Esse protocolo possibilita a geração de cardioióides auto-organizáveis à base de cardiomiócitos a partir de células-tronco pluripotentes induzidas humanas para avaliação microscópica da captação de oligonucleotídeos marcados fluorescente.
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Esse protocolo possibilita a geração de cardioióides auto-organizáveis à base de cardiomiócitos a partir de células-tronco pluripotentes induzidas humanas para avaliação microscópica da captação de oligonucleotídeos marcados fluorescente.
Terapêuticas baseadas em oligonucleotídeos representam uma classe de medicamentos em rápido progresso com potencial significativo para tratar doenças cardiovasculares; No entanto, alcançar uma entrega eficiente ao tecido cardíaco continua sendo um desafio crítico e não resolvido. Um obstáculo chave é a disponibilidade limitada de modelos humanos in vitro robustos e fisiologicamente relevantes, capazes de apoiar a avaliação quantitativa da captação celular de oligonucleotídeos e da distribuição intracelular. Um protocolo detalhado e passo a passo é apresentado para gerar cardioides 3D auto-organizativos a partir de células-tronco pluripotentes induzidas humanas (iPSCs) e aplicá-los como plataforma para avaliar a absorção de oligonucleotídeos marcados fluorescentemente. O protocolo orienta os usuários através da diferenciação cardíaca dirigida em cultura em suspensão, modulando temporalmente a sinalização Wnt/β-catenina, permitindo a especificação sequencial dos iPSCs através dos estágios progenitores do mesoderma, mesoderma cardíaco e cardiomiócitos. Nessas condições, as células se auto-montam espontaneamente em estruturas tridimensionais batentes, contendo cavidades, que expressam marcadores canônicos de cardiomiócito. Os cardióides resultantes fornecem uma plataforma escalável e experimentalmente manejável para avaliação baseada em imagem da eficiência da absorção de oligonucleotídeos, apoiando o desenvolvimento e otimização de estratégias de administração para aplicações cardíacas.
Terapêuticas baseadas em oligonucleotídeos, principalmente oligonucleotídeos antissenso (ASOs) e pequenos RNAs interferentes (siRNAs), estão rapidamente emergindo como uma abordagem transformadora e altamente específica para o tratamento de uma ampla gama de doenças, incluindo condições hereditárias e adquiridas 1,2,3. Essas modalidades possibilitam a modulação direta da expressão gênica no nível de mRNA por meio da ligação específica da sequência a transcritos-alvo, possibilitando o silenciamento gênico ou a correção de emenda de genes associados a doenças que muitas vezes são inacessíveis às terapias convencionais de pequenasmoléculas 4,5. Assim, as terapias genéticas baseadas em oligonucleotídeos fornecem uma plataforma versátil para direcionar diversos mecanismos patogênicos em múltiplas áreas de doença, incluindo distúrbioscardiovasculares 6. Até o momento, vários terapêuticos baseados em oligonucleotídeos, incluindo ASOs, siRNAs e agentes de troca de empalmas, foram aprovados para usoclínico 7. Apesar desse progresso, sua eficácia terapêutica tanto em ambientes pré-clínicos quanto clínicos permanece limitada pela entrega intracelularineficiente 8. Estimativas atuais indicam que menos de 1% dos oligonucleotídeos internalizados escapam dos compartimentos endossmais para alcançar o citossol e engajar seu RNA-alvo, limitando assim a atividadefuncional 9,10. Essa limitação é particularmente pronunciada no tecido cardíaco, onde a captação e o tráfico intracelular são pouco compreendidos.
Historicamente, a avaliação pré-clínica de terapias cardiovasculares tem dependido fortemente de modelos animais, que continuam sendo indispensáveis para avaliar farmacocinética, biodistribuição, eficácia e segurança in vivo. No entanto, diferenças importantes entre espécies na fisiologia cardíaca, regulação gênica e respostas celulares frequentemente limitam sua capacidade de prever com precisão a eficácia terapêutica e a toxicidade em humanos. Essas limitações impulsionaram o desenvolvimento de modelos in vitro baseados em humanos, com maior relevância fisiológica. Entre elas, a tecnologia de células-tronco pluripotentes induzidas humanas (iPSC) revolucionou a modelagem de doenças cardiovasculares ao fornecer uma fonte praticamente ilimitada de células que podem ser diferenciadas em linhagens cardiovasculares. Os cardiomiócitos derivados de iPSC (iPSC-CMs) humanos recapitulam muitas das propriedades moleculares, estruturais e funcionais do miocárdio humano e tornaram-se uma plataforma amplamente adotada para investigar mecanismos de doenças, respostas a medicamentos e modalidades terapêuticasemergentes 11. No entanto, culturas bidimensionais convencionais de iPSC-CMs humanos apresentam limitações importantes. A maioria dos protocolos de diferenciação gera cardiomiócitos que se assemelham a células fetais em vez de adultas, exibindo propriedades estruturais, eletrofisiológicas, metabólicas e contráteisimaturas 12.
Além disso, as culturas monocamada carecem da arquitetura tecidular tridimensional (3D), das interações multicelulares e da composição da matriz extracelular que influenciam a função cardiomiócita in vivo. Para enfrentar esses desafios, modelos cardíacos 3D cada vez mais sofisticados foramdesenvolvidos 13. Entre eles, tecidos cardíacos engenheirados (EHTs), gerados pela incorporação de iPSC-CMs em andaimes de biomateriais e pela aplicação de estimulação mecânica e elétrica, promovem a maturação estrutural e funcional enquanto reproduzem mais de perto o ambiente biomecânico do miocárdionativo 13. Embora os EHTs ofereçam plataformas altamente relevantes fisiologicamente para modelagem de doenças e testes de medicamentos, sua geração normalmente requer expertise especializada em bioengenharia e equipamentos dedicados. No outro extremo do espectro, os cortes de tecido cardíaco ex vivo preservam de forma mais fiel a arquitetura nativa do tecido e a composição celular, mas dependem do acesso ao tecido cardíaco primário, têm viabilidade limitada em cultura e não são facilmente escaláveis.
Mais recentemente, organoides cardíacos surgiram como sistemas modelo 3D acessíveis que recapitulam aspectos-chave da organização e função do tecidocardíaco 14. Os cardióides são organoides cardíacos auto-assemblantes compostos predominantemente por cardiomiócitos que passam por especificação intrínseca, padrão espacial e morfogênese para formar estruturas semelhantes a câmaras contendocavidades 15,16. Métodos para formar cardióides normalmente dependem de uma ativação inicial da sinalização Wnt para induzir a especificação do mesoderma, seguida por inibição subsequente para promover o comprometimento da linhagem cardíaca. Os cardióides podem ser gerados em culturas estáticas ou em suspensão agitada, que apoiam a produção escalável e aprimoram a auto-organização dos tecidos 15,16,17,18,19. Organoides cardíacos mais complexos, multilinhagem, incorporando tipos celulares endoteliais, epicárdicos ou outros, aumentam ainda mais a relevância fisiológica, mas exigem protocolos de diferenciação mais elaborados, períodos de cultivo mais longos e otimizaçãoextensa 13,14.
Um protocolo simples, reproduzível e eficiente é apresentado para gerar cardioides auto-organizáveis à base de cardiomiócitos a partir de iPSCs humanos e aplicá-los para avaliar a captação de oligonucleotídeos marcados fluorescentemente. O protocolo deve ser valioso para pesquisadores que buscam otimizar a química dos oligonucleotídeos e as estratégias de administração para aplicações cardiovasculares. Todos os materiais utilizados neste estudo estão listados na Tabela de Materiais.
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1. Cultura e preparação de iPSCs para diferenciação
ATENÇÃO: Realize todo manuseio aberto de células e meios em um gabinete de biossegurança certificado Classe II. Use jaleco e luvas. Descontamine superfícies de trabalho e resíduos líquidos com um desinfetante apropriado.
2. Preparação de agregados iPSC em placas de micropoços
3. Expansão de agregados iPSC em micropoços
4. Diferenciação cardíaca de agregados de iPSC (Dia 0 a Dia 12)
5. Caracterização microscópica de cardióides
NOTA: Este método fornece um fluxo de trabalho para a caracterização histológica dos cardióides usando criossecções. As seções resultantes podem ser usadas para uma variedade de análises histológicas, incluindo coloração de hematoxilina e eosina (H&E) para avaliar a arquitetura geral do tecido e marcação de imunofluorescência para avaliar a identidade dos cardiomiócitos.
6. Ensaio de captação de oligonucleotídeos fluorescentes
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A Figura 1 resume o fluxo de trabalho de diferenciação e ilustra as mudanças morfológicas características esperadas em cada etapa do protocolo, desde a agregação de iPSC até a formação de cardioides auto-organizados. A agregação de micropoços baseada em suspensão oferece uma abordagem simples e padronizada para a geração paralela de grandes quantidades de cardioides controlados por tamanho. A diferenciação bem-sucedida é caracterizada pela geração de agregad...
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Terapêuticas baseadas em oligonucleotídeos emergiram como uma classe poderosa de modalidades de direcionamento gênico, apoiadas por décadas de avanços na química dos oligonucleotídeos que melhoraram a especificidade do alvo, a estabilidade metabólica e a tolerabilidadeimunogênica 7,8. Apesar do número crescente de terapias com RNA clinicamente aprovadas, sua aplicação mais ampla permanece limitada pela entrega intracelular
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Os autores declaram não haver interesses concorrentes.
Agradecemos aos membros do Novo Nordisk Foundation Challenge Center for Optimized Oligo Escape, especialmente Knud Jensen pelo design e síntese de oligonucleotídeos, e a Nikos S. Hatzakis e Tomas Kirchhausen por orientações valiosas sobre imagens quantitativas e análise de tráfico intracelular. Esse trabalho foi financiado pelo Novo Nordisk Foundation Challenge Center for Optimized Oligo Escape (NNF23OC0081287). M.F. recebeu uma bolsa da Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), Portugal (2020.04836.BD). Agradecemos à GIMM Bioimaging e às Plataformas de Histopatologia GIMM (Lisboa, Portugal) pela assistência técnica.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 4', 6-diamidino-2'-phenylindole, dihydrochloride | Thermo Scientific | 62248 | DAPI |
| 10× dry objective | Zeiss | EC Plan-Neofluar 10×/0.30 | |
| 40× water objective | Zeiss | LD C-Apochromat 40×/1.10 Corr | |
| 63× oil-immersion objective | Zeiss | Plan-Apochromat 63×/1.40 Oil DIC M27 | |
| 800-µm microwell aggregation plate | STEMCELL Technologies | 34815 | AggreWell 800 |
| Andor Neo 5.5 sCMOS camera | Andor | Andor Neo 5.5 | |
| Antifade mounting medium | Vector Laboratories | H-1000-10 | VECTASHIELD Antifade Mounting Medium |
| B27 supplement minus insulin, 50× | Gibco | A18956-01 | B27 Minus Insulin 50× |
| B27 supplement with insulin, 50× | Gibco | 17504-044 | B27 Supplement 50× |
| Basal Medium | Gibco | 21875-034 | RPMI 1640 |
| Basement-membrane matrix | Gibco / Corning | A14132-02 / 354230 | Geltrex LDEV-Free / Matrigel LDEV-Free |
| brightfield microscope | EVOS | EVOS XL Core Imaging Microscope | |
| Cell detachment solution | STEMCELL Technologies | 07922 | ACCUTASE |
| confocal microscope | ZEISS | ZEISS LSM 980 with Airyscan 2 Microscope | |
| Defined feeder-free iPSC maintenance medium | STEMCELL Technologies | 100-0276 | mTeSR Plus |
| DMEM/F12 | Gibco | 31331-028 | DMEM/F12 |
| Non-treated 6-well plate | Avantor (VWR) | 734-2777 | Untreated 6-well Plate |
| Phalloidin | Thermo Scientific | A22287 | Phalloidin Labeling Probes ALexa 647 |
| Phosphate-buffered saline (1× PBS) | Gibco | 14190-144 | DPBS 1× |
| primary antibody c-MYBPC3 | Santa Cruz | sc-137181 | MYBPC3 Antibody (F-1) |
| ROCK inhibitor | STEMCELL Technologies | 72304 | ROCK Inhibitor (Y-27632) |
| Secondary antibody (green) | Thermo Scientific | A-11017 | F(ab')2-Goat anti-Mouse IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 |
| Washing medium supplement | Gibco | 10828028 | KnockOut Serum Replacement |
| WGA, Alexa Fluor™ 488 conjugate | Invitrogen | W11261 | WGA |
| widefield microscope | Nikon | Nikon Eclipse Ti | |
| WNT pathway inhibitor | STEMCELL Technologies | 72552 | IWP4 |
| Wnt/β-catenin pathway activator | Sigma | SML1046 | CHIR99021 |
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