Generierung von murinen Herzschrittmacher Zellaggregate Basierend auf ES-Zell-Programmierung in Kombination mit Myh6-Promoter-Auswahl
Summary
Dieses Protokoll beschreibt die Funktionssinusknotengewebe von Maus pluripotente Stammzellen (PSC) zu produzieren. T-Box3 (TBX3) Überexpression sowie Herz-Myosin-Schwerketten (Myh6) Promoter Antibiotika-Selektion führt zu hochreinem Schrittmacher Zellaggregate. Diese "Verursachen-Sinusknoten-Stellen" ("iSABs") enthalten mehr als 80% Schrittmacherzellen, zeigen stark erhöhte schlagRaten und können Myokard ex vivo zu stimulieren.
Abstract
Die Behandlung des "Sick-Sinus-Syndrom" wird auf Kunstherzschrittmachern basiert. Diese mit Gefahren, wie zB Batterieausfall und Infektionen. Außerdem fehlt ihnen Hormonempfindlichkeit und das gesamte Verfahren ist kostenintensiv. "Biologische Herzschrittmacher" von PSCs erzeugt wird, kann eine Alternative sein, aber der typische Inhalt der Schrittmacherzellen in embryonale Körper (EVG) ist extrem niedrig. Die beschriebenen Protokoll verbindet "forward-Programmierung" von murinen PSCs über den Sinusknoten Induktor TBX3 mit Myh6-Promotors auf der Basis Antibiotika-Selektion. Dies führt zu Kardiomyozyten Aggregate konsequent von> 80% physiologisch funktionellen Schrittmacherzellen. Diese "induzierten Sinusknoten-Stellen" ("iSABs") werden spontan kontra bei noch unerreichten Frequenzen (400-500 bpm), die Knoten Zellen aus Mäuseherzen isoliert und können murine Myokard ex vivo zu stimulieren. Mit dem beschriebenen Protokoll hochreines SinusKnoteneinzelzellen erzeugt werden, die beispielsweise für in vitro Arzneimitteltests verwendet werden kann. Weiterhin können die nach diesem Protokoll erzeugt iSABs ein entscheidender Schritt in Richtung Herzgewebetechnik geworden.
Introduction
Der Begriff "Sick-Sinus-Syndrom", fasst mehrere Erkrankungen, die zu einer Verschlechterung der Herzschrittmacher-System. Es besteht aus pathologischer, symptomatische Sinusbradykardie, Sinusknoten-Block, Sinusstillstand sowie die Tachykardie Bradykardie-Syndrom. Dadurch wird ein "krankes Sinus-Syndrom" oft durch allgemeinen Herzerkrankungen begleitet, wie eine koronare Herzkrankheit, Herzmuskelerkrankungen oder Herzmuskelentzündung. Derzeit werden therapeutische Ansätze über die Implantation elektrischen Schrittmacher basiert. Allerdings geht dies zusammen mit einer Reihe von Risiken wie Infektionen und Batterieausfall. Insgesamt ist die Häufigkeit von Komplikationen wie vor sehr hoch bei Patienten mit einem Herzschrittmacher implantiert. Weiterhin, im Gegensatz zu dem endogenen Schrittmacher, diese Geräte nicht auf Hormonstimulation reagieren.
Eine zukünftige Alternative kann von der Verfügbarkeit von "biologischen Schrittmacher" für die PSCs dienen könnte verlassenAls geeignetes Zellquelle und dem auch für In-vitro-Drogen-Test von hohem Wert sein. Dennoch liegt ein großes Problem in der sehr seltenen Auftreten von Sinusknotenzellen in embryonale Körper (EVG) – dies in der Regel nicht ~ 0,5% 1 überschreitet.
Zuvor wurde gezeigt, dass "zukunfts Programmierung" auf bestimmte Subtypen Kardiomyozyten möglich ist über die Überexpression von verschiedenen frühen Herz-Kreislauf Transkriptionsfaktoren wie Mesoderm spezifische-posterior 1 (MesP1) und NK2 Transkriptionsfaktor bezogen, locus 5 (Nkx2.5) 2, 3. Für normale Größe und Funktion der Sinusknoten (SAN) ist der T-Box-Transkriptionsfaktor TBX3 entscheidend, was gezeigt worden ist, um den Schrittmacher-Gen-Programm zu initiieren und Differenzierung des SAN 4 steuern. Obwohl diese verbesserte das Aussehen des Funktionsschrittmacherzellen, deren Inhalt noch nicht ~ 40% in der gesamten Zellpopulation cardiomyocytic überschreiten.
Daher wurde eine zusätzliche Myh6-Promotor basiert antibiotische Selektion Schritt 5 von uns vorstellen. Dies führt letztlich zu noch unbeobachtet Kardiomyozyten Aggregate ("induzierte sinuatrialer Stellen;" iSABs "), die stark erhöhte schlagen Frequenzen (> 400 min) in vitro zeigen, zum ersten Mal die denen eines murinen Herzen und vergleichbar mit in vitro kultivierten Sinusknotenzellen aus einer Maus-Herz 6 isoliert. Unter Isoprenaline Verwaltung selbst schlagen Frequenzen von 550 Schlägen pro Minute erreicht. Bemerkenswert ist, iSABs bestehen aus mehr als 80% Funktionsknotenzellen, wie aus physiologischen umfangreiche Analysen 7. Kürzlich wurden mehrere Ansätze für die Sinusknotenzellen erzeugen mit Gleich Umprogrammierung 19, Oberflächenmarkierungen 14 oder pharmakologische Behandlung mit kleinen Molekülen 16,17 wurden beschrieben. Doch keines dieser Verfahren führte zu einer so hohen Reinheit von Schrittmacherzellen und Schlagen Frequenzen nahe dem murinen erKunst als in iSABs beobachtet.
Darüber hinaus wird in einem ex vivo Modell der kultivierten adulten Maus ventrikuläre Scheiben, die ihren spontanen Schlagaktivität verloren haben, sind die iSABs Lage die Integration in die Scheibe Gewebe und damit spontan aktiv bleiben und kräftig Tempo der Herzscheiben zu Kontraktionen 7. Ein detailliertes Protokoll für die Erzeugung dieser iSABs ist in diesem Papier beschrieben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Fähigkeit zur Produktion von Stammzell eine Herzschrittmacherzellen kann Rekonstitution der richtigen Herzrhythmus in dem Sinne von "biologischen Schrittmacher" ermöglichen. Ebenso wird Drogentests in vitro von deren Verfügbarkeit profitieren. PSCs können zu jedem Zelltyp des Säugetierkörpers einschließlich Herzmuskelzellen mit Herzschrittmacher Zelleigenschaften 8,9,10,11,12,13 geben. Allerdings, in der Regel die Zellpopulationen im "Embryoid Bodies" sind sehr heterogen, was zw…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Materials
| Name of the Material/Equipment | Company | Catalog Number |
| Iscove's liquid medium with stable glutamine | Biochrom AG | FG 0465 |
| DMEM liquid medium without Na-pyruvate, with stable glutamine | Biochrom AG | FG 0435 |
| CLS type IV, CLS IV | Biochrom AG | C4-22 |
| Non-essential amino acids | Biochrom AG | K 0293 |
| FBS Superior | Biochrom AG | S 0615 |
| Sodium pyruvate (100 mM) | Biochrom AG | L 0473 |
| G 418-BC liquid (ready-to-use solution), sterile | Biochrom AG | A 2912 |
| Reagent reservoir PP f.multichannel pip. 60ml,sterile | Brand | 703409 |
| Accutase | eBioscience,Inc. | 00-4555-56 |
| Eppendorf Xplorer/Xplorer plus, electronic pipette | Eppendorf | 4861000155 |
| Falcon Cell Strainer 40µm | Falcon | 352340 |
| Penicillin/Streptomycin | GE Healthcare | P11-010 |
| Petri Dishes | Greiner BioOne | 663102 |
| DPBS without Ca and Mg | PAN-Biotech | P04-36500 |
| Fetal bovine serum | PAN-Biotech | P30-3302 |
| Leukemia inhibitory factor | Phoenix Europe GmbH | LIF-250 |
| Quadratic petri dishes | Roth | PX67.1 |
| Gelatin from cold water fish skin | SigmaAldrich | G7765 |
| 2-Mercaptoethanol | SigmaAldrich | M3148 |
| 1-Thioglycerol | SigmaAldrich | M6145 |
| Tissue culture dishes | TPP | 93100 |
| Tissue culture flask | TPP | 90076 |
| Tissue culture test plates (24 well) | TPP | 92424 |
References
- Wobus, A. M., Wallukat, G., Hescheler, J. Pluripotent mouse embryonic stem cells are able to differentiate into cardiomyocytes expressing chronotropic responses to adrenergic and cholinergic agents and Ca2+ channel blockers. Differentiation. 48 (3), 173-182 (1991).
- David, R., et al. MesP1 drives vertebrate cardiovascular differentiation through Dkk-1-mediated blockade of Wnt-signalling. Nat Cell Biol. 10, 338-345 (2008).
- David, R., et al. Forward programming of pluripotent stem cells towards distinct cardiovascular cell types. Cardiovasc Res. 84 (2), 263-272 (2009).
- Hoogaars, W. M., et al. Tbx3 controls the sinoatrial node gene program and imposes pacemaker function on the atria. Genes Dev. 21 (9), 1098-1112 (2007).
- Klug, M. G., Soonpaa, M. H., Koh, G. Y., Field, L. J. Genetically selected cardiomyocytes from differentiating embronic stem cells form stable intracardiac grafts. J Clin Invest. 98 (1), 216-224 (1996).
- Marger, L., et al. Pacemaker activity and ionic currents in mouse atrioventricular node cells. Channels (Austin). 5 (3), 241-250 (2011).
- Jung, J. J., et al. Programming and isolation of highly pure physiologically and pharmacologically functional sinus-nodal bodies from pluripotent stem cells). Stem cell reports. 2 (5), 592-605 (2014).
- Maltsev, V. A., Wobus, A. M., Rohwedel, J., Bader, M., Hescheler, J. Cardiomyocytes differentiated in vitro from embryonic stem cells developmentally express cardiac-specific genes and ionic currents. Circulation research. 75 (2), 233-244 (1994).
- He, J. Q., Ma, Y., Lee, Y., Thomson, J. A., Kamp, T. J. Human embryonic stem cells develop into multiple types of cardiac myocytes: action potential characterization. Circ Res. 93 (1), 32-39 (2003).
- Yanagi, K., et al. Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channels and T-type calcium channels confer automaticity of embryonic stem cell-derived cardiomyocytes. Stem cells. 25 (11), 2712-2719 (2007).
- Barbuti, A., et al. Molecular composition and functional properties of f-channels in murine embryonic stem cell-derived pacemaker cells. J Mol Cell Cardiol. 46 (3), 343-351 (2009).
- Ma, J., et al. High purity human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes: electrophysiological properties of action potentials and ionic currents. American journal of physiology. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 301 (5), H2006-H2017 (2011).
- David, R., Franz, W. M. From pluripotency to distinct cardiomyocyte subtypes. Physiology (Bethesda). 27 (3), 119-129 (2012).
- Scavone, A., et al. Embryonic stem cell-derived CD166+ precursors develop into fully functional sinoatrial-like cells). Circ Res. 113 (4), 389-398 (2013).
- Morikawa, K., et al. Identification, isolation and characterization of HCN4-positive pacemaking cells derived from murine embryonic stem cells during cardiac differentiation. Pacing Clin Electrophysiol. 33 (33), 290-303 (2010).
- Wiese, C., et al. Formation of the sinus node head and differentiation of sinus node myocardium are independently regulated by Tbx18 and Tbx3. Circ Res. 104 (3), 388-397 (2009).
- Kleger, A., et al. Modulation of calcium-activated potassium channels induces cardiogenesis of pluripotent stem cells and enrichment of pacemaker-like cells. Circulation. 122 (18), 1823-1836 (2010).
- Bakker, M. L., et al. T-box transcription factor TBX3 reprogrammes mature cardiac myocytes into pacemaker-like cells. Cardiovasc Res. 94 (3), 439-449 (2012).
- Kapoor, N., Liang, W., Marban, E., Cho, H. C. Direct conversion of quiescent cardiomyocytes to pacemaker cells by expression of Tbx18. Nat Biotechnol. 31 (1), 54-62 (2013).
- Johns, D. C., et al. Adenovirus-mediated expression of a voltage-gated potassium channel in vitro (rat cardiac myocytes) and in vivo (rat liver). A novel strategy for modifying excitability. J Clin Invest. 96 (2), 1152-1158 (1995).
- Nuss, H. B., Marban, E., Johns, D. C. Overexpression of a human potassium channel suppresses cardiac hyperexcitability in rabbit ventricular myocytes. J Clin Invest. 103 (6), 889-896 (1999).
