$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Odkrywanie leków i modelowanie chorób w dziedzinie badań sercowo-naczyniowych napotyka na kilka wyzwań z powodu braku klinicznie istotnych próbek i nieodpowiednich narzędzi translacyjnych1. Wysoce złożone modele przedkliniczne lub nadmiernie uproszczone modele pojedynczych komórek in vitro nie wykazują warunków patofizjologicznych w powtarzalny sposób. W związku z tym powstało kilka zminiaturyzowanych platform inżynierii tkankowej, które pomagają wypełnić tę lukę, mając na celu osiągnięcie równowagi między łatwością aplikacji w sposób wysokoprzepustowy a wiernym odwzorowaniem funkcji tkanki2,3. Wraz z pojawieniem się technologii indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC), narzędzia inżynierii tkankowej mogą być stosowane do komórek specyficznych dla pacjenta z lub bez choroby sercowo-naczyniowej, aby odpowiedzieć na pytania badawcze4,5,6. Takie modele inżynierii tkankowej o składzie komórkowym podobnym do tkanki serca mogą być wykorzystane w pracach nad opracowaniem leków w celu zbadania kardiotoksyczności i dysfunkcji wywołanych patologicznymi zmianami w zachowaniu jednego lub wielu typów komórek.
Samoorganizujące się mikrotkanki lub organoidy pochodzące z ludzkich iPSC to trójwymiarowe (3D) struktury, które są miniaturowymi zespołami tkankopodobnymi, wykazującymi funkcjonalne podobieństwa do swoich odpowiedników in vivo. Istnieje kilka różnych podejść, które umożliwiają tworzenie organoidów in situ poprzez ukierunkowane różnicowanie iPSC lub poprzez tworzenie ciał embrionalnych4. Uzyskane w ten sposób organoidy są niezbędnym narzędziem do badania procesów morfogenetycznych, które napędzają organogenezę. Jednak obecność różnych populacji komórek i różnice w samoorganizacji mogą prowadzić do zmienności wyników między różnymi organoidami5. Alternatywnie, wstępnie zróżnicowane komórki, które samoorganizują się w mikrotkanki z typami komórek specyficznymi dla tkanek w celu zbadania lokalnych interakcji komórka-komórka, są doskonałymi modelami, w których możliwe jest wyizolowanie samoorganizujących się składników. Szczególnie w badaniach nad sercem u ludzi, opracowanie trójwymiarowych mikrotkanek serca z komponentami wielokomórkowymi okazało się wyzwaniem, gdy komórki pochodzą z różnych linii pacjentów lub ze źródeł komercyjnych.
Aby poprawić nasze mechanistyczne zrozumienie zachowań komórek w fizjologicznie istotnym, spersonalizowanym modelu in vitro, idealnie byłoby, gdyby wszystkie typy komórek składowych pochodziły z tej samej linii pacjenta. W kontekście ludzkiego serca, prawdziwie reprezentatywny model serca in vitro uchwyciłby wzajemne oddziaływanie między dominującymi typami komórek, a mianowicie kardiomiocytami (CM), komórkami śródbłonka (EC) i fibroblastami serca (CFs)6,7. Wierna rekapitulacja mięśnia sercowego wymaga nie tylko biofizycznego rozciągnięcia i stymulacji elektrofizjologicznej, ale także sygnalizacji komórka-komórka, która powstaje dzięki wspierającym typom komórek, takim jak EC i CFs8. CF biorą udział w syntezie macierzy zewnątrzkomórkowej i utrzymaniu struktury tkanki; a w stanie patologicznym mukowiscydozy mogą indukować zwłóknienie i zmieniać przewodnictwo elektryczne w CMs9. Podobnie, EC mogą regulować właściwości skurczowe CM poprzez sygnalizację parakrynną i zaspokajanie niezbędnych potrzeb metabolicznych10. W związku z tym potrzebne są ludzkie mikrotkanki serca składające się ze wszystkich trzech głównych typów komórek, aby umożliwić przeprowadzanie fizjologicznie istotnych eksperymentów o wysokiej przepustowości.
Tutaj opisujemy podejście oddolne do wytwarzania mikrotkanek serca poprzez uzyskanie ludzkich kardiomiocytów pochodzących z iPSC (iPSC-CMs), komórek śródbłonka pochodzących z iPSC (iPSC-ECs) i fibroblastów serca pochodzących z iPSC (iPSC-CFs) oraz ich hodowli 3D w jednolitych układach mikrotkanek serca. Ta prosta metoda generowania spontanicznie bijących mikrotkanek serca może być wykorzystana do modelowania chorób i szybkiego testowania leków w celu funkcjonalnego i mechanistycznego zrozumienia fizjologii serca. Co więcej, takie wielokomórkowe platformy mikrotkanek serca można wykorzystać za pomocą technik edycji genomu w celu naśladowania postępu choroby serca w czasie w przewlekłych lub ostrych warunkach hodowli.