Name: Generowanie 3D ludzkiej tkanki mięśnia sercowego przy użyciu elektroprzędzenia stopionego zapisu rusztowań polikaprolaktonowych i komórek serca pochodzących z hiPSC (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-03-28T14:45:00.000+00:00
Duration: 6 min 17 s
Description: Poznaj metodę elektroprzędzenia stopionego do tworzenia 3D tkanki mięśnia sercowego z komórek hiPSC. Technika ta poprawia modelowanie chorób i testowanie leków, oferując dokładniejszą alternatywę dla kultur 2D.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Badania zostały sfinansowane przez program badań i innowacji H2020 na podstawie umów o dotację nr 874827 (BRAV<img alt="Równanie 1" src="/files/ftp_upload/67847/67847eq01.jpg" style="margin: auto;">); Ministerio de Ciencia y Universidades (Hiszpania) poprzez projekty PLEC2021-008127 (CARDIOPRINT), PID2022-142562OB-I00 (VOLVAD) i PID2022-142807OA-I00 (INVESTTRA) finansowane przez MICIU/AEI /10.13039/501100011033 oraz przez Unię Europejską NextGenerationEU/PRTR; Gobierno de Navarra Proyectos Estratégicos IMPRIMED (0011-1411-2021-000096) oraz BIOHEART (0011-1411-2022-000071); Gobierno de Navarra Proyectos Colaborativos BIOGEN (PC020-021-022) oraz Gobierno de Navarra Salud GN32/2023. Rysunki 1A, Rysunki 2A i Rysunki 4A są tworzone za pomocą BioRender.com.

<ol><li>Cho, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Challenges+and+opportunities+for+the+next+generation+of+cardiovascular+tissue+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Methods%22%5BJournal%5D)">Challenges and opportunities for the next generation of cardiovascular tissue engineering.</a> Nat Methods. 19 (9), 1064-1071 (2022).</li>
<li>Garbern, J. C., Lee, R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heart+regeneration%3A+20+years+of+progress+and+renewed+optimism%5BTitle%5D)+AND+%22Dev+Cell%22%5BJournal%5D)">Heart regeneration: 20 years of progress and renewed optimism.</a> Dev Cell. 57 (4), 424-439 (2022).</li>
<li>Lian, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robust+cardiomyocyte+differentiation+from+human+pluripotent+stem+cells+via+temporal+modulation+of+canonical+Wnt+signaling%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+USA%22%5BJournal%5D)">Robust cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells via temporal modulation of canonical Wnt signaling.</a> Proc Natl Acad Sci USA. 109 (27), E1848-E1857 (2012).</li>
<li>Burridge, P. W., Holmström, A., Wu, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemically+defined+culture+and+cardiomyocyte+differentiation+of+human+pluripotent+stem+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Protoc+Hum+Genet%22%5BJournal%5D)">Chemically defined culture and cardiomyocyte differentiation of human pluripotent stem cells.</a> Curr Protoc Hum Genet. 87 (21), 21.3.1-21.3.15 (2015).</li>
<li>Feric, N. T., Radisic, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Maturing+human+pluripotent+stem+cell-derived+cardiomyocytes+in+human+engineered+cardiac+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Drug+Deliv+Rev%22%5BJournal%5D)">Maturing human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes in human engineered cardiac tissues.</a> Adv Drug Deliv Rev. 96, 110-134 (2016).</li>
<li>Huang, S., Yang, Y., Yang, Q., Zhao, Q., Ye, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineered+circulatory+scaffolds+for+building+cardiac+tissue%5BTitle%5D)+AND+%22J+Thorac+Dis%22%5BJournal%5D)">Engineered circulatory scaffolds for building cardiac tissue.</a> J Thorac Dis. 10 (Suppl 20), S2312-S2328 (2018).</li>
<li>Pinto, A. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Revisiting+cardiac+cellular+composition%5BTitle%5D)+AND+%22Circ+Res%22%5BJournal%5D)">Revisiting cardiac cellular composition.</a> Circ Res. 118 (3), 400-409 (2016).</li>
<li>Brown, T. D., Dalton, P. D., Hutmacher, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+writing+by+way+of+melt+electrospinning%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Mater%22%5BJournal%5D)">Direct writing by way of melt electrospinning.</a> Adv Mater. 23 (47), 5651-5657 (2011).</li>
<li>Vernon, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+heart+valve+interfaces+using+melt+electrowriting%3A+Biomimetic+design+strategies+from+multi-modal+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Healthc+Mater%22%5BJournal%5D)">Engineering heart valve interfaces using melt electrowriting: Biomimetic design strategies from multi-modal imaging.</a> Adv Healthc Mater. 11 (24), 2201028(2022).</li>
<li>Montero-Calle, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+human+myocardium+using+multidimensional+modeling+of+engineered+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Biofabrication%22%5BJournal%5D)">Fabrication of human myocardium using multidimensional modeling of engineered tissues.</a> Biofabrication. 14 (4), 045017(2022).</li>
<li>Castilho, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Melt+electrospinning+writing+of+poly-hydroxymethylglycolide-co-%CE%B5-caprolactone-based+scaffolds+for+cardiac+tissue+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Healthc+Mater%22%5BJournal%5D)">Melt electrospinning writing of poly-hydroxymethylglycolide-co-ε-caprolactone-based scaffolds for cardiac tissue engineering.</a> Adv Healthc Mater. 6 (18), 1700311(2017).</li>
<li>Castilho, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Melt+electrowriting+allows+tailored+microstructural+and+mechanical+design+of+scaffolds+to+advance+functional+human+myocardial+tissue+formation%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Funct+Mater%22%5BJournal%5D)">Melt electrowriting allows tailored microstructural and mechanical design of scaffolds to advance functional human myocardial tissue formation.</a> Adv Funct Mater. 28 (40), 1803151(2018).</li>
<li>Ronaldson-Bouchard, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+maturation+of+human+cardiac+tissue+grown+from+pluripotent+stem+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Advanced maturation of human cardiac tissue grown from pluripotent stem cells.</a> Nature. 556, 239-243 (2018).</li>
<li>Palaskas, N. L., Ali, H. J., Koutroumpakis, E., Ganatra, S., Deswal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cardiovascular+toxicity+of+immune+therapies+for+cancer%5BTitle%5D)+AND+%22BMJ%22%5BJournal%5D)">Cardiovascular toxicity of immune therapies for cancer.</a> BMJ. 385, e075859(2024).</li>
<li>Lian, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Directed+cardiomyocyte+differentiation+from+human+pluripotent+stem+cells+by+modulating+Wnt%2F%CE%B2-catenin+signaling+under+fully+defined+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Protoc%22%5BJournal%5D)">Directed cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells by modulating Wnt/β-catenin signaling under fully defined conditions.</a> Nat Protoc. 8 (1), 162-175 (2012).</li>
<li>Zhang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+quiescent+cardiac+fibroblasts+from+human+induced+pluripotent+stem+cells+for+in+vitro+modeling+of+cardiac+fibrosis%5BTitle%5D)+AND+%22Circ+Res%22%5BJournal%5D)">Generation of quiescent cardiac fibroblasts from human induced pluripotent stem cells for in vitro modeling of cardiac fibrosis.</a> Circ Res. 125 (5), 552-566 (2019).</li>
<li>Breckwoldt, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Differentiation+of+cardiomyocytes+and+generation+of+human-engineered+heart+tissue%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Protoc%22%5BJournal%5D)">Differentiation of cardiomyocytes and generation of human-engineered heart tissue.</a> Nat Protoc. 12 (6), 1177-1197 (2017).</li>
<li>Ronaldson-Bouchard, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+maturation+of+human+cardiac+tissue+grown+from+pluripotent+stem+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Advanced maturation of human cardiac tissue grown from pluripotent stem cells.</a> Nature. 556, 239(2018).</li>
<li>Rivera-Arbeláez, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+assessment+of+human-engineered+heart+tissues+using+deep+learning+and+template+matching+for+segmentation+and+tracking%5BTitle%5D)+AND+%22Bioeng+Transl+Med%22%5BJournal%5D)">Automated assessment of human-engineered heart tissues using deep learning and template matching for segmentation and tracking.</a> Bioeng Transl Med. 8 (3), e10513(2023).</li>
<li>Sala, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MUSCLEMOTION%3A+A+versatile+open+software+tool+to+quantify+cardiomyocyte+and+cardiac+muscle+contraction+in+vitro+and+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Circ+Res%22%5BJournal%5D)">MUSCLEMOTION: A versatile open software tool to quantify cardiomyocyte and cardiac muscle contraction in vitro and in vivo.</a> Circ Res. 122 (3), e5-e16 (2018).</li>
<li>Reyat, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+the+pathology+and+treatment+of+cardiac+fibrosis+in+vascularised+atrial+and+ventricular+cardiac+microtissues%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Cardiovasc+Med%22%5BJournal%5D)">Modeling the pathology and treatment of cardiac fibrosis in vascularised atrial and ventricular cardiac microtissues.</a> Front Cardiovasc Med. 10, 1156759(2023).</li>
<li>Park, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Materials+and+extracellular+matrix+rigidity+highlighted+in+tissue+damages+and+diseases%3A+Implication+for+biomaterials+design+and+therapeutic+targets%5BTitle%5D)+AND+%22Bioact+Mater%22%5BJournal%5D)">Materials and extracellular matrix rigidity highlighted in tissue damages and diseases: Implication for biomaterials design and therapeutic targets.</a> Bioact Mater. 20, 381-403 (2023).</li>
<li>Wunner, F. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Melt+electrospinning+writing+of+three-dimensional+poly%28%CE%B5-caprolactone%29+scaffolds+with+controllable+morphologies+for+tissue+engineering+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Melt electrospinning writing of three-dimensional poly(ε-caprolactone) scaffolds with controllable morphologies for tissue engineering applications.</a> J Vis Exp. 130, e55617(2017).</li>
<li>Robinson, T. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+next+frontier+in+melt+electrospinning%3A+Taming+the+jet%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Funct+Mater%22%5BJournal%5D)">The next frontier in melt electrospinning: Taming the jet.</a> Adv Funct Mater. 29 (44), 1904664(2019).</li>
<li>Kade, J. C., Dalton, P. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polymers+for+MELT+electrowriting%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Healthc+Mater%22%5BJournal%5D)">Polymers for MELT electrowriting.</a> Adv Healthc Mater. 10 (1), 2001232(2021).</li>
<li>Inchingolo, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polycaprolactone+in+bone+tissue+engineering%3A+A+comprehensive+review+of+innovations+in+scaffold+fabrication+and+surface+modifications%5BTitle%5D)+AND+%22J+Funct+Biomater%22%5BJournal%5D)">Polycaprolactone in bone tissue engineering: A comprehensive review of innovations in scaffold fabrication and surface modifications.</a> J Funct Biomater. 15 (9), 243(2024).</li>
<li>Mondadori, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessing+the+response+of+human+primary+macrophages+to+defined+fibrous+architectures+fabricated+by+melt+electrowriting%5BTitle%5D)+AND+%22Bioact+Mater%22%5BJournal%5D)">Assessing the response of human primary macrophages to defined fibrous architectures fabricated by melt electrowriting.</a> Bioact Mater. 21, 209-222 (2022).</li>
<li>Xu, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Melt-electrowriting-enabled+anisotropic+scaffolds+loaded+with+valve+interstitial+cells+for+heart+valve+tissue+Engineering%5BTitle%5D)+AND+%22J+Nanobiotechnology%22%5BJournal%5D)">Melt-electrowriting-enabled anisotropic scaffolds loaded with valve interstitial cells for heart valve tissue Engineering.</a> J Nanobiotechnology. 22 (1), 378(2024).</li>
<li>Ristovski, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+fabrication+of+melt+electrospun+tissue+engineering+scaffolds+using+direct+writing+and+advanced+electric+field+control%5BTitle%5D)+AND+%22Biointerphases%22%5BJournal%5D)">Improved fabrication of melt electrospun tissue engineering scaffolds using direct writing and advanced electric field control.</a> Biointerphases. 10 (1), 011006(2015).</li>
<li>Puluca, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioprinting+approaches+to+engineering+vascularized+3D+cardiac+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Cardiol+Rep%22%5BJournal%5D)">Bioprinting approaches to engineering vascularized 3D cardiac tissues.</a> Curr Cardiol Rep. 21 (9), 1-11 (2019).</li>
<li>Lu, T. Y., Xiang, Y., Tang, M., Chen, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+printing+approaches+to+engineer+cardiac+tissue%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Cardiol+Rep%22%5BJournal%5D)">3D printing approaches to engineer cardiac tissue.</a> Curr Cardiol Rep. 25 (6), 505-514 (2023).</li>
<li>Voges, H. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vascular+cells+improve+functionality+of+human+cardiac+organoids%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Rep%22%5BJournal%5D)">Vascular cells improve functionality of human cardiac organoids.</a> Cell Rep. 42 (5), 112322(2023).</li>
<li>Zhu, L., Liu, K., Feng, Q., Liao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cardiac+organoids%3A+A+3D+technology+for+modeling+heart+development+and+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Stem+Cell+Rev+Rep%22%5BJournal%5D)">Cardiac organoids: A 3D technology for modeling heart development and disease.</a> Stem Cell Rev Rep. 18 (8), 2593-2605 (2022).</li>
<li>Karbassi, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cardiomyocyte+maturation%3A+advances+in+knowledge+and+implications+for+regenerative+medicine%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Cardiol%22%5BJournal%5D)">Cardiomyocyte maturation: advances in knowledge and implications for regenerative medicine.</a> Nat Rev Cardiol. 17 (6), 341-359 (2020).</li>
<li>Carlos-Oliveira, M., Lozano-Juan, F., Occhetta, P., Visone, R., Rasponi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+strategies+of+mechanical+stimulation+for+maturation+of+cardiac+microtissues%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+Rev%22%5BJournal%5D)">Current strategies of mechanical stimulation for maturation of cardiac microtissues.</a> Biophys Rev. 13 (5), 717(2021).</li>
<li>Maihemuti, W., Murata, K., Abulaiti, M., Minatoya, K., Masumoto, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+electro-dynamic+stimulation+accelerates+maturation+of+engineered+cardiac+tissues+generated+by+human+iPS+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Biochem+Biophys+Res+Commun%22%5BJournal%5D)">Simultaneous electro-dynamic stimulation accelerates maturation of engineered cardiac tissues generated by human iPS cells.</a> Biochem Biophys Res Commun. 733, 150605(2024).</li>
<li>Wang, L., Serpooshan, V., Zhang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+human+cardiac+muscle+patch+constructs+for+prevention+of+post-infarction+LV+remodeling%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Cardiovasc+Med%22%5BJournal%5D)">Engineering human cardiac muscle patch constructs for prevention of post-infarction LV remodeling.</a> Front Cardiovasc Med. 8, 621781(2021).</li>
<li>Matveeva, V. G., Khanova, M. U., Antonova, L. V., Barbarash, L. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fibrin+%E2%80%93+A+promising+material+for+vascular+tissue+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Russ+J+Transplantol+Artif+Organs%22%5BJournal%5D)">Fibrin – A promising material for vascular tissue engineering.</a> Russ J Transplantol Artif Organs. 22 (1), 196-208 (2020).</li>
<li>Sproul, E. P., Hannan, R. T., Brown, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlling+fibrin+network+morphology%2C+polymerization%2C+and+degradation+dynamics+in+fibrin+gels+for+promoting+tissue+repair%5BTitle%5D)+AND+%22Methods+Mol+Biol%22%5BJournal%5D)">Controlling fibrin network morphology, polymerization, and degradation dynamics in fibrin gels for promoting tissue repair.</a> Methods Mol Biol. 1758, 85-99 (2018).</li>
</ol>

Autorzy nie pozostają w konflikcie interesów.

Aby wygenerować 3D złożony model minitkanki serca, który replikuje natywne cechy ludzkiego mięśnia sercowego, należy wziąć pod uwagę kilka istotnych czynników. Można je podzielić na trzy główne punkty: (1) optymalizacja wydajności i czystości komórek do produkcji tkanek, (2) drukowanie rusztowania fibrylarnego w celu naśladowania środowiska mechanicznego 3D oraz (3) integracja hydrożelu fibrynowego w procesie wytwarzania.
Niektóre z kluczowych kroków zapewniających pomyślny proces różnicowania...

Produkcja funkcjonalnych tkanek ludzkiego serca jest bardzo obiecująca dla zastosowań o dużym wpływie. Obejmują one rozwój modelowania kardiotoksyczności leków i chorób serca u ludzi oraz generowanie tkanek terapeutycznych o odpowiednich rozmiarach1. Chociaż w ciągu ostatnich 15 lat byliśmy świadkami znacznego postępu w tej dziedzinie, wytwarzanie wysoce mimetycznego ludzkiego mięśnia sercowego jest obecnie udaremniane przez trudności w odtworzeniu złożonej struktury i mechanicznej organizacji jego naturalnego odpowiednika2.
Z biologicznego punktu widzenia, rewolucyjna technologia przeprogramowania komórek otworzyła możliwość rozwoju komórek terapeutycznych dostosowanych do potrzeb pacjenta. Obecnie ludzkie indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (hiPSC) są jedynym źródłem ludzkich kardiomiocytów w spersonalizowanym kontekście. Wysoką wydajność kardiomiocytów można uzyskać dzięki solidnym protokołom różnicowania3,4. Kluczową kwestią jest stopień dojrzałości, ponieważ obecnie stosowane ludzkie kardiomiocyty pochodzące z hiPSC (hiPSC-CM) wykazują niedojrzały fenotyp w konwencjonalnych warunkach różnicowania 2D5. Jest to związane z faktem, że organizacja strukturalna tkanki serca jest bardzo złożona, absolutnie różna od konwencjonalnych kultur 2D. Ponadto mięsień sercowy składa się z różnych komórek sercowo-naczyniowych, w tym nie-miocytów, takich jak fibroblasty serca, mięśnie gładkie i komórki śródbłonka, uporządkowanych w określonej strukturze 3D, co umożliwia wydajne pompowanie krwi6,7. W związku z tym do wytworzenia fizjologicznie istotnych tkanek biomimetycznych potrzebne są wysoce ustrukturyzowane mini tkanki ludzkiego serca złożone ze wszystkich głównych typów komórek.
Zastosowanie nowatorskich metod biofabrykacji może przełamać ten impas. Wśród nich jest topione pisanie elektroprzędzeniem (MEW), zaawansowana technologia druku 3D, która jest w stanie zapewnić wysoką precyzję i rozdzielczość. W MEW pole elektryczne jest wykorzystywane do osadzania stopionego polimeru w postaci włókien w zakresie wielkości komórki, o rząd wielkości mniejszym niż konwencjonalne modelowanie osadzania topionego (FDM) drukowanie 3D, co skutkuje wysoce zdefiniowanymi strukturami rusztowań8,9. Wykazano, że MEW jest w stanie przekształcić złożony projekt in silico w drukowaną matrycę i dostroić właściwości fizyczne w 3D, aby pasowały do właściwości tkanki serca10. Korzystając z technologii MEW, możliwe jest drukowanie siatek polimerowych o różnych kształtach i strukturach, które w połączeniu z przyjaznymi dla miękkich komórek hydrożelami generują tkanki kompozytowe naśladujące mikro- i makromechaniczne środowisko rodzimego dorosłego mięśnia sercowego11,12. Wykazano, że modyfikacja projektu rusztowania MEW 3D zmienia wynikową funkcjonalność (stany przejściowe wapnia)10, ustanawiając podstawy do zrozumienia relacji forma-funkcja w tym obiecującym systemie zaprojektowanym przez 3D.
Tutaj podano szczegółowy protokół wytwarzania kurczliwych ludzkich mini tkanek serca z hiPSC-CM i ludzkich fibroblastów serca pochodzących z iPSC (hiPSC-CFs) oraz ich kombinacji w hydrożelu fibrynowym wzmocnionym strukturami wydrukowanymi w 3D MEW. Dodatek fibroblastów był szeroko stosowany w różnych systemach inżynierii 3D w celu zwiększenia przeżywalności hiPSC-CM i utrzymania struktury tkanki, ale jego zastosowanie w systemach 3D-MEW nie zostało jeszcze zbadane13. Opisana tutaj technologia stanowi wszechstronną platformę dla badaczy dążących do opracowania dokładnych modeli tkanek serca z zastosowaniami takimi jak zrozumienie mechanizmów choroby, toksykologia przedkliniczna i badania przesiewowe leków. Model ten nadaje się do oceny kardiotoksyczności uznanych leków, takich jak antracykliny (np. doksorubicyna), inhibitory kinazy tyrozynowej i nowe terapie, takie jak limfocyty T z chimerycznym receptorem antygenowym T (CAR-T), które są związane z dysfunkcją serca14. Co więcej, model ma znaczny potencjał w rozwoju medycyny regeneracyjnej, umożliwiając testowanie biomateriałów, biotuszy i terapii komórkowych mających na celu poprawę funkcji serca i odbudowę tkanki mięśnia sercowego w stanach takich jak zawał mięśnia sercowego.

<table><tbody><tr><td>&micro;-Slide Szkiełko nakrywkowe z 8 dołkami (IbiTreat)</td><td>IBIDI</td><td>80826</td><td></td></tr><tr><td>0,1% roztwór żelatyny (Embryomax)</td><td>Merck Millipore</td><td>ES-006-B</td><td></td></tr><tr><td>10% formalina</td><td>Sigma</td><td>Aldrich HT501128</td><td></td></tr><tr><td>płytki 12-dołkowe</td><td>Costar/Corning</td><td>3513</td><td></td></tr><tr><td>Płytki 6-dołkowe</td><td>Costar/Corning</td><td>3506</td><td></td></tr><tr><td>Zaawansowany DMEM 1x (ADMEM)</td><td>Gibco</td><td>12491015</td><td></td></tr><tr><td>Aprotynina z płuc bydlęcych</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A1153</td><td></td></tr><tr><td>B-27 SUPLEMENT PLUS INSULINA (50x)&nbsp;</td><td>Life Technologies</td><td>A317504044</td><td></td></tr><tr><td>SUPLEMENT B27, MINUS INSULINA (50x)</td><td>Life Technologies</td><td>A1895601</td><td></td></tr><tr><td>Stempel do biopsji (średnica 6 mm)</td><td>Medyczna</td> albumina surowicy bydlęcej <td>BP-60F</td><td></td></tr><tr><td>(BSA)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A9647</td><td></td></tr><tr><td>CHIR-99021&nbsp;</td><td>AXON MEDCHEM</td><td>AXON1386</td><td></td></tr><tr><td>Konfokalny laserowy mikroskop skaningowy</td><td>Zeiss</td><td>LSM 800</td><td></td></tr><tr><td>Kolba hodowlana 175 cm</td><td>Kolba hodowlana Greiner Bio-One</td><td>660175</td><td></td></tr><tr><td>75 cm</td><td>Cytometr Falcon</td><td>353136</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Beckman Coulter</td><td>CytoFlex&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>DAPI&nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>D9542</td><td></td></tr><tr><td>Przeciwciało anty-mysie IgG (H + L) o wysokiej adsorpcji krzyżowej, Alexa Fluor 488</td><td>Invitrogen</td><td>A-21202&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Przeciwciało drugorzędowe o wysokiej adsorpcji krzyżowej przeciwko królikowi IgG (H+L) osła, Alexa Fluor 594</td><td>Invitrogen</td><td>A-21207&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>DPBS (wolne od Mg2+, Ca2+)</td><td>Gibco</td><td>A314190094</td><td></td></tr><tr><td>EDTA 0,5 M pH 8,0</td><td>Life Technologies</td><td>AM9260G</td><td></td></tr><tr><td>ESSENTIAL 8 MEDIUM KIT</td><td>Life Technologies</td><td>A1517001</td><td></td></tr><tr><td>FGF2 (Rekombinowany ludzki FGF-zasadowy 154 a.a.)</td><td>Peprotech</td><td>100-18B</td><td></td></tr><tr><td>Fibrynogen z osocza bydlęcego</td><td>Sigma Aldrich</td><td>F8630</td><td></td></tr><tr><td>Pożywka do wzrostu fibroblastów 3 ZESTAW (FGM3)</td><td>PromoCell</td><td>C-23130</td><td></td></tr><tr><td>Zamiennik surowicy nokautującej (KSR)</td><td>Life Technologies</td><td>10828028</td><td></td></tr><tr><td>Mleczan (L-mleczan sodu)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>71718</td><td></td></tr><tr><td>Matrigel Growth Factor Reduced (MGFR) Matryca błony podstawnej, wolna od LDEV</td> Igła <td>Corning</td><td>354230</td><td></td></tr><tr><td>MEW 23-G Drukarka</td><td>Nordson</td><td>7018302</td><td></td></tr><tr><td>MEW</td><td>QUT, Queensland University of Technology</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Strzykawka MEW</td><td>Nordson</td><td>7012072</td><td></td></tr><tr><td>Mysie przeciwciało monoklonalne przeciw sercowej troponinie T</td><td>Invitrogen</td><td>MA5-12960&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Mysie przeciwciało monoklonalne anty-DDR2</td><td>Sigma Aldrich</td><td>SAB5300116</td><td></td></tr><tr><td>Mysie przeciwciało monoklonalne anty-&alfa-aktyniny (sarkomeryczne)</td><td>Sigma</td><td>Aldrich A7811&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>PENICYLINA - STREPTOMYCYNA</td><td>Life Technologies</td><td>15140122</td><td></td></tr><tr><td>Poly &epsilon;-kaprolakton (PCL), klasy medycznej</td><td>Corbion</td><td>PURASORB&reg; PC 12</td><td></td></tr><tr><td>Rekombinowane przeciwciało monoklonalne anty-wimentyny królika [EPR3776] - Marker cytoszkieletu</td><td>Abcam</td><td>Ab29547&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Kwas retinowy&nbsp;</td><td>Inhibitor Sigma Aldrich</td><td>R2625</td><td></td></tr><tr><td>ROCK Y-27632 (10mg)</td><td>Fisher Scientific</td><td>HB2297</td><td></td></tr><tr><td>RPMI 1640 (L-glutamina)</td><td>Gibco</td><td>21875034</td><td></td></tr><tr><td>RPMI 1640 (bez czerwieni fenolowej)</td><td>Gibco</td><td>32404014</td><td></td></tr><tr><td>RPMI bez glukozy</td><td>Gibco</td><td>11879020</td><td></td></tr><tr><td>SB431542</td><td>SELLECK CHEMICALS</td><td>S1067</td><td></td></tr><tr><td>Spektrofotometr&nbsp;</td><td>BMG Labtech&nbsp;</td><td>SPECTROstar Nano</td><td></td></tr><tr><td>Trombin (ludzka alfa trombina, czynnik IIa)</td><td>Laboratorium Badań Enzymatycznych HT</td><td>1002a</td><td></td></tr><tr><td>Triton X-100</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T8787</td><td></td></tr><tr><td>TrypLE Express</td><td>Life Technologies</td><td>12604021</td><td></td></tr><tr><td>Tween 20</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P2287</td><td></td></tr><tr><td>Wnt-C59</td><td>AXON MEDCHEM</td><td>AXON2287</td><td></td></tr></tbody></table>

generowanie 3d ludzkiej tkanki mięśnia sercowego przy użyciu elektroprzędzenia stopionego zapisu rusztowań polikaprolaktonowych i komórek serca pochodzących z hipsc

3D Human Myocardial Tissue Generation Using Melt Electrospinning Writing of Polycaprolactone Scaffolds and hiPSC-Derived Cardiac Cells

Rozwój funkcjonalnych tkanek ludzkiego serca niesie ze sobą duże nadzieje na postęp zastosowań w badaniach przesiewowych leków, modelowaniu chorób i medycynie regeneracyjnej. Protokół ten opisuje stopniowe wytwarzanie tkanek mięśnia sercowego 3D z zaawansowaną mimikrą natywnej struktury serca poprzez połączenie rusztowań polikaprolaktonu (PCL) z roztopionym zapisem elektroprzędzenia (MEW) z hydrożelami fibryny i komórkami serca pochodzącymi z ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych (hiPSC). Proces ten polega na osadzeniu mieszaniny kardiomiocytów (hiPSC-CM) i fibroblastów serca (hiPSC-CFs) w matrycy fibrynowej w celu stworzenia mini-tkanek, ze wsparciem strukturalnym zapewnianym przez rusztowania generowane przez MEW. Te rusztowania fibrylarne są wytwarzane w skali od mikro do nanoskali, co pozwala na precyzyjną kontrolę nad architekturą włókien, która odgrywa kluczową rolę w organizowaniu dystrybucji i wyrównania komórek. Tymczasem macierz fibrynowa wspomaga żywotność komórek i naśladuje środowisko zewnątrzkomórkowe. Charakterystyka wygenerowanych tkanek ujawnia dobrze zorganizowane sarkomery w obrębie hiPSC-CM, wraz ze stabilną aktywnością skurczową. Tkanki wykazują konsekwentne spontaniczne bicie już dwa dni po wysiewie, z utrzymującą się funkcjonalnością w czasie. Połączenie hiPSC-CF z hiPSC-CM zwiększa integralność strukturalną tkanek, jednocześnie wspierając długoterminową żywotność komórek. Podejście to oferuje powtarzalną, adaptowalną i skalowalną metodę tworzenia biomimetycznych modeli tkanek serca, zapewniając wszechstronną platformę do przedklinicznych testów leków, mechanistycznych badań chorób serca i potencjalnych terapii regeneracyjnych.

Charakterystyka dwuwymiarowych komórek sercowych pochodzących z hiPSC 
W celu wytworzenia wielofenotypowych tkanek serca, hiPSC-CM i hiPSC-CF są różnicowane i charakteryzowane niezależnie in vitro. Przy odpowiedniej optymalizacji i rygorystycznym utrzymaniu, poniższy protokół pozwoli uzyskać wydajność hiPSC-CM powyżej 80% około 9. dnia różnicowania, co prowadzi do powstania spontanicznie bijących komórek (Rysunek 1A). Ponadto wzbogacenie czystości poprzez selekcj...

Przedstawiono powtarzalną metodę generowania 3D tkanek mięśnia sercowego, łączących rusztowania polikaprolaktonu (PCL) i hydrożele fibrynowe pochodzące z hiPSC. Technika ta zapewnia precyzyjną kontrolę nad architekturą rusztowania i może być stosowana w przedklinicznych testach leków i modelowaniu chorób serca.

Generowanie 3D ludzkiej tkanki mięśnia sercowego przy użyciu elektroprzędzenia stopionego zapisu rusztowań polikaprolaktonowych i komórek serca pochodzących z hiPSC

The development of functional human cardiac tissues holds significant promise for advancing applications in drug screening, disease modeling, and ...

Badanie to ma na celu opracowanie biometrycznych tkanek serca 3D przy użyciu rusztowania elektrycznego ze stopu i ludzkich komórek serca pochodzących z iPSC w celu poprawy modelowania chorób, testowania leków i zastosowań medycyny regeneracyjnej. Wywołane przez człowieka doniesienia o kardiomiocytach komórek macierzystych pozostają niedojrzałe, co ogranicza ich funkcjonalność. Ponadto trudno jest odtworzyć poważną złożoność wymaganą do modelowania tkanki serca w 3D.Model ten lepiej naśladuje natywny mięsień sercowy, umożliwiając złożone interakcje 3D macierzy zewnątrzkomórkowej w celu modelowania chorób, testowania leków i zastosowań specyficznych dla pacjenta. Stanowi bardziej odpowiednią alternatywę dla kultur 2D i modeli zwierzęcych. Idąc dalej, nasze badania będą koncentrować się na badaniu modeli kardiomikologicznych, ulepszaniu protokołów dojrzewania tkanek 3D i opracowywaniu większych konstruktów do przedklinicznych terapii zawału mięśnia sercowego w dużych modelach zwierzęcych, takich jak świnie.Aby rozpocząć, podłącz strzykawkę do rurki doprowadzającej azot pod ciśnieniem i wprowadź ją do komory grzewczej. Włącz sprzęt do elektroprzędzenia ze stopu i ustaw regulatory temperatury na 80 stopni Celsjusza dla komory i 65 stopni Celsjusza dla dyszy. Po 30 minutach przesuń płytę zbierającą, aż głowica drukująca znajdzie się na jednej krawędzi płyty lub w dowolnym żądanym miejscu.Ręcznie wyreguluj odległość między komorą grzewczą a płytą kolektora do 10 milimetrów w płaszczyźnie z. Zamknij drzwi urządzenia, które automatycznie łączy się z zasilaniem polem elektrycznym. Ustaw napięcie na siedem kilowoltów w ciśnieniu azotu na dwa bary do wytłaczania przez końcówkę o rozmiarze 23.Załaduj kod G projektu do oprogramowania, aby wydrukować rusztowania z geometrią wzoru kwadratowego. Dostosuj prędkość kolektora do 1080 milimetrów na minutę. Następnie naciśnij przycisk Cycle Start, aby rozpocząć drukowanie.Po zakończeniu drukowania ostrożnie zdejmij rusztowanie z kolektora. Wytnij wydrukowaną siatkę za pomocą stempla o średnicy sześciu milimetrów, aby uzyskać końcowe rusztowania do produkcji tkanek. Traktuj rusztowania przez pięć minut plazmą tlenową.Wysterylizuj siatki, zanurzając je w 70% etanolu na 30 minut. Umyj je obficie sterylną wodą destylowaną przez 30 minut, a następnie pozostaw do wyschnięcia. Po odłączeniu ludzkich kardiomiocytów iPSC należy ponownie zawiesić osad komórkowy w pożywce do wytwarzania tkanek i policzyć komórki za pomocą komory Neubauera.Podobnie, po odłączeniu ludzkich fibroblastów serca iPSC, ponownie zawiesić osad komórkowy w pożywce do wytwarzania tkanek i policzyć komórki. Wymieszaj potrzebną całkowitą liczbę komórek w nowej probówce i odnoś się do zawartości jako Cell Mix. I wirować w temperaturze 300G przez pięć minut w temperaturze pokojowej.Następnie ponownie zawiesić mieszaninę komórkową w wymaganej objętości pożywki do wytwarzania tkanek. Aby wytworzyć mieszankę hydrożelową, dodaj wymaganą objętość fibrynogenu do probówki w temperaturze pokojowej i dokładnie wymieszaj. Wysiewaj mieszankę hydrożelową na powierzchni politetrafluoroetylenu, aby zapobiec przywieraniu fibryny do płytki.Odpipetuj połowę objętości tkanki, pozostawiając ją w postaci kropli. Umieść rusztowanie polikaprolaktonu lub PCL na każdej kropli i dodaj pozostałą objętość na rusztowanie. Teraz dodaj wymaganą ilość trombiny i szybko wymieszaj hydrożel, ostrożnie unikając pęcherzyków.Inkubuj tkanki w temperaturze 37 stopni Celsjusza przez godzinę, aby zakończyć polimeryzację fibryny. Delikatnie podnieś każdą tkankę za krawędź za pomocą sterylnej pęsety i przenieś je na 12-dołkowe płytki zawierające pożywkę do generowania tkanek uzupełnioną aprotyniną. Inkubuj tkanki w temperaturze 37 stopni Celsjusza przez 24 godziny.Następnego dnia odświeżyć pożywkę dwoma mililitrami pożywki do konserwacji tkanek, usuwając pozostałości KSR i Y-27. Wysiew mieszaniny ośmiu do dwóch ludzkich kardiomiocytów iPSC i ludzkich fibroblastów serca iPSC do hydrożeli fibrynowych powoduje równomierne rozmieszczenie komórek w porach rusztowania w ciągu jednej godziny po polimeryzacji. Konfokalne obrazy immunofluorescencyjne wykazały mieszany rozkład komórek w tkance 3D oddziałującej z rusztowaniem PCL, przy czym większość ludzkich kardiomiocytów iPSC wybarwionych na obecność aktyniny sarkomerycznej przemieszczonych z ludzkimi fibroblastami serca iPSC znakowanymi wimentyną.Ludzkie kardiomiocyty iPSC wykazują dobrze zorganizowaną strukturę sarkomerową dzięki regularnie rozmieszczonemu sarkomerowemu białku aktyniny. Komórki zaczęły spontanicznie bić w drugim dniu ze średnią częstotliwością dudnień 30 uderzeń na minutę w siódmym dniu, wykazując ustabilizowany skurcz w całej siatce. Z czasem zaobserwowano stopniowy spadek, osiągając 17 uderzeń na minutę w 14 dniu.Mimo to aktywność metaboliczna pozostała stabilna między siódmym a czternastym dniem, potwierdzając trwałą żywotność komórek. Wreszcie, analiza punktów śledzenia bijących tkanek wykazała prędkość skurczu 38 mikrometrów na sekundę i amplitudę skurczu 29 mikrometrów.

3d-human-myocardial-tissue-generation-using-melt-electrospinning

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Generowanie wyrównanej tkanki mięśnia sercowego jest kluczowym wymogiem dla dostosowania najnowszych osiągnięć w biologii komórek macierzystych do klinicznie użytecznych celów. W tym artykule opisujemy podejście do druku mikrokontaktowego w celu precyzyjnej kontroli kształtu i funkcji komórki. Korzystając z wysoce oczyszczonych populacji embrionalnych komórek progenitorowych serca pochodzących z embrionalnych komórek macierzystych, generujemy anizotropową funkcjonalną tkankę mięśnia sercowego.

Generowanie wyrównanej funkcjonalnej tkanki mięśnia sercowego poprzez drukowanie mikrokontaktowe

Ten manuskrypt opisuje tworzenie zdefiniowanych tkanek serca za pomocą ekspresji markerów powierzchniowych i sortowania komórek. Zdefiniowane tkanki mogą być następnie wykorzystane w bioreaktorze wielotkankowym do zbadania mechanizmów terapii komórkami serca w celu zapewnienia funkcjonalnego, a jednocześnie kontrolowanego systemu modelowego ludzkiego serca.

Budowa zdefiniowanych tkanek serca zaprojektowanych przez człowieka w celu zbadania mechanizmów terapii komórkami serca

Ten protokół opisuje biodrukowanie 3D tkanki serca bez użycia biomaterials. 3D biodrukowane plastry serca wykazują mechaniczną integrację sferoid składowych i są bardzo obiecujące w regeneracji tkanki serca oraz jako modele 3D chorób serca.

Tworzenie tkanki serca wykazującej mechaniczną integrację sferoid za pomocą biodruku 3D

Ten protokół opisuje metodę opartą na pleśni sieciowej do tworzenia trójwymiarowych, wolnych od rusztowań tkanek serca o zadowalającej integralności strukturalnej i synchronicznym zachowaniu bicia.

Oparta na formie metoda trójwymiarowego tworzenia tkanki serca bez rusztowań

Obecny protokół generuje siatkowe tkanki serca zawierające komórki sercowo-naczyniowe pochodzące z ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych, aby umożliwić badanie terapii implantacji komórek w chorobach serca.

Przygotowanie zmodyfikowanych tkanek serca w kształcie siatki pochodzących z ludzkich komórek iPS do naprawy mięśnia sercowego in vivo

Tutaj opisujemy łatwą w użyciu metodologię generowania 3D samodzielnie składających się układów mikrotkanek serca składających się z wcześniej zróżnicowanych, indukowanych przez człowieka pluripotencjalnych kardiomiocytów pochodzących z komórek macierzystych, fibroblastów serca i komórek śródbłonka. Ta przyjazna dla użytkownika i wymagająca niewielkiej liczby komórek technika generowania mikrotkanek serca może zostać wdrożona do modelowania chorób i wczesnych etapów opracowywania leków.

Wytwarzanie matryc mikrotkanek serca 3D przy użyciu ludzkich kardiomiocytów pochodzących z iPSC, fibroblastów serca i komórek śródbłonka

Celem tego protokołu jest wyjaśnienie i zademonstrowanie rozwoju trójwymiarowego (3D) modelu mikroprzepływowego wysoce wyrównanej tkanki serca ludzkiego, składającej się z kardiomiocytów pochodzących z komórek macierzystych hodowanych wspólnie z fibroblastami serca (CF) w biomimetycznym hydrożelu na bazie kolagenu, do zastosowań w inżynierii tkankowej serca, badaniach przesiewowych leków i modelowaniu chorób.

Opracowywanie zorganizowanej w 3D ludzkiej tkanki serca w ramach platformy mikroprzepływowej

Przedstawiona metoda oferuje innowacyjny sposób inżynierii biomimetycznych struktur włókien w trójwymiarowych (3D) rusztowaniach (np. listkach zastawek serca). 3D wydrukowane, przewodzące geometrie zostały użyte do określenia kształtu i wymiarów. Orientacja i charakterystyka włókien były indywidualnie regulowane dla każdej warstwy. W jednej konfiguracji można wyprodukować wiele próbek.

Połączenie druku 3D i elektroprzędzenia w celu produkcji biomimetycznych listków zastawek serca

Prezentowany tutaj jest zestaw protokołów do generowania i kriokonserwacji sferoid serca (CS) z ludzkich pluripotencjalnych kardiomiocytów pochodzących z komórek macierzystych, hodowanych w wysokoprzepustowym, wielowymiarowym formacie. Ten trójwymiarowy model funkcjonuje jako solidna platforma do modelowania chorób, wysokoprzepustowych badań przesiewowych i zachowuje swoją funkcjonalność po krioprezerwacji.

Generowanie, wysokoprzepustowe badania przesiewowe i biobankowanie indukowanych przez człowieka pluripotencjalnych sferoid serca pochodzących z komórek macierzystych

Użycie światła do kontrolowania komórek i tkanek serca umożliwia bezkontaktową stymulację, zachowując w ten sposób naturalny stan i funkcję komórek, co czyni ją wartościowym podejściem zarówno do badań podstawowych, jak i zastosowań terapeutycznych.

Mikrofizjologiczny system serca do badania propagacjiCa2+ za pomocą niegenetycznej stymulacji optycznej

Poznaj metodę elektroprzędzenia stopionego do tworzenia 3D tkanki mięśnia sercowego z komórek hiPSC. Technika ta poprawia modelowanie chorób i testowanie leków, oferując dokładniejszą alternatywę dla kultur 2D.

Generowanie 3D ludzkiej tkanki mięśnia sercowego przy użyciu elektroprzędzenia stopionego zapisu rusztowań polikaprolaktonowych i komórek serca pochodzących z hiPSC (Wideo) | JoVE Journal

Generowanie 3D ludzkiej tkanki mięśnia sercowego przy użyciu elektroprzędzenia stopionego zapisu rusztowań polikaprolaktonowych i komórek serca pochodzących z hiPSC

Przeglądaj więcej filmów