Hier ontwikkelden we een menselijk aorta gladde spiercel orgaan-op-een-chip model om de in vivo biomechanische stam van gladde spiercellen in de menselijke aortawand te repliceren.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Hier ontwikkelden we een menselijk aorta gladde spiercel orgaan-op-een-chip model om de in vivo biomechanische stam van gladde spiercellen in de menselijke aortawand te repliceren.
Conventionele tweedimensionale celkweektechnieken en diermodellen zijn gebruikt bij de studie van humaan thoracale aorta-aneurysma en dissectie (TAAD). Menselijke TAAD kan echter soms niet worden gekarakteriseerd door diermodellen. Er is een duidelijke soortkloof tussen klinische menselijke studies en dierproeven die de ontdekking van therapeutische geneesmiddelen kunnen belemmeren. Het conventionele celkweekmodel is daarentegen niet in staat om in vivo biomechanische stimuli te simuleren. Hiertoe hebben microfabricage en microfluïdische technieken zich de afgelopen jaren sterk ontwikkeld en nieuwe technieken opgeleverd voor het opzetten van organoïden-op-een-chip-modellen die de biomechanische micro-omgeving repliceren. In deze studie werd een humaan aorta glad spiercelorgaan-op-een-chip (HASMC-OOC) model ontwikkeld om de pathofysiologische parameters van de aortabiomechanica te simuleren, inclusief de amplitude en frequentie van cyclische spanning ervaren door menselijke aorta gladde spiercellen (HASMC's) die een vitale rol spelen in TAAD. In dit model werd de morfologie van HASMC's langwerpig van vorm, loodrecht op de stamrichting uitgelijnd en presenteerde een meer contractiel fenotype onder spanningsomstandigheden dan onder statische conventionele omstandigheden. Dit kwam overeen met de celoriëntatie en het fenotype in inheemse menselijke aortawanden. Bovendien hebben we, met behulp van bicuspid aortaklep-gerelateerde TAAD (BAV-TAAD) en tricuspidalis aortaklep-gerelateerde TAAD (TAV-TAAD) patiënt-afgeleide primaire HASMC's, BAV-TAAD en TAV-TAAD ziektemodellen opgesteld, die HASMC-kenmerken in TAAD repliceren. Het HASMC-OOC-model biedt een nieuw in vitro platform dat complementair is aan diermodellen voor het verder onderzoeken van de pathogenese van TAAD en het ontdekken van therapeutische doelen.
Thoracale aorta-aneurysma en dissectie (TAAD) is een gelokaliseerde dilatatie of delaminatie van de aortawand die geassocieerd is met hoge morbiditeit en mortaliteit1. Menselijke aorta gladde spiercellen (HASMC's) spelen een vitale rol in de pathogenese van TAAD. HASMC's zijn geen terminaal gedifferentieerde cellen en HASMC's behouden een hoge plasticiteit, waardoor ze van fenotype kunnen wisselen als reactie op verschillende stimuli2. HASMC's worden voornamelijk onderworpen aan ritmische trekspanning in vivo, en dit is een van de belangrijkste factoren die de morfologische veranderingen, differentiatie en fysiologische functies van gladde spieren reguleren 3,4. Daarom kan de rol van cyclische spanning in de studie van HASMC's niet worden genegeerd. Conventionele 2D-celculturen kunnen echter niet de biomechanische stimulatie van cyclische stam repliceren die hasmc's in vivo ervaren. Bovendien is de constructie van een dierlijk TAAD-model niet geschikt voor sommige soorten TAAD, zoals bicuspide aortaklep (BAV)-gerelateerde TAAD. Bovendien kan de soortenkloof tussen klinische menselijke studies en dierproeven niet worden genegeerd. Het belemmert farmaceutische vertaling in de klinische praktijk. Er is dus dringend behoefte aan complexere en fysiologische systemen om de in vivo biomechanische omgeving te simuleren in het onderzoek naar aortaziekten.
Dierproeven die worden gebruikt in biomedisch onderzoek en medicijnontwikkeling zijn kostbaar, tijdrovend en ethisch twijfelachtig. Bovendien voorspellen de resultaten van dierstudies vaak niet de resultaten die zijn verkregen in klinische onderzoeken bij mensen 5,6. Het gebrek aan menselijke preklinische modellen en het hoge faalpercentage in klinische onderzoeken hebben geresulteerd in weinig effectieve geneesmiddelen voor de kliniek, waardoor de kosten van de gezondheidszorg zijngestegen 7. Het is dus dringend noodzakelijk om andere experimentele modellen te vinden als aanvulling op diermodellen. Microfabricage en microfluïdische technieken hebben zich de afgelopen jaren sterk ontwikkeld en bieden nieuwe technieken voor het opzetten van organoïden-op-een-chip-modellen die de nadelen van traditionele 2D-celkweektechnieken verhelpen en een realistischer, goedkoper en efficiënter in vitro model opstellen voor fysiologische studies en medicijnontwikkeling. Met behulp van microfluïdische apparaten worden organen-op-chips opgericht om levende cellen te kweken in kamers van micrometerformaat met verschillende stimuli om de belangrijkste functies van een weefsel of orgaan te repliceren. Het systeem bestaat uit enkele of meerdere microfluïdische microkanalen, met ofwel één soort cel gekweekt in een doordrenkte kamer die functies van één weefseltype repliceert of verschillende celtypen gekweekt op poreuze membranen om interfaces tussen verschillende weefsels te recreëren. Microfluïdische organoïden in combinatie met van de patiënt afgeleide cellen hebben het unieke voordeel dat ze het grote soortverschil tussen muis- en menselijke ziektemodellen overbruggen en de nadelen van traditionele 2D-celcultuur voor onderzoek naar ziektemechanismen en medicijnontdekking overwinnen. Met de snelle ontwikkeling van microfluïdica in de afgelopen jaren, hebben onderzoekers het nut gerealiseerd van in vitro organ-on-a-chip (OOC) modellen die complexe in vivo biologische parameters repliceren8. Deze microfluïdische organoïden simuleren in vitro biomechanische omgevingen, zoals cyclische spanning, schuifspanning en vloeistofdruk, en bieden een driedimensionale (3D) celkweekomgeving. Tot op heden zijn verschillende OOC-modellen opgesteld om biomechanische stimuli in organen zoals long9, nier10, lever 11, darm12 en hart13 te simuleren, maar deze zijn niet op grote schaal toegepast op de studie van menselijke aortaziekte.
In deze studie presenteren we een menselijk aorta gladde spiercel orgaan-op-een-chip (HASMC-OOC) model dat de biomimetische mechanische krachten en ritmes kan regelen die worden toegepast op TAAD-patiënt-afgeleide primaire HASMC's. De chip bestaat uit drielaagse dikke platen polydimethylsiloxaan (PDMS) geëtst met kanalen en twee gecommercialiseerde zeer flexibele PDMS-membranen. HASMC's worden gekweekt op de PDMS-membranen. Het kanaal in het midden van de chip is gevuld met een kweekmedium voor celkweek. De bovenste en onderste kanalen van de chip zijn verbonden met een vacuümdruktoevoersysteem dat het ritme en de frequentie van de mechanische trekspanning van de PDMS-membranen kan regelen. Ritmische spanning ervaren door HASMC's kan worden gesimuleerd in HASMC-OOC, waarbij de biomechanische micro-omgeving van weefsel of orgaan wordt gerepliceerd die niet functioneel haalbaar is met conventionele 2D-kweeksystemen. Met het voordeel van hoge resolutie, real-time beeldvorming en biomechanische micro-omgeving, kunnen de biochemische, genetische en metabole activiteiten van levende cellen worden bestudeerd voor weefselontwikkeling, orgaanfysiologie, ziekte-etiologie, moleculaire mechanismen en biomarkeridentificatie, hart- en vaatziekten en aortaziekte. In combinatie met weefselspecifieke en patiëntcellen kan dit systeem worden gebruikt voor geneesmiddelenscreening, gepersonaliseerde geneeskunde en toxiciteitstests. Dit HASMC-OOC-model biedt een nieuw in vitro platform voor het bestuderen van de pathogenese van de aortaziekte.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Menselijke aortamonsters werden gebruikt voor primaire HASMC-isolatie onder de goedkeuring van Zhongshan Hospital, Fudan University Ethics Committee (NO. B2020-158). Aortamonsters werden verzameld van patiënten die een opgaande aorta-operatie ondergingen in het Zhongshan Hospital, Fudan University. Schriftelijke geïnformeerde toestemming werd verkregen van alle patiënten vóór deelname.
1. Primaire menselijke aorta gladde spiercel isolatie
2. Voorbereiding van PDMS-chip
3. PDMS-chipoppervlakbehandeling en sterilisatie
4. Cell seeding op de PDMS-chip en het celrekproces
5. Voorbereiding van het mechanische besturingssysteem
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het HASMC-OOC-model bestaat uit een vacuümbesturingssysteem, een circulatiesysteem en PDMS-chips en het schematische ontwerp van het HASMC-OOC-model (figuur 1). Het vacuümbesturingssysteem bestaat uit een vacuümpomp, magneetventielen en een PLC-besturing. Om als circulatiesysteem te fungeren, werd een peristaltische pomp gebruikt om het celkweekmedium te vernieuwen en medicijnen toe te voegen. De PDMS-chip bestond uit twee vacuümkamers en een middelste kamer gevuld met SMCM voor celgroei. Vo...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Met de snelle ontwikkeling van microfluïdische technologie zijn de afgelopen jaren OOC-modellen ontstaan die de biologische functie en structuur van een of meer organen in vitro kunnen repliceren voor toepassingen in de biologie, geneeskunde en farmacologie15. OOC kan sleutelfuncties van de menselijke fysiologische micro-omgeving simuleren, essentieel voor het verkennen van ziektemechanismen en het bevorderen van preklinische geneesmiddelvertaling 8,16
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben niets te onthullen.
De auteurs erkennen dat dit werk werd ondersteund door subsidies van de Science and Technology Commission van de gemeente Shanghai (20ZR1411700), de National Natural Science Foundation of China (81771971) en het Shanghai Sailing Program (22YF1406600).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 4% paraformaldehyde | Beyotime | P0099-100ml | Gebazigd voor cel immobilisatie |
| Alexa Fluor 350-labeled Goat Anti-Rabbit IgG | Beyotime | A0408 | Antilichamen gebruikt voor immunokleuring |
| Bovine serum albumin | Beyotime | ST025-20g | |
| Calcium AM/PI | Invitrogen | L3224 | |
| Cell culture flask | Corning | 430639 | |
| CNN1 | Abcam | Ab46794 | |
| Commercieel flexibel PDMS membraan | Hangzhou Bald Advanced Materials | KYQ-200 | |
| F-actin | Invitrogen | R415 | |
| FBS | Sigma | M8318 | |
| Slangen | Runze Fluid | 96410 | 1 mm binnendiameter; 3 mm buitendiameter; 1 mm wanddikte; Officiële websiteadres: https://www.runzefluidsystem.com |
| Human aortic smooth spiercellijn CRL1999 | ATCC | Lot Number:70019189 | |
| Image J | Imagej.net/fiji/downloads | Gratis downloaden: https://fiji.sc | Beeldplatform dat wordt gebruikt om fluorescentie-intensiteit te identificeren |
| Incubator | Thermo Fisher Scientific | Zorgt ervoor dat de temperatuur, vochtigheid en lichtbelichting tijdens het experiment exact hetzelfde zijn. | |
| Luer | Runze Fluid | RH-M016 | Officiële websiteadres: https://www.runzefluidsystem.com. |
| Microscope | Olympus | ||
| muis collageen | Sigma | C7661 | |
| Oxygen plasma | Changzhou Hongming Instrument | HM-Plasma5L | |
| Pasteur-pipet | Biologix | 30-0138A1 | |
| PBS | Beyotime | C0221A | |
| Pen-Strep | Sigma | P4458-100ml | Antibiotica gebruikt om bacteriële besmetting van cellen tijdens kweek te voorkomen. |
| peristaltische pomp | Kamoer | F01A-STP-B046 | |
| Petri schotel | Corning | 430167 | |
| PLC controller | Zhejiang Jun Teng (BenT) CNC-fabriek | BR010-11T8X2M | De gedetailleerde programma-instelling is te vinden in aanvulling. Officiële websiteadres: files.http://www.btcnc.net |
| polydimethylsiloxaan (PDMS) | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| SM22 | Abcam | ab14106 | |
| SMCM | ScienCell | Cat 1101 | |
| Solenoïdklep | SMC (China) | VQZ300 | |
| Spuit | Becton, Dickinson en Company | 300841 | |
| Triton-X 100 | Beyotime | ST795 | Om celmembranen te doordringen |
| Trizol | Invitrogen | 10296010 | Gebazigd voor RNA-extractie |
| trypsine | Sigma | 15400054 | |
| vacuümfilter | SMC (China) | ZFC5-6 | Officiële websiteadres: https://www.smc.com.cn |
| vacuümpomp | Kamoer | KVP15-KL-S | |
| vacuümregelaar | AirTAC | GVR-200-06 | |
| Primers | |||
| Primernaam | Voorwaarts (5’ naar 3’) | Omgekeerd (5’ naar 3’) | |
| SM22 | CCGTGGAGATCCCAACTGG | CCATCTGAAGGCCAATGACAT | |
| CNN1 | CTCCATTGACTCGAACGACTC | CAGGTCTGCGAAACTTCTTAGA |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.