバイオプリントされたパッチを移植するためのプロトコルを提示します。この方法には、詳細な手術ステップと心臓細胞から作られたバイオプリントされたパッチの使用が含まれます。
主要な研究要素
科学の分野
- 心臓組織工学
- 3Dバイオプリンティング
- 心筋梗塞モデル
背景
- 心臓発作は心筋の損傷と心不全につながる可能性があります。
- 幹細胞は鼓動する心臓細胞に再プログラムできます。
- 3Dバイオプリンティングにより、バイオインクを使用して心臓パッチを作成できます。
- パッチ移植の最適なタイミングは成功に不可欠です。
研究の目的
- バイオプリントされた心臓パッチを移植する方法を開発すること。
- パッチ作成に患者マッチ細胞を使用する実現可能性を評価すること。
- 心筋梗塞のマウスモデルでパッチの有効性を評価すること。
使用された方法
- マウスの麻酔にケタミンキシラジンを使用。
- 心臓を露出させるための左側胸腔開放術。
- 左前下行冠動脈の永久結紮。
- 心臓への3Dバイオプリントパッチの移植。
主な結果
- 3Dバイオプリントされたパッチは良好な印刷性と生体力学的強度を示しました。
- パッチは培養中に14日から28日間で崩壊し始めました。
- 最適な移植はバイオプリント後7日から14日間で行われました。
- この方法は様々なバイオプリントパッチ組成のテストに適しています。
結論
- 3Dバイオプリントされたアルギン酸ゲルチンパッチは成功裏に移植できます。
- この技術は心臓研究に広く適用される可能性が高いです。
- 将来の研究では、改善された結果のために異なる細胞内容を探ることができます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This protocol addresses a critical bottleneck in cardiac regeneration research: the reliable in vivo testing of 3D bioprinted therapeutic patches in murine myocardial infarction models. By reducing procedural variability and mortality associated with surgical transplantation, it enables more statistically robust preclinical evaluation of engineered tissues. This advancement supports de-risking of early-stage biologics and biomaterials by improving reproducibility in functional validation studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables functional assessment of bioprinted patches in a disease-relevant ischemic microenvironment to validate mechanistic hypotheses of tissue engraftment and paracrine signaling.
- Operational Value: Standardizes surgical delivery of complex biologics, reducing inter-animal variability in engraftment efficiency.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides a reproducible platform for comparing patch formulations (e.g., cell types, hydrogel ratios) based on structural retention and integration metrics.
- Operational Value: Supports medium-throughput screening of biomaterial candidates by enabling consistent surgical delivery across study cohorts.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates longitudinal evaluation of patch-mediated ventricular remodeling and functional recovery in a clinically relevant model of ischemic injury.
- Operational Value: Enables powered studies with reduced attrition, improving feasibility of dose-response and timing optimization experiments.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum by enabling standardized delivery of engineered tissues following target validation and prior to efficacy screening in disease models.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing regarding cell survival, engraftment, and bioactive factor secretion in infarcted myocardium.
- Screening: Enables quantitative comparison of patch designs through standardized surgical implantation and post-transplant monitoring.
- Analytics: Generates histopathological and functional readouts (e.g., infarct size, wall thickness) to rank patch performance.
- Translational Research: Bridges in vitro maturation metrics with in vivo functional outcomes to inform go/no-go decisions.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable surgical platform for evaluating diverse cardiac regenerative candidates across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in preclinical models by reducing surgical confounding variables.
- Operational Value: Enhances reproducibility and scalability of complex tissue transplantation procedures.
- Strategic Value: Reduces biological noise in efficacy assessments, supporting clearer go/no-go decisions in early development.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of cardiac regeneration candidates based on more reliable preclinical data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in murine cardiac surgery, anesthesia, and postoperative care.
- Depends on access to micro-suturing tools, ventilators, and stereomicroscopes for precise LAD ligation.
- Necessitates standardization of patch handling and positioning protocols across operators.
- Must account for variability in patch maturation timing based on cell source and hydrogel composition.
- Limited to acute and subacute injury models; not suited for chronic ischemia studies without model adaptation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
0:42
Surgical Procedure
1:18
Preparing the Surgical Field
1:31
Left Lateral Thoracotomy
2:00
Left Anterior Descending (LAD) Permanent Coronary Artery Ligation
2:58
3D Bioprinting and Culturing Patches (7-14 days before transplantation)
4:19
Transplantation of the Bioprinted Patch onto the Epicardium
5:39
Mouse Recovery
6:29
Representative Results
6:45
Conclusion
