Summary

Affettare e coltivare i cuori di maiale in condizioni fisiologiche

Published: March 20, 2020
doi:

Summary

Questo protocollo descrive come affettare e coltura tessuto cardiaco in condizioni fisiologiche per 6 giorni. Questo sistema di coltura potrebbe essere utilizzato come piattaforma per testare l’efficacia di nuove terapie per l’insufficienza cardiaca, nonché test affidabili della cardiotossicità acuta in un modello di cuore 3D.

Abstract

Molti nuovi farmaci falliscono negli studi clinici a causa di effetti collaterali cardiotossici, poiché i saggi in vitro attualmente disponibili e i modelli animali in vivo predicono male le passività cardiache umane, il che rappresenta un onere multimiliardario sull’industria farmaceutica. Pertanto, vi è una necessità medica insoddisfatta in tutto il mondo di approcci migliori per identificare la cardiotossicità dei farmaci prima di intraprendere studi costosi e dispendiosi in termini di tempo “first in man”. Attualmente, solo le cellule cardiache immature (cardiomiociti derivati da cellule staminali derivate da cellule staminali derivate da cellule staminali umane [hiPSC-CMs]) vengono utilizzate per testare l’efficienza terapeutica e la tossicità dei farmaci in quanto sono le uniche cellule cardiache umane che possono essere coltivate per periodi prolungati necessario per testare l’efficacia e la tossicità del farmaco. Tuttavia, un tipo di singola cellula non può replicare il fenotipo del complesso tessuto cardiaco 3D che è formato da più tipi di cellule. È importante sottolineare che l’effetto dei farmaci deve essere testato sui cardiomiociti adulti, che hanno caratteristiche e risposte di tossicità diverse rispetto ai immaturi hiPSC-CMs. Culturing human heart slices è un modello promettente di miocardio umano intatto. Questa tecnologia fornisce l’accesso a un sistema multicellulare completo che imita il tessuto cardiaco umano e riflette le condizioni fisiologiche o patologiche del miocardio umano. Recentemente, attraverso l’ottimizzazione delle componenti dei mezzi di coltura e le condizioni di coltura per includere la stimolazione elettrica continua a 1,2 Hz e l’ossigenazione intermittente del mezzo di coltura, abbiamo sviluppato un nuovo sistema di coltura che preserva la vitalità e funzionalità di fette di cuore umano e maiale per 6 giorni in coltura. Nel protocollo attuale, stiamo descrivendo in dettaglio il metodo per affettare e coltivare il cuore di maiale come esempio. Lo stesso protocollo viene utilizzato per la coltura di fette da cuori umani, cani, pecore o gatti. Questo sistema di coltura ha il potenziale per diventare un potente modello predittivo in situ umano in situ per test di cardiotossicità acuta che colma il divario tra i risultati dei test preclinici e clinici.

Introduction

La cardiotossicità indotta da farmaci è una delle principali cause di ritiro del mercato1. Nell’ultimo decennio del XXsecolo, otto farmaci non cardiovascolari sono stati ritirati dal mercato in quanto hanno provocato la morte improvvisa a causa di aritmie ventricolari2. Inoltre, diverse terapie anti-cancro (mentre in molti casi efficace) può portare a diversi effetti cardiotossici tra cui cardiomiopatia e aritmie. Ad esempio, le terapie di cancro al seno sia tradizionali (ad esempio, antracicline e radiazioni) che terapie mirate (ad esempio, trastuzumab) possono provocare complicazioni cardiovascolari in un sottoinsieme di pazienti3. Una stretta collaborazione tra cardiologi e oncologi (attraverso il campo emergente della “cardio-oncologia”) ha contribuito a rendere queste complicazioni gestibili assicurando che i pazienti possano essere trattati efficacemente2. Meno evidenti sono gli effetti cardiovascolari degli agenti più recenti, tra cui Her2 e PI3K inibitori, soprattutto quando le terapie vengono utilizzate in combinazione. Pertanto, c’è una crescente necessità di strategie di screening preclinico affidabili per le tossicità cardiovascolari associate alle terapie anti-cancro emergenti prima degli studi clinici sull’uomo. La mancanza di disponibilità di sistemi di coltura per il tessuto cardiaco umano che è funzionalmente e strutturalmente praticabile per più di 24 h è un fattore limitante per test di cardiotossicità affidabili. Pertanto, è urgente sviluppare un sistema affidabile per la coltura del tessuto cardiaco umano in condizioni fisiologiche per testare la tossicità dei farmaci.

Il recente movimento verso l’uso di cardiomiociti derivati da cellule staminali derivate da cellule staminali plurimi indotti dall’uomo (hiPSC-CMs) nei test di cardiotossicità ha fornito una soluzione parziale per affrontare questo problema; tuttavia, la natura immatura degli hiPSC-CM e la perdita di integrità dei tessuti rispetto alla natura multicellulare del tessuto cardiaco sono i principali limiti di questa tecnologia4. Uno studio recente ha parzialmente superato questa limitazione attraverso la fabbricazione di tessuti cardiaci da hiPSC-CMs su idrogel e sottoponendoli ad un graduale aumento della stimolazione elettrica nel tempo5. Tuttavia, le loro proprietà elettromeccaniche non hanno raggiunto la maturità osservata nel miocardio umano adulto. Inoltre, il tessuto cardiaco è strutturalmente più complicato, essendo composto da vari tipi di cellule tra cui cellule endoteliali, neuroni e vari tipi di fibroblasti stromali collegati insieme a una miscela molto specifica di proteine della matrice extracellulare6. Questa eterogeneità della popolazione cellulare non cardiomiocite7,8,9 nel cuore dei mammiferi adulti è un ostacolo importante nella modellazione del tessuto cardiaco utilizzando singoli tipi di cellule. Queste principali limitazioni evidenziano l’importanza di sviluppare metodi per consentire la coltura di tessuto cardiaco intatto per studi ottimali che coinvolgono condizioni fisiologiche e patologiche del cuore5.

Coltivare fette di cuore umano è un modello promettente di miocardio umano intatto. Questa tecnologia fornisce l’accesso a un sistema multicellulare 3D completo che è simile al tessuto cardiaco umano che potrebbe riflettere in modo affidabile le condizioni fisiologiche o patologiche del miocardio umano. Tuttavia, il suo uso è stato fortemente limitato dal breve periodo di redditività nella cultura, che non si estende oltre 24 h utilizzando i protocolli più robusti segnalati fino2018 10,11,12. Questa limitazione era dovuta a molteplici fattori tra cui l’uso dell’interfaccia aria-liquido per la coltura delle fette, e l’uso di un semplice mezzo di coltura che non supporta le elevate esigenze energetiche del tessuto cardiaco. Recentemente abbiamo sviluppato un sistema di coltura sommersi che è in grado di fornire una stimolazione elettrica continua e ottimizzato i componenti dei mezzi di coltura per mantenere le fette di tessuto cardiaco vitali fino a 6 giorni13. Questo sistema di coltura ha il potenziale per diventare un potente modello predittivo in situ umano in situ per i test di cardiotossicità acuta per colmare il divario tra i risultati dei test preclinici e clinici. Nell’articolo attuale, stiamo descrivendo in dettaglio il protocollo per affettare e coltivare le fette di cuore usando un cuore di maiale come esempio. Lo stesso processo viene applicato ai cuori umani, cani, pecore o gatti. Con questo protocollo, speriamo di diffondere la tecnologia ad altri laboratori della comunità scientifica.

Protocol

Tutte le procedure sugli animali erano conformi agli orientamenti istituzionali dell’Università di Louisville e approvate dal Comitato istituzionale per la cura e l’uso degli animali. 1. Preparazione per il taglio (un giorno prima di affettare) Preparazione del microtoma vibrante Posizionare la lama in ceramica nel suo supporto seguendo questi passaggi: dopo aver accuratamente srotolato la lama, posizionare prima il bordo tagliente nello slot dello strumen…

Representative Results

Utilizzando uno stimolatore elettrico di coltura cellulare disponibile in commercio in grado di ospitare otto 6 piastre di pozzo contemporaneamente, abbiamo emulato l’ambiente cardiaco adulto inducendo stimolazione elettrica alla frequenza fisiologica (1,2 Hz), e sottoposto a screening per i componenti medi fondamentali per prolungare la durata delle fette di cuore di maiale funzionali nella coltura13. Poiché i cuori di maiale e umani sono simili per dimensioni e …

Discussion

Qui descriviamo il protocollo video dettagliato per il nostro metodo recentemente pubblicato per la media throughput semplificata (processi fino a 48 fette/dispositivo) metodo che consente la coltura di fette di cuore di maiale per un periodo sufficientemente lungo per testare la cardiotossicità acuta13. Le condizioni proposte imitano l’ambiente del cuore, compresa la frequenza della stimolazione elettrica, la disponibilità di nutrienti e l’ossigenazione intermittente. Attribuiamo la prolungata …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

TMAM è supportato dalla sovvenzione NIH P30GM127607 e dalla sovvenzione 16SDG29950012. RB è supportato da P01HL78825 e UM1HL113530.

Materials

1000ml, 0.22µm, Vacuum Filter/Storage Systems VWR 28199-812
2,3-Butanedione monoxime (BDM) Fisher AC150375000
500ml, 0.22µm, Vacuum Filter/Storage Systems VWR 28199-788
6-well C-Dish Cover (electrical-stimulation-plate-cover) Ion Optix CLD6WFC
6-well plates Fisher 08-772-1B
Agarose Bioline USA BIO-41025
Antibiotic-Antimycotic Thermo 15-240-062
C-Pace EM (cell-culture-electrical-stimulator) Ion Optix CEP100
Calcium Chloride (CaCl2) Fisher C79-500
Ceramic Blades for Vibrating Microtome Campden Instruments 7550-1-C
Cooley Chest Retractor Millennium Surgical 63-G5623
D-Glucose Fisher D16-1
Disposable Scalpel #20 Biologyproducts.com DS20X
Falcon Cell Strainers, Sterile, Corning VWR 21008-952
Fetal Bovine Serum Thermo A3160502
Graefe Forceps Fisher NC9475675
Heparin sodium salt Sigma-Aldrich H3149-50KU
HEPES Fisher BP310-1
Histoacryl BLUE Tissue glue Amazon https://www.amazon.com/HISTOACRYL-FLEXIBLE-1051260P-Aesculap-Adhesive/dp/B074WB5185/
Iris Spring scissors Fisher NC9019530
Iris Straight Scissors Fisher 731210
Isoflurane, USP Piramal NDC 66794-017-25
ITS Liquid Media Supplement Sigma-Aldrich I3146-5ML
Ketamine HCl (500 mg/10 mL) West-Ward NDC 0143-9508
Magnesium Chloride (MgCl2) Fisher M33-500
Mayo SuperCut Surgical Scissors AROSurgical Instruments Corporation AROSuperCut™ 07.164.17
Medium 199, Earle's Salts Thermo 11-150-059
Oxygen regulator Praxair
Oxygen tanks – Praxair
Plastic Pasteur pipettes Fisher 13-711-48
Potassium Chloride (KCl) Fisher AC193780010
Printer Timing Belt Amazon https://www.amazon.com/Uxcell-a14081200ux0042-PRINTER-Precision-Timing/dp/B00R1J3KDC/
Razor rectangle blades Fisher 12-640
Recombinant Human FGF basic R&D Systems 233-FB-025/CF
Recombinant Human VEGF R&D Systems 293-VE-010/CF
Retractable scalpels Fisher 22-079-716
Sodium Bicarbonate (NaHCO3) Fisher AC217125000
Sodium Chloride (NaCl) Fisher AC327300010
Vibrating Microtome Campden Instruments 7000 SMZ-2
Xylazine HCl (100 mg/mL) Heartland Veterinary Supply NADA 139-236

References

  1. Onakpoya, I. J., Heneghan, C. J., Aronson, J. K. Post-marketing withdrawal of 462 medicinal products because of adverse drug reactions: a systematic review of the world literature. BMC Medicine. 14, 10 (2016).
  2. Fermini, B., Fossa, A. A. The impact of drug-induced QT interval prolongation on drug discovery and development. Nature Reviews Drug Discovery. 2 (6), 439-447 (2003).
  3. Moslehi, J. J. Cardiovascular Toxic Effects of Targeted Cancer Therapies. The New England Journal of Medicine. 375 (15), 1457-1467 (2016).
  4. Robertson, C., Tran, D. D., George, S. C. Concise review: maturation phases of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Stem Cells. 31 (5), 829-837 (2013).
  5. Ronaldson-Bouchard, K., et al. Advanced maturation of human cardiac tissue grown from pluripotent stem cells. Nature. 556 (7700), 239-243 (2018).
  6. Pinto, A. R., et al. Revisiting Cardiac Cellular Composition. Circulation Research. 118 (3), 400-409 (2016).
  7. Kanisicak, O., et al. Genetic lineage tracing defines myofibroblast origin and function in the injured heart. Nature Communications. 7, 12260 (2016).
  8. Fu, X., et al. Specialized fibroblast differentiated states underlie scar formation in the infarcted mouse heart. Journal of Clinical Investigations. 128 (5), 2127-2143 (2018).
  9. Kretzschmar, K., et al. Profiling proliferative cells and their progeny in damaged murine hearts. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (52), E12245-E12254 (2018).
  10. Perbellini, F., et al. Investigation of cardiac fibroblasts using myocardial slices. Cardiovascular Research. 114 (1), 77-89 (2018).
  11. Watson, S. A., et al. Preparation of viable adult ventricular myocardial slices from large and small mammals. Nature Protocols. 12 (12), 2623-2639 (2017).
  12. Kang, C., et al. Human Organotypic Cultured Cardiac Slices: New Platform For High Throughput Preclinical Human Trials. Scientific Reports. 6, 28798 (2016).
  13. Ou, Q., et al. Physiological Biomimetic Culture System for Pig and Human Heart Slices. Circulation Research. 125 (6), 628-642 (2019).
  14. Jones, S. P., et al. The NHLBI-sponsored Consortium for preclinicAl assESsment of cARdioprotective therapies (CAESAR): a new paradigm for rigorous, accurate, and reproducible evaluation of putative infarct-sparing interventions in mice, rabbits, and pigs. Circulation Research. 116 (4), 572-586 (2015).
  15. Crick, S. J., Sheppard, M. N., Ho, S. Y., Gebstein, L., Anderson, R. H. Anatomy of the pig heart: comparisons with normal human cardiac structure. Journal of Anatomy. 193 (Pt 1), 105-119 (1998).
  16. Fischer, C., et al. Long-term functional and structural preservation of precision-cut human myocardium under continuous electromechanical stimulation in vitro. Nature Communications. 10 (1), 117 (2019).
  17. Franke, J., Abs, V., Zizzadoro, C., Abraham, G. Comparative study of the effects of fetal bovine serum versus horse serum on growth and differentiation of primary equine bronchial fibroblasts. BMC Veterinary Research. 10, 119 (2014).
  18. Vuorenpaa, H., et al. Novel in vitro cardiovascular constructs composed of vascular-like networks and cardiomyocytes. In Vitro Cellular & Developmental Biology – Animal. 50 (4), 275-286 (2014).
  19. Qiao, Y., et al. Multiparametric slice culture platform for the investigation of human cardiac tissue physiology. Progress in Biophysics and Molecular Biology. 144, 139-150 (2018).
  20. Watson, S. A., et al. Biomimetic electromechanical stimulation to maintain adult myocardial slices in vitro. Nature Communications. 10 (1), 2168 (2019).

Play Video

Cite This Article
Ou, Q., Abouleisa, R. R., Tang, X., Juhardeen, H. R., Meki, M. H., Miller, J. M., Giridharan, G., El-Baz, A., Bolli, R., Mohamed, T. M. Slicing and Culturing Pig Hearts under Physiological Conditions. J. Vis. Exp. (157), e60913, doi:10.3791/60913 (2020).

View Video