Ten protokół opisuje, jak mierzyć kurczliwość u pierwotnych kardiomiocytów dorosłych ludzi z serc dawców za pomocą systemu MyoBLAZER, niezawodnej platformy do oceny zmian kurczliwości wywołanych lekiem podczas rozwoju przedklinicznego.
Artykuł metodologiczny
Ten protokół opisuje, jak mierzyć kurczliwość u pierwotnych kardiomiocytów dorosłych ludzi z serc dawców za pomocą systemu MyoBLAZER, niezawodnej platformy do oceny zmian kurczliwości wywołanych lekiem podczas rozwoju przedklinicznego.
Ocena zmian w kurczliwości serca jest niezbędna podczas przedklinicznego rozwoju nowych związków ukierunkowanych na serce i nie. W artykule opisano protokół oceny zmian kurczliwości w pierwotnych kardiomiocytach komorowych dorosłego człowieka z wykorzystaniem MyoBLAZER, nieinwazyjnej metody optycznej, która zachowuje prawidłową fizjologię i farmakologię komórek. Ta metoda zapisu optycznego w sposób ciągły mierzy stany przejściowe kurczliwości z wielu komórek równolegle, zapewniając zarówno średnią przepustowość, jak i cenne informacje dla każdej pojedynczej komórki w polu widzenia, umożliwiając śledzenie działania leku w czasie rzeczywistym. Skurcze kardiomiocytów są indukowane przez stymulację polem elektrycznym w stymulacji, a uzyskane obrazy jasnego pola są przekazywane do oprogramowania do przetwarzania obrazu, które mierzy skrócenie sarkomeru w wielu kardiomiocytach. Metoda ta szybko generuje różne punkty końcowe związane z kinetyką faz skurczu i relaksacji, a uzyskane dane mogą być następnie interpretowane w odniesieniu do różnych stężeń badanego przedmiotu. Metoda ta jest również stosowana na późnych etapach rozwoju przedklinicznego w celu przeprowadzenia dalszych badań mechanistycznych w celu wsparcia trwających badań klinicznych. W związku z tym model oparty na kardiomiocytach pierwotnych u dorosłego człowieka w połączeniu z systemem optycznym do ciągłego monitorowania kurczliwości może potencjalnie przyczynić się do nowej ery translatywalności danych sercowych in vitro w rozwoju przedklinicznej terapii medycznej.
Kurczliwość mięśnia sercowego (inotropia), która reprezentuje naturalną zdolność mięśnia sercowego do kurczenia się, jest kluczową właściwością funkcji serca i zależy od dynamiki sprzężenia elektromechanicznego. Zmiany kurczliwości mięśnia sercowego wywołane lekami są pożądane w leczeniu chorób serca (np. niewydolności serca) i niepożądane w kontekście kardiotoksyczności (np. zmniejszenie frakcji wyrzutowej lewej komory). W związku z tym przedkliniczne modele kurczliwości muszą być powiązane z dokładną predykcyjnością, aby mieć pewność, że nowe leki odniosą sukces podczas rozwoju klinicznego. Jednak obecne strategie przedkliniczne, które opierają się na redukcjonistycznych sztucznych modelach komórkowych (np. genetycznie modyfikowanych, unieśmiertelnionych liniach komórkowych, które nadmiernie eksprymują określone cele sercowe będące przedmiotem zainteresowania) i modelach zwierzęcych innych niż ludzie, wykazały znaczne ograniczenia i stwierdzono, że są związane z wysokimi wskaźnikami wyczerpania leków (tj. wysokim wskaźnikiem fałszywych sygnałów)1,2,3,4. W związku z tym, konieczne jest ustanowienie nowych i wiarygodnych modeli kurczliwości ludzkiego serca komórkowego, które są związane z dużą mocą (tj. wysokim wskaźnikiem prawdziwych sygnałów), aby przewidywać wyniki leków u ludzi, a tym samym pomóc przyspieszyć wprowadzanie nowych terapii5.
Przełomowe metody odzyskiwania ludzkich serc dawców do badań6,7,8,9,10 oraz w technikach izolacji kardiomiocytów11,12,13,14,15 zapewniły wyjątkową możliwość prowadzenia badań na ludziach podczas rozwoju przedklinicznego. W tym celu pierwotne kardiomiocyty dorosłego człowieka wykazały już przydatność w ocenie wywołanych lekami zmian w kurczliwości ludzkiego serca11,12,13,14. Niniejszy artykuł szczegółowo opisuje protokół badania wpływu nowych związków na kurczliwość w kardiomiocytach dorosłego człowieka.
Wszystkie metody zostały przeprowadzone zgodnie z odpowiednimi wytycznymi i przepisami. Wszystkie ludzkie serca użyte w badaniach nie nadawały się do przeszczepu i zostały pozyskane w sposób etyczny za świadomą zgodą prawną (pierwsza osoba lub najbliższa krewna) od zmarłych dawców narządów w Stanach Zjednoczonych (USA). Protokoły rekonwalescencji i eksperymenty in vitro zostały wstępnie zatwierdzone przez Instytucjonalne Komisje Rewizyjne (IRB) w ośrodkach transplantacyjnych w ramach amerykańskiej sieci pozyskiwania narządów i przeszczepów (OPTN). Co więcej, wszystkie transfery serc dawców są w pełni identyfikowalne i okresowo sprawdzane przez władze federalne USA.
UWAGA: Stosuj wszystkie niezbędne procedury bezpieczeństwa podczas wykonywania tego protokołu, włączając w to noszenie odpowiedniego sprzętu ochrony osobistej (np. fartuchy laboratoryjne, okulary ochronne, rękawice).
1. Izolacja kardiomiocytów (1 dzień przed pomiarem kurczliwości)
2. Przygotowanie powłoki Laminin (1 dzień przed pomiarem kurczliwości)
3. Przygotowanie kardiomiocytów tolerujących Ca2+ (w dniu pomiaru kurczliwości)
4. Przygotowanie systemu rejestracji (w dniu pomiaru kurczliwości)
UWAGA: System rejestracji zawiera skrzynkę kontroli temperatury, stymulator, sterowaną komputerowo perfuzję sterowaną ciśnieniem, butelki perfuzyjne sterowane ciśnieniem, wewnętrzne oprogramowanie do akwizycji pozwalające na wybór obszarów zainteresowania (ROI) i wyświetlanie stanów przejściowych kurczliwości, odwrócony mikroskop, komorę komórkową i kamerę (Rysunek 1).
5. Przygotowanie badanych związków (w dniu pomiaru kurczliwości)
6. Posiewanie kardiomiocytów (w dniu pomiaru kurczliwości)
7. Zapis kurczliwości kardiomiocytów
8. Wyłączanie systemu optycznego zapisu kurczliwości
9. Analiza danych dotyczących kurczliwości
W niniejszym protokole opisano procedurę pomiaru kurczliwości w izolowanych pierwotnych kardiomiocytach dorosłego człowieka pobranych od dawców narządów oraz ocenę ostrych zmian parametrów kurczliwości wywołanych związkiem testowym. Pomiar stanu przejściowego kurczliwości realizowany jest przy użyciu systemu geometrii komórkowej opartego na analizie wideo, MyoBLAZER, który mierzy dynamikę sarkomerów, a stan serca dorosłego człowieka jest emulowany poprzez indukowanie kurczliwości za pomocą stymulacji elektrycznej z fizjologiczną częstotliwością stymulacji (1 Hz). Funkcjonalna żywotność kardiomiocytów jest potwierdzana poprzez ocenę sprzężenia wzbudzenie-skurcz (tj. procesów komórkowych łączących wzbudzenie elektryczne [potencjał czynnościowy sarkolemmy] ze skurczem). W kardiomiocytach ludzkich nie występują spontaniczne stany przejściowe kurczliwości, a kardiomiocyty reagują na zewnętrzną stymulację elektryczną cyklami skurczu/rozkurczu (Rycina 2C, E), a także na izoproterenol, agonistę receptorów β-adrenergicznych (Rycina 2F,G). Izoproterenol powoduje zależny od stężenia wzrost kurczliwości (Rycina 2G), a jego wpływ na kinetykę stanu przejściowego kurczliwości może zostać również scharakteryzowany (Rycina 2D)12.

Rysunek 1: Schemat eksperymentalny systemu optycznego zapisu kurczliwości. Rejestracja kurczliwości w polu jasnym jest prowadzona na pierwotnych kardiomiocytach ludzkich dorosłych, zgodnie z wcześniejszymi opisami11,12,13,14. Układ obejmuje (A) komorę termostatową, (B) stymulator pola, (C,D) system perfuzji sterowany ciśnieniem, (E) program komputerowy do sterowania ciśnieniem, (F) butle z ciśnieniem, (G) oprogramowanie do akwizycji, (H) wybór ROI w oprogramowaniu do akwizycji, (I) wyświetlanie przejściowych zmian kurczliwości w oprogramowaniu do akwizycji, (J) mikroskop odwrócony, (K) komorę mikroskopową oraz (L) kamerę. Wszystkie parametry sprzętu zostały podane w Tabeli materiałów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 2: Walidacja pomiaru kurczliwości ludzkich kardiomiocytów oraz efekt stymulacji β-adrenergicznej. (A) Obraz mikroskopii kontrastowej reprezentatywnego pierwotnego ludzkiego kardiomiocytu dorosłego, (B) zdefiniowane przez użytkownika obszary zainteresowania (ROI) umieszczone na obrazach zdrowych kardiomiocytów równolegle do osi skurczu, (C) wyświetlanie przejściowych zmian kurczliwości uzyskanych z tych samych ROI co w (B) za pomocą oprogramowania akwizycyjnego, (D) parametry związane z przejściową kurczliwością mierzone za pomocą oprogramowania akwizycyjnego: amplituda kurczliwości, czas do szczytu, Decay 30, Decay 90, TR90. Można również zmierzyć dodatkowe parametry: bazową długość sarkomeru, czas do 50% szczytu, wysokość szczytu, długość sarkomeru w szczycie kurczliwości, maksymalną prędkość skurczu oraz maksymalną prędkość rozkurczu. (E) Typowe przejściowe zmiany kurczliwości zarejestrowane z pierwotnego ludzkiego miocytu komorowego dorosłego przy częstotliwości stymulacji 1 Hz w obecności kontroli nośnika (F) oraz po ekspozycji na 30 nM izoproterenolu, nieselektywnego agonistę β-adrenergicznego. Przejściowe zmiany kurczliwości przedstawione na panelach E i F zostały zebrane z tego samego kardiomiocytu. Do wygenerowania informacji o sile działania wykorzystano izoproterenol w ludzkich kardiomiocytach stymulowanych z częstotliwością 1 Hz. (G) Typowa kumulatywna krzywa zależności odpowiedzi od stężenia wygenerowana poprzez pomiar kurczliwości ludzkich kardiomiocytów z użyciem izoproterenolu (n = 8 komórek). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
| Sekwencja perfuzji | Roztwór nośnikowy | Stężenie 1 (µM) | Stężenie 2 (µM) | Stężenie 3 (µM) | Stężenie 4 (µM) | Przemyć |
| Czas trwania zabiegu | 120 s | 300 s | 300 s | 300 s | 300 s | 300 s |
| Częstotliwość stymulacji | 1 Hz | 1 Hz | 1 Hz | 1 Hz | 1 Hz | 1 Hz |
Tabela 1: Protokół stymulacji i sekwencja aplikacji związku testowego. Stabilność przejściowych skurczów jest oceniana poprzez ciągły zapis przez 120 s w roztworze C, co pozwala na ustanowienie kontroli nośnika (zazwyczaj w 0,1% DMSO). Następnie stosuje się stężenie substancji testowej przez minimum 300 s lub do momentu osiągnięcia efektu stanu stacjonarnego. Wykorzystuje się cztery rosnące stężenia substancji testowej, co pozwala na uzyskanie kumulacyjnych krzywych zależność stężenie-efekt (C-E). Po zakończeniu kumulatywnych dodatków substancji testowej można zastosować 300-sekundowy okres wypłukiwania.
Niniejszy manuskrypt zawiera szczegółowy protokół dla układu optycznego opartego na kurczliwości kardiomiocytów u dorosłego człowieka dla uproszczonej metody średnioprzepustowej, która umożliwia testowanie ostrej skuteczności i kardiotoksyczności nowych związków. Ten optyczny system rejestracji kurczliwości jest łatwy w użyciu, umożliwia równoległe zapisy z wielu komórek, umożliwia jednoczesną ocenę zdrowia komórek, fizjologii i farmakologii, jest wyposażony w automatyczną i szybką analizę danych (seria wielu komórek jest analizowana w ciągu 5 sekund) i umożliwia szybkie gromadzenie danych (krzywa stężenie-odpowiedź co 30 minut / związek / urządzenie). Biorąc pod uwagę te cechy, system rejestracji może być wykorzystywany nie tylko do wykrywania wpływu leków na kurczliwość kardiomiocytów, ale także do dostarczania danych dotyczących zależności struktura-aktywność w celu wsparcia wysiłków chemii medycznej we wczesnych fazach odkrywania leków16. Ponieważ za pomocą protokołu izolacji kardiomiocytów można uzyskać dziesiątki milionów komórek, obecnie badane jest zastosowanie systemu optycznego zapisu kurczliwości - platformy kardiomiocytów w celu osiągnięcia zwiększonej zdolności testowej (przy użyciu dobrze opartych płytek) przy obniżonych kosztach. Co więcej, ocena wpływu leku na parametry skurczowe i relaksacyjne mierzona za pomocą systemu rejestracji może zapewnić wieloparametryczne profilowanie mechanistyczne leków inotropowych12. Ponadto dane dotyczące kurczliwości kardiomiocytów można wykorzystać do uszeregowania nowych leków od najbardziej do najmniej kardiotoksycznych (np. margines bezpieczeństwa) i od najmniej do najbardziej skutecznych (np. margines mocy). Można również przeprowadzić kontrolne badania kurczliwości kardiomiocytów w celu wsparcia programów rozwojowych, które są związane z klinicznym spadkiem kurczliwości mięśnia sercowego12.
Kolejną istotną zaletą stosowania systemu optycznej rejestracji kurczliwości ludzkich kardiomiocytów jest jego zgodność z koncepcją 3R (zastępstwo, redukcja i udoskonalenie)17 , ponieważ można go uznać za alternatywną metodę, która pozwala uniknąć lub zastąpić wykorzystanie zwierząt do generowania danych w przemyśle farmaceutycznym. Tę korzyść 3R można również rozszerzyć na akademickie badania kardiologiczne. Cała obecna wiedza na temat fizjologii i farmakologii kardiomiocytów pochodzi z badań naukowych przeprowadzonych na komórkach wyizolowanych z serc zwierząt18. W ten sposób model kurczliwości optycznej ludzkich kardiomiocytów otwiera możliwość przeprowadzenia krytycznych badań translacyjnych. Aby przeprowadzić te badania, muszą zostać opracowane protokoły konserwacji i transportu dorosłych kardiomiocytów ludzkich (obecnie oceniane w laboratorium AnaBios), a system kurczliwości musi mieć zdolność rejestrowania zmian długości sarkomerów z kardiomiocytów innych niż ludzkie (tak jest w przypadku optycznego systemu rejestracji kurczliwości, ponieważ sarkomery są dobrze zachowane wśród gatunków).
Ludzki system kurczliwości kardiomiocytów może naśladować kilka stanów fizjologicznych (np. sprzężenie elektromechaniczne, częstotliwość stymulacji naśladującą tętno, temperaturę ciała, integrację wszystkich ludzkich celów sercowych) i wykazał wartość translacyjną jako kluczowy składnik w odkrywaniu leków 11,12,13,14 , chociaż nie może naśladować zmian obciążenia mechanicznego i naprężeń ścinających obserwowanych podczas cyklu kurczliwości serca. Struktura i funkcja macierzy zewnątrzkomórkowych serca są obecnie lepiej poznane19, opracowanie takich matryc może potencjalnie pomóc w przezwyciężeniu ograniczenia obciążenia mechanicznego, a matryce o różnych sztywnościach podobnych do sercowych są obecnie oceniane w laboratorium AnaBios. Innym ograniczeniem układu kurczliwości optycznej ludzkich kardiomiocytów jest brak sieci nerwów zaopatrujących serce (np. włókien współczulnych i przywspółczulnych)20. Ten kontakt neuro-sercowy można przywrócić przy jednoczesnym zastosowaniu neuroprzekaźników (np. izoproterenolu, agonisty receptorów β-adrenergicznych; acetylocholiny, agonisty receptorów muskarynowych M2), przy czym związek ten jest oceniany pod kątem potencjalnego wpływu na kurczliwość kardiomiocytów. Ponadto stany przejściowe kurczliwości są rejestrowane bez jednoczesnych pomiarów potencjałów czynnościowych i stanów nieustalonychCa2+, które są również niezbędne przy ocenie działania leku na elektrokardiogramie i obchodzeniu się z Ca2+. Chociaż to pominięcie można uznać za ograniczenie systemu, nie jest ono zbyt krytyczne, ponieważ zapisy sygnałów potencjału czynnościowego (metodą cęgów prądowych lub barwników wrażliwych na napięcie) i stanów nieustalonych Ca2 + (ze wskaźnikami / barwnikami Ca2 +) mogą być związane z cytotoksycznością. Takie efekty cytotoksyczne mogą mieć wpływ na ocenę nowych leków modulujących kurczliwość serca. Wręcz przeciwnie, zastosowanie nieinwazyjnej metody optycznej, która zachowuje zdrowie, fizjologię i farmakologię kardiomiocytów, takiej jak system zapisu opisany w tym protokole, nie tylko zapewniłoby uzyskanie najwyższej jakości danych dotyczących kurczliwości, ale także dostarczyłoby danych, które mogą dobrze przewidzieć skutki skurczowe nowych leków u ludzi.
Wszyscy autorzy są pracownikami korporacji AnaBios i deklarują brak sprzecznych interesów.
Ta praca była wspierana przez AnaBios Corporation i grant NIH Small Business Innovation Research (SBIR) (1R44TR003162-01).
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 100– 1000 &mikro; L Filtrowana, Szeroki otwór, Sterylne końcówki | Pipeta | UF-1000W | |
| 100 mL, Duran ciśnienie plus butelki | DWK Nauki Przyrodnicze | 218102406 | |
| 1 L, 0,22 &mikro; m System filtrów próżniowych | VWR | 567-0020 | |
| 290 mmol/kg Wzorzec osmolarności | Wescor | OA-029 | |
| Laboratoryjny pH-metr | Mettler Toledo | https://www.mt.com/us/en/home/products/Laboratory_Analytics_Browse/pH-meter/pH-meters.html | |
| Chlorek wapnia dwuwodny (CaCl2) | Kamera Sigma-Aldrich | C3881 | |
| Optronis GmbH | Cyclone-25-150-M | https://optronis.com/en/products/cyclone-25-150/ | |
| Corning 25 mm x25 mm Kwadrat #1 Szkło osłonowe | Corning | 2845-25 | |
| Cyclone-25-150 | Optronis | https://optronis.com/en/products/cyclone-25-150/ | |
| D-(+)-Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | |
| Cyfrowy timer/stoper | Fisher Scientific | 14-649-17 | |
| Dimetylosulfotlenek (DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418 | |
| Ośmiodołkowa prostokątna sterylna płytka hodowlana z polistyrenu | Thermo Fisher Scientific | 73521-426 | |
| https://us.vwr.com/store/product/4679368/nunclontm-delta-rectangular-dishes-polystyrene-sterile-thermo-scientific System komór mikroskopowych FHD | IonOptix | ||
| Flow EZ, Modułowy ciśnieniowy regulator przepływu z programem sterowanym komputerowo w wersji 1.1.0.0. | Fluigent OxyGEN | ||
| Heavy Duty | VWR | 16211-080 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| Ludzka rekombinowana Laminina 521 | BioLamina | LM521-05 | |
| Rurki chromatograficzne Idex, naturalny FEP, 1/16" OD x 0,030" ID | Cole-Palmer | 1520L | |
| Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes | Fisher Scientific | 06-666 | |
| Kwas L-(-)-jabłkowy | Sigma-Aldrich | 112577 | |
| Kwas laktobionowy | Sigma-Aldrich | 153516 | |
| Kwas L-glutaminowy | Sigma-Aldrich | 49449 | |
| L-H-Histydyna | Sigma-Aldrich | H8000 | |
| Sześciowodny chlorek magnezu (MgCl2) | Sigma-Aldrich | M9272 | |
| Mikroskop Kontrola temperatury Podgrzewacz stopnia | AmScope | TCS-100 | |
| MyoPacer Stymulator pola | IonOptix | ||
| Nunc Prostokątne naczynia | Thermo Scientific | 267062 | |
| Olympus IX83P1ZF Ixplore Standardowy mikroskop | Olympus | https://www.olympus-lifescience.com/en/microscopes/inverted/ixplore-standard/?campaignid=657680540&adgroupid =116963199831& słowo kluczowe=ix73%20 mikroskop& gclid=EAIaIQobChMIl qjyiMWP-AIVVx-tBh2JoQ85EAA YASAAEgLp3fD_BwE | |
| Standardy pH 4,01, 7,00 i 10,01 Oakton | WD-05942-10 | ||
| Chlorek potasu (KCl) | Sigma-Aldrich | 746436 | |
| Wodorotlenek potasu (KOH) | Sigma-Aldrich | P4494 | |
| Fosforan potasu jednozasadowy (KH2PO4) | Oprogramowanie Sigma-Aldrich | 795488 | |
| Prism | Oprogramowanie GraphPad - Dotmatics | https://www.graphpad.com/ | |
| RBS 25 Płynny detergent | Sigma-Aldrich | 83460 | |
| Pojemnik na ostre przedmioty | Uline | S-15307 | |
| Oprogramowanie do analizy SigmaPlot | Systat Software Inc. | https://systatsoftware.com/ | |
| Chlorek sodu (NaCl) | Sigma-Aldrich | S3014 | |
| Wodorotlenek sodu (NaOH) | Sigma-Aldrich | 221465 | |
| Student Dumont #5 Kleszcze | Narzędzia do nauki o naprawach | 91150-20 | |
| Sacharoza | Sigma-Aldrich | S7903 | |
| Tauryna | Sigma-Aldrich | T0625 | |
| Skrzynka kontrolna temperatury | Warner Insturments | TC-324C | |
| Oscylometr ciśnienia pary | ELITechGroup | Model 5600 | |
| Fiolki Wheaton 20 ml | DWK Nauki przyrodnicze | 225288 |