빛을 사용하여 심장 세포와 조직을 제어하면 비접촉 자극이 가능하여 세포의 자연 상태와 기능을 보존할 수 있으므로 기본 연구와 치료 응용 분야 모두에 유용한 접근 방식이 됩니다.
방법 논문
* These authors contributed equally
빛을 사용하여 심장 세포와 조직을 제어하면 비접촉 자극이 가능하여 세포의 자연 상태와 기능을 보존할 수 있으므로 기본 연구와 치료 응용 분야 모두에 유용한 접근 방식이 됩니다.
체외 심장 미세생리학 모델은 과학 연구, 약물 개발 및 의료 응용 분야에서 매우 신뢰할 수 있습니다. 과학계에서 널리 받아들여지고 있지만 이러한 시스템은 비침습적 자극 기술이 없기 때문에 여전히 수명이 제한되어 있습니다. Phototransducer는 효율적인 자극 방법을 제공하여 높은 시간 및 공간 해상도로 무선 접근 방식을 제공하는 동시에 자극 과정의 침입을 최소화합니다. 이 원고에서는 체외 심장 미세생리학적 모델의 활동을 자극하고 감지하기 위한 완전한 광학 방법을 제시합니다. 특히, 3D 생물반응기 현탁액 배양에서 생성된 인간 유도 만능 줄기세포 유래 심근세포(hiPSC-CM)를 파종하여 엔지니어링된 층류 이방성 조직을 제작했습니다. 우리는 자극을 위해 Ziapin2라는 양친매성 아조벤젠 유도체인 광 변환기를 사용했고, 시스템의 반응을 모니터링하기 위해 Ca2+ 염료(X-Rhod 1)를 사용했습니다. 결과는 Ziapin2가 조직 무결성, 생존력 또는 행동을 손상시키지 않고 고용된 시스템에서 Ca2+ 반응을 광조절할 수 있음을 보여줍니다. 또한, 우리는 광 기반 자극 접근법이 현재의 황금 표준인 전기 자극과 유사한 해상도를 제공한다는 것을 보여주었습니다. 전반적으로 이 프로토콜은 심장 연구에서 Ziapin2 및 재료 기반 광자극의 적용에 대한 유망한 관점을 열어줍니다.
살아있는 세포와 조직을 자극하기 위해 빛을 사용하는 것은 생물 의학 연구에서 중요한 게임 체인저로 부상하고 있으며, 정확한 시간 및 공간 해상도 1,2,3,4,5,6으로 비접촉식 자극 기능을 제공합니다. 세포를 빛에 민감하게 만드는 데 사용되는 주요 기술 중 하나는 광유전학으로, 빛에 민감한 이온 채널 또는 펌프를 발현하도록 세포를 유전적으로 변형하는 것과 관련이 있습니다 7,8. 이 접근법은 살아있는 조직 내의 세포를 조절하는 데 인상적인 효과를 보여주었습니다. 그러나 바이러스 유전자 전달에 대한 의존도는 연구 및 임상 응용 분야에서 광범위한 채택을 방해했습니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 유기 및 무기 물질이 비유전적 물질 기반 광 매개 자극 기술을 개발하기 위해 빛에 민감한 변환기로 사용되었습니다 9,10. 유기 나노 구조 광 변환기 11,12,13,14,15는 최근 뉴런, 심근 세포 및 골격근 세포를 포함한 다양한 응용 분야에서 세포 반응을 유발하는 데 놀라운 성공을 거두었습니다.
본 명세서에서는 조작된 층류 심장 조직에서 Ca2+ 전파를 조사하기 위해 아조벤젠 유도체인 Ziapin2 16,17,18을 제안합니다. 분자의 양친매성 구조는 세포 원형질막의 정확한 표적화를 가능하게 하는 반면, 아조벤젠 코어는 광 유도 이성질체화를 가능하게 하여 구조적 변화를 일으킵니다 16,17,18. 심장 세포에서 이러한 trans-to-cis 이성질체화는 원형질막 두께를 변경하여 활동 전위를 생성하는 연쇄 효과를 유도하며, 이는 차례로 여기-수축 과정을 유발합니다 19,20,21.
또한, 우리는 심장 조직22의 이방성 성장을 위한 엔지니어링 플랫폼의 제작 과정을 설명하고 조직 내에서 Ca2+ 역학을 획득하는 데 특히 중점을 두고 그 활동을 광학적으로 트리거하고 모니터링하는 데 사용되는 실험 설정을 자세히 설명합니다23,24. 마지막으로, 획득한 신호를 참조 표준으로 간주되는 전기 자극을 통해 얻은 신호와 비교합니다. 전반적으로, 이 프로토콜은 특히 조작된 조직의 맥락에서 심장 세포 행동에 대한 이해를 발전시키는 데 새로운 광 반응 변환기의 적용을 강조합니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
사용된 인간 만능 줄기세포(hiPSC) 배양은 CAGrtTA::TetO-Cas9를 AAVS1 유전자 자리에 도입하여 생성된 독시사이클린(Dox) 유도 CRISPR/Cas9 시스템을 보유한 야생형 인간 남성 iPSC 계통입니다(Addgene: #73500). 이 연구는 Boston Children's Hospital Institutional Review Board에서 승인한 프로토콜에 따라 수행되었습니다. 환자가 연구에 참여하기 전에 환자로부터 정보에 입각한 동의를 받았습니다. hiPSC 유래 심근세포(hiPSC-CM)의 생성은 앞서 설명한 바와 같이 유도되었다25,26. 프로토콜은 다음 섹션에 간략하게 요약되어 있습니다.
1. 인간 유도 만능 줄기세포 유래 심근세포의 생성 및 제조
2. 설계된 층류 조직 제작
3. phototransducer의 종합 그리고 신청
참고: Ziapin2는 이전에 발표된 절차16,18에 따라 합성되었으며 배양 배지에서 hiPSC-CM에 직접 투여되었습니다.
4. 생존력 분석
참고: Alamar Blue는 세포를 투과하고 세포 생존력을 모니터링하기 위한 산화 환원 지표 역할을 할 수 있는 레사주린 기반 분석법입니다. 레사주린은 생리학적 완충액에 용해되어 배양 중인 세포에 직접 첨가되는 짙은 파란색 용액을 생성합니다. 신진대사가 활발한 생존 세포는 레사주린을 분홍색이고 형광성을 띤 레소푸린으로 환원시킵니다.
5. 공학적 층류 심장 조직 비등방성의 평가
참고: 이 프로토콜은 면역염색, 컨포칼 현미경 및 핵 분석을 사용하여 엔지니어링된 층류 심장 조직의 이방성을 평가하기 위한 체계적인 접근 방식을 설명합니다27.
6. 광학 매핑 기록
참고: 광학 매핑은 젤라틴 성형 조직 칩에 파종된 hiPSC-CM에서 배양한 후 5일 후에 수행되었습니다.
7. 데이터 내보내기 및 처리
8. 통계 분석
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
레이저 패터닝, 젤라틴 성형 및 세포 파종 기술의 조합을 사용하여 엔지니어링된 층류 심장 조직을 제작하기 위해 다단계 공정이 개발되고 구현되었습니다. 원래 McCain et al.22 및 Lee et al.24에 의해 확립된 이 기술은 엔지니어링된 층류 미세조직을 구성하기 위한 프로토콜에 따라 다시 구현되었습니다. 이 공정은 구조 안내를 위한 정밀한 레이저 기반 패터닝, 골격 재료로서의 젤라틴, 제어된 세포 파종을 통합하여 생체 모방 조직 환경을 만듭니다. (그림 1).
종이 기판의 증착에는 1mm 두께의 아크릴 기판에 흰색과 파란색의 두 겹의 실험실 라벨링 테이프를 접착하는 작업이 포함되어 후속 단계를 위한 견고한 기반을 제공하고 제조 공정 중에 정밀한 시각화 및 조작을 가능하게 합니다(그림 1A
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
이 접근 방식은 심장 연구를 발전시키기 위한 강력한 플랫폼을 제공하며, 심장 조직의 복잡한 역학에 대한 통찰력을 제공하여 잠재적으로 새로운 치료 전략으로 이어질 수 있는 장기적인 체외 심장 기계론적 연구에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다. 이 방법론의 성공을 보장하기 위해서는 인간 심장의 생체 내 조건을 밀접하게 모방하는 미시생리학적 환경을 재현하는 것이 중요합니다. 따라서 적절한 전기 전도 및 수축 기능에 필수적인 심장 구조의 자연스러운 이방성을 복제하기 위해 조직을 설계하고 정렬하는 데 세심한 주의를 기울여야 합니다. 중요한 요소에는 칩 패턴의 정밀한 레이저 절단, 표백제 처리 타이밍, 젤라틴 용액 점도 제어가 포함되며, 이 모든 것은 균일한 조직 주형을 만드는 데 필요합니다. 또한 피브로넥틴과 GelTrex(감소된 성장 인자 기저막 매트릭스)로 칩을 정확하게 코팅하는 것은 성공적인 세포 부착 및 후속 조직 형성에 필수적입니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
CB, GL, FL, 특허번호 "PHOTOCHROMIC COMPOUNDS"의 발명자입니다. EP 3802491 (02/07/2020).
저자는 그림 1 과 그림 3의 삽화에 대해 Michael Rosnach와 hiPSC 공급에 대해 William T. Pu 교수에게 감사를 표합니다. 이 작업은 NCATS Tissue Chips Consortium(UH3 TR003279)에서 KKP로, 이탈리아 대학 연구부에서 PRIN 2022 프로젝트(ID 2022-NAZ-0595)를 통해 FL로, PRIN 2020 프로젝트(ID 2020XBFEMS)에서 CB 및 GL로, Fondo Italiano per la Scienza 프로젝트(ID FIS00001244)에서 GL의 지원을 받았습니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| alamarBlue 세포 생존력 시약 | Thermo Fisher Scientific | DAL1025 | 생존력 분석 |
| B-27 보충제, 인슐린 제외 | Thermo Fisher Scientific | A1895601 | 세포 배양 |
| 소 혈청 알부민 | Sigma-Aldrich | A9056-50G | 세포 염색 |
| BrainVision 분석기 소프트웨어 | Brain Products | https://www.brainproducts.com/downloads/analyzer/ | 데이터 내보내기 및 처리 |
| BTS | Sigma | 203895-5MG | |
| CHIR99021 | Stem Cell Technologies | 72054 | |
| 투명 스크래치 및 자외선 저항성 아크릴 시트, 12" x 12" x 0.01 인치 | McMaster Carr | 4076N11 | 조직 칩 제조 |
| 콜라겐분해효소 유형 II | Worthington | CLS-2 / LS004176 | |
| DNase II | VWR | 89346-540 | |
| 필수 8 중간 | Thermo Fisher Scientific | A1517001 | 세포 배양 |
| Fibronectin | VWR | 47743-654 | 돼지 |
| 껍질 젤 코팅 젤 강도 175 유형 A | Sigma-Aldrich | G2625-100G | 조직 칩 제조 |
| Geltrex LDEV-Free, hESC 인증, 감소 성장 인자 기저층 멤브레인 매트릭스 | Thermo Fisher Scientific | A1413302 | 코팅 |
| HBSS | Thermo Fisher | 14175-095 | |
| HEPES (1 M) | Thermo Fisher Scientific | 15630080 | |
| Hoechst 33342 | Life technologies | H1399 | 세포 염색용 |
| 인슐린 용액 인간 | Sigma Aldrich | I9278-5ML | |
| IWR-1-엔도 | 줄기세포 기술 | 72564 | |
| 파라포마데히드 16% 수용액(PFA) | VWR | 100503-917 | 세포 염색용 |
| PBS, 멸균, 500 mL | Thermo Fisher Scientific | 10010049 | 조직 칩 제조 |
| 인산염 완충 식염수 | Thermo Fisher Scientific | 10010049 | |
| Pluronic F-127 (DMSO에 20% 용액) | Thermo Fisher Scientific | P3000MP | 비이온 계면활성제 |
| ROCK 억제제 Y-27632 | Stem Cell Technologies | 72304 | |
| RPMI 1640 배지, GlutaMAX 보충제 | Thermo Fisher Scientific | 61870127 | 세포 배양용 |
| RPMI 1640 매체, 페놀이 없는 빨간색 | Thermo Fisher Scientific | 11835030 광학 매핑 | |
| Versene Solution | Thermo Fisher Scientific | 15040066 | 킬레이트제 |
| VWR 범용 실험실 라벨링 테이프 | VWR | 89098-058 | 조직 칩 제조 |
| X-Rhod-1 AM | Thermo Fisher Scientific | X14210 | 광학 매핑 |
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
이 JoVE 논문의 텍스트 또는 그림 재사용 허가 요청
허가 요청