Ta metoda może być użyta do zbadania skrócenia sarkomeru za pomocą kardiomiocytów pochodzących z pluripotencjalnych komórek macierzystych z fluorescencyjnie znakowanymi białkami sarkomerowymi.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Ta metoda może być użyta do zbadania skrócenia sarkomeru za pomocą kardiomiocytów pochodzących z pluripotencjalnych komórek macierzystych z fluorescencyjnie znakowanymi białkami sarkomerowymi.
Kardiomiocyty pochodzące z pluripotencjalnych komórek macierzystych (PSC-CMs) mogą być wytwarzane zarówno z embrionalnych, jak i indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (ES/iPS). Komórki te stanowią obiecujące źródła do modelowania chorób serca. W przypadku kardiomiopatii skrócenie sarkomeru jest jedną ze standardowych ocen fizjologicznych, które stosuje się w przypadku dorosłych kardiomiocytów w celu zbadania ich fenotypów chorobowych. Dostępne metody nie są jednak odpowiednie do oceny kurczliwości PSC-CM, ponieważ komórki te mają słabo rozwinięte sarkomery, które są niewidoczne w mikroskopii z kontrastem fazowym. Aby rozwiązać ten problem i przeprowadzić skracanie sarkomeru za pomocą PSC-CM, zastosowano znakowane fluorescencyjnie białka sarkomerowe i fluorescencyjne obrazowanie na żywo. Cienkie linie Z i linia M znajdują się odpowiednio na obu końcach i w środku sarkomeru. Białka linii Z — α-aktynina (ACTN2), teletonina (TCAP) i białko LIM związane z aktyną (PDLIM3) — i jedno białko M-line — Myomesin-2 (Myom2) — zostały oznaczone białkami fluorescencyjnymi. Te znakowane białka mogą ulegać ekspresji z endogennych alleli jako knock-iny lub z wirusów związanych z adenowirusami (AAV). W tym miejscu przedstawiamy metody różnicowania mysich i ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych do kardiomiocytów, wytwarzania AAV oraz wykonywania i analizowania obrazowania na żywo. Opisano również metody wytwarzania stempli polidimetylosiloksanu (PDMS) do wzorzystej kultury PSC-CM, co ułatwia analizę skracania sarkomeru za pomocą białek znakowanych fluorescencyjnie. Aby ocenić skrócenie sarkomeru, zarejestrowano poklatkowe obrazy bijących komórek z dużą liczbą klatek na sekundę (50-100 klatek na sekundę) pod wpływem stymulacji elektrycznej (0,5-1 Hz). Aby przeanalizować długość sarkomeru w trakcie kurczenia się komórek, zarejestrowane obrazy poklatkowe poddano działaniu SarcOptiM, wtyczki do ImageJ/Fiji. Nasza strategia zapewnia prostą platformę do badania fenotypów chorób serca w PSC-CM.
Choroby układu krążenia są główną przyczyną zgonów na całym świecie1, a kardiomiopatia stanowi trzecią przyczynę zgonów związanych z sercem2. Kardiomiopatia to zbiorowa grupa chorób, które wpływają na mięsień sercowy. Ostatnie odkrycia w zakresie indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPS) i ukierunkowanego różnicowania komórek iPS w kierunku kardiomiocytów (PSC-CM) otworzyły drzwi do badania kardiomiocytów z genomem pacjenta jako modelu kardiomiopatii in vitro. Komórki te mogą być wykorzystane do zrozumienia patofizjologii chorób serca, wyjaśnienia ich mechanizmów molekularnych oraz do testowania różnych kandydatów terapeutycznych3. Zainteresowanie jest ogromne, dlatego wygenerowano komórki iPS pochodzące od pacjentów (np. kardiomiopatia przerostowa [HCM]4,5, arytmogenna kardiomiopatia prawej komory [ARVC]6, kardiomiopatia rozstrzeniowa [DCM]7, oraz kardiomiopatie związane z mitochondriami8,9). Ponieważ jedną z cech kardiomiopatii jest dysfunkcja i zaburzenie sarkomerów, potrzebne jest ważne narzędzie, które jednolicie mierzy funkcję sarkomerów.
Skracanie sarkomeru jest najczęściej używaną techniką do oceny funkcji sarkomeru i kurczliwości dorosłych kardiomiocytów pochodzących z modeli zwierzęcych i ludzkich. Do wykonania skrócenia sarkomerów potrzebne są dobrze rozwinięte sarkomery, które są widoczne w kontraście fazowym. Jednak PSC-CM hodowane in vitro wykazują słabo rozwinięte i zdezorganizowane sarkomery, a zatem nie mogą być używane do prawidłowego pomiaru skracania sarkomerów10. Ta trudność w prawidłowej ocenie kurczliwości PSC-CM utrudnia ich wykorzystanie jako platformy do oceny funkcji serca in vitro. Aby pośrednio ocenić kurczliwość PSC-CMs, wykorzystano mikroskopię sił atomowych, matryce mikrosłupków, mikroskopię sił trakcyjnych i pomiary impedancji w celu zmierzenia wpływu ruchu wywieranego przez te komórki na ich otoczenie11,12,13. Bardziej wyrafinowane i mniej inwazyjne zapisy z wideomikroskopii rzeczywistego ruchu komórkowego (np. SI8000 firmy SONY) mogą być alternatywnie wykorzystane do oceny ich kurczliwości, jednak ta metoda nie mierzy bezpośrednio ruchu sarkomeru ani kinetyki generowania siły14.
Aby bezpośrednio mierzyć ruch sarkomeru w PSC-CMs, pojawiają się nowe podejścia, takie jak fluorescencyjne znakowanie białka sarkomerowego. Na przykład Lifeact jest używany do oznaczania aktyny nitkowatej (F-aktyny) do pomiaru ruchu sarkomeru15,16. Genetycznie zmodyfikowane komórki iPS są inną opcją znakowania białek sarkomerowych (np. α-aktyniny [ACTN2] i miomezyny-2 [MYOM2]) za pomocą białka fluorescencyjnego17,18,19.
W tym artykule opisujemy, jak wykonać obrazowanie poklatkowe do pomiaru skrócenia sarkomeru za pomocą Myom2-TagRFP (mysie embrionalne komórki macierzyste [ES]) i ACTN2-mCherry (ludzkie komórki iPS). Pokazujemy również, że wzorzysta kultura ułatwia wyrównanie sarkomerów. Ponadto opisujemy alternatywną metodę znakowania sarkomerem, przy użyciu wirusów związanych z adenowirusami (AAV), które mogą być szeroko stosowane do komórek iPS pochodzących od pacjenta.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Różnicowanie pluripotencjalnych komórek macierzystych myszy
2. Różnicowanie ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych
3. Fluorescencyjne znakowanie sarkomerów za pomocą wirusów związanych z adenowirusami
4. [Opcjonalnie] Oczyszczanie PSC-CM oparte na AAV
5. Przygotowanie pieczęci PDMS
6. Wzorzysta hodowla kardiomiocytów pochodzących z pluripotencjalnych komórek macierzystych
7. Obrazowanie poklatkowe sarkomerów pod mikroskopem fluorescencyjnym
8. Analiza obrazowania poklatkowego za pomocą SarcOptiM, wtyczki ImageJ/Fiji
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Pomiar skracania się sarkomerów z wykorzystaniem linii reporterowych PSC-CMs z knock-in. Do pomiaru skracania się sarkomerów wykorzystano PSC-CMs z oznakowanymi sarkomerami. Linie te wykazują ekspresję Myom2-RFP oraz ACTN2-mCherry z locus endogennego. TagRFP wprowadzono do Myom2, kodującego białka M lokalizujące się w linii M, natomiast mCherry wprowadzono metodą knock-in do ACTN2, kodującego α-aktyninę, która lokalizuje się w linii Z18...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
PSC-CM mają ogromny potencjał do wykorzystania jako platforma in vitro do modelowania chorób serca i testowania działania leków. Niemniej jednak najpierw należy opracować dokładną, ujednoliconą metodę oceny funkcji PSC-CMs. Większość testów funkcjonalnych dotyczy PSC-CM, np. elektrofizjologia, przemijające wapń i metabolizm26, a jedno z pierwszych badań PSC-CM pochodzących od pacjentów dotyczyło zespołu wydłużonego odstępu QT27. Jednak kurczliwość, jedna z najważni...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
H.U. złożył wniosek patentowy związany z tym rękopisem.
Chcielibyśmy podziękować wszystkim członkom laboratorium z Wydziału Medycyny Regeneracyjnej Uniwersytetu Medycznego Jichi za pomocną dyskusję i pomoc techniczną. Badanie to było wspierane przez granty Japońskiej Agencji Badań i Rozwoju Medycznego (AMED; JP18bm0704012 i JP20bm0804018), Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki (JSPS; JP19KK0219) oraz Japońskie Towarzystwo Obiegowe (grant na badania podstawowe) dla H.U.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 1-Tioglycerol | Sigma-Aldrich | M6145-25 | |
| 2-merkaptoetanol (55mM) | Thermo Fisher Scientific | 21985-023 | |
| polimer 2-metakryloyloksyetylofosforylcholiny (MPC), | NOF Corp. | LIPIDURE-CM5206 | |
| 2-Propanol | Fujifilm wako | 166-04836 | |
| 35-milimetrowa miska obrazowa z polimerowym szkiełkiem nakrywkowym (µ-Dish 35 mm, wysoka) | ibidi | 81156 | |
| AAVproR Helper Free System (AAV6) (wektory; pHelper, pRC6, pAAV-CMV-Vector) | Takara | 6651 | |
| ACTN2-mCherry (AR12, AR21) hiPSC | N.A. | Umieściliśmy kasetę oporną na IRES-puromycynę do 3' UTR locus TNNT2 i mCherry wokół kodonu stop ACTN2 w linii hiPSC 610B1, postępując zgodnie z metodą opisaną gdzie indziej (Anzai, Methods Mol Biol, w druku) | |
| Suplement B-27 (50X), bez surowicy | Suplement Thermo Fisher Scientific | 17504-044 | |
| B-27, bez insuliny | Suplement Thermo Fisher Scientific | A18956-01 | |
| B27 (50X), bez witaminy A | Thermo Fisher Scientific | 12587-010 | |
| Benzonaza (25 U/&mikro; L) | Merck Millipore | 70746 | |
| Chlorowodorek blasticidyny S | Fujifilm wako | 029-18701 | |
| BMP-4, ludzki, rekombinowany, | R& D Systems, Inc. | 314-BP-010 | |
| Albumina surowicy bydlęcej | Sigma-Aldrich | A4503-100g | |
| C59, Wnt Antagonist (WntC59) | abcam | ab142216 | |
| Oprogramowanie do rysowania CAD, | Robert McNeel and Associates, WA, USA | Rhinoceros 6.0 | |
| (100k MWCO), Vivaspin-20 | Sartorius | VS2042 | |
| CHIR99021 | Cayman | 13122 | |
| Wytrawiacz chromu | Nihon Kagaku Sangyo Co., Ltd., Japonia | N14B | |
| pokryta AZP1350 | Clean Surface Technology Co., Japonia | CBL2506Bu-AZP | |
| Dr. GenTLE Nośnik strącania (20 mg / ml glikogenu, 3 M octan sodu (pH 5,2)) | Takara | 9094 | |
| Dulbecco' s Zmodyfikowany Orzeł" s Medium (DMEM) - wysoki poziom glukozy | Sigma-Aldrich | D6429-500 | |
| Dulbecco' s Zmodyfikowany Orzeł" s Medium (DMEM) - wysoka glukoza, bez pirogronianu sodu | Sigma-Aldrich | D5796 | |
| Etanol (99,5) | Fujifilm wako | 057-00456 | |
| Surowica bydlęca | płodu Moregate | 59301104 | |
| FGF-10, ludzka, rekombinowana, | R& D Systems, Inc. | 345-FG-025 | |
| Czynnik wzrostu fibroblastów (podstawowy), ludzki, rekombinowany | Fujifilm wako | 060-04543 | |
| Żelatyna ze skóry świń w proszku | Sigma-Aldrich | G1890-100g | |
| Glasgow Minimum Essential Medium (GMEM) | Sigma-Aldrich | G5154-500 | |
| SZKLANE DNO płytki hodowlane | MatTek | P24G-1.5-13-F/H | |
| Szynka& rsquo; s F-12 | Thermo Fisher Scientific | 11765-062 | |
| Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMDM) | Thermo Fisher Scientific | 12440-061 | |
| L-alanino-L-glutamina (suplement GlutaMAX, 200mM) | Thermo Fisher Scientific | 35050-061 | |
| L(+)-sól sodowa kwasu askorbinowego | Fujifilm wako | 196-01252 | |
| fragment Laminin-511 E8 ( LN511-E8, iMatrix-511) | Nippi | 892012 | |
| Mask aligner | Union Optical Co., Ltd., Japonia | PEM-800 | |
| Bezmaskowe narzędzie litograficzne | NanoSystem Solutions, Inc., Japonia | D-Light DL-1000 | |
| MEM Roztwór aminokwasów endogennych (100X) | Thermo Fisher Scientific | 11140-050 | |
| Filtr strzykawkowy Millex-HV, 0,45 i mikro; m, PVDF (0,45-&mikro; m filtr) | Merck Millipore | SLHVR33RS | |
| Myom2-RFP (SMM18) | N.A. | Opracowany w naszym poprzednim artykule (Chanthra, Sci Rep, 2020) | |
| Suplement N-2 (100X) | Thermo Fisher Scientific | 17502-048 | |
| Cyfrowa kamera CMOS ORCA-Flash4.0 V3 | Hamamatsu | C13440-20CU | |
| PD0325901 | Stemgent | 04-0006-10 | |
| Penicylina-Streptomycyna (10 000 U/mL) | Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
| Szalka Petriego | Sansei medical co. Ltd | 01-004 | |
| Fenol / Chloroform / Alkohol izoamylowy (25:24:1) | Gen nippon | 311-90151 | |
| Elastomer polidimetylosiloksanu (PDMS) | Dow Corning Corp., MI, USA | SILPOT 184 | |
| polietyleniminy MAX (MW. 40 000) | Polyscience | 24765-1 | |
| Pozytywny twórca fotorezystu | Tokyo Ohka Kogyo Co. , Ltd., Japonia | NMD-3 | |
| PowerUp SYBR Green Master Mix | Thermo Fisher Scientific | A25742 | |
| Proteinaza K | Takara | 9034 | |
| Dichlorowodorek puromycyny | Fujifilm wako | 166-23153 | |
| Rekombinowane białko aktywiny A dla ludzi / myszy / szczurów | R& D Systems, Inc. | 338-AC-050 | |
| Rekombinowana proteaza trypsyna podobna (rTrypsin; Thermo | Fisher Scientific | 12604-039 | |
| RPMI1640 Medium | Thermo Fisher Scientific | 11875-119 | |
| Wafel krzemowy | Matsuzaki Seisakusyo Co., Ltd., Japonia | N.A. | |
| Pirogronian sodu (100 mM) | Thermo Fisher Scientific | 11360-070 | |
| Powlekarka | Mikasa Co., Ltd., Japonia | MS-A100 | |
| Mikroskopia konfokalna Spininng | Oxford Instruments | Andor Dragonfly Spinning Disk System | |
| StemSure LIF, Mysz, rekombinant, roztwór (10^6U) | Fujifilm wako | 195-16053 | |
| SU-8 3010 | Kayaku Advanced Materials, Inc., MA, USA | SU-8 3010 | |
| SU-8 | deweloper Kayaku Advanced Materials, Inc., MA, USA | Twórca | |
| Tris-EDTA | Nippon Gen | 314-90021 | |
| Czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego-A165 (VEGF), ludzki, rekombinowany | Fujifilm wako | 226-01781 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.