Summary
Denne protokol har til formål at transplantere en 3D bioprinted patch på epicardium af infarkte mus modellering hjertesvigt. Det omfatter oplysninger om anæstesi, den kirurgiske bryst åbning, permanent ligation af venstre forreste faldende (LAD) koronararterie og anvendelse af en biotrykt patch på det infarkte område af hjertet.
Abstract
Test regenerative egenskaber af 3D bioprintede hjerteplastre in vivo ved hjælp af murine modeller af hjertesvigt via permanent venstre forreste faldende (LAD) ligation er en udfordrende procedure og har en høj dødelighed på grund af sin art. Vi udviklede en metode til konsekvent at transplantere bioprintede pletter af celler og hydrogels på epicardium af en infarkted mus hjerte til at teste deres regenerative egenskaber på en robust og gennemførlig måde. For det første er en dybt bedøvet mus omhyggeligt intuberet og ventileret. Efter venstre lateral thoracotomy (kirurgisk åbning af brystet), den eksponerede LAD er permanent ligated og bioprintede patch transplanteret på epiardium. Musen hurtigt genopretter fra proceduren efter brystet lukning. Fordelene ved denne robuste og hurtige tilgang omfatter en forventet 28-dages dødelighed på op til 30% (lavere end de 44% rapporteret af andre undersøgelser ved hjælp af en lignende model af permanent LAD ligation hos mus). Desuden er den fremgangsmåde, der er beskrevet i denne protokol, alsidig og kan tilpasses til test af biotrykte plastre ved hjælp af forskellige celletyper eller hydrogels, hvor der er behov for et stort antal dyr for at udføre effektundersøgelser optimalt. Samlet set præsenterer vi dette som en fordelagtig tilgang, som kan ændre prækliniske test i fremtidige undersøgelser for området for hjerte-regenerering og vævsteknik.
Introduction
En hjertetransplantation er guld standard behandling for patienter med end-stage hjertesvigt, men der er mangel på donororganer. Det kræver immunsystemet undertrykkelse for at forhindre graft afvisning og den etårige dødelighed er 15% på verdensplan1. Derfor er der et mangeårigt incitament til at regenerere myokardiet i prækliniske dyremodeller med henblik på at oversætte til forsøg medmennesker 2,3,44,5,6,7,8,9. De seneste fremskridt inden for 3D-biotryk af stamceller eller stamceller afledte hjerteceller har fået opmærksomhed som en lovende tilgang til regenerering af myokardiet2,3,9,10,11,12.9
De første humane sikkerhedsforsøg anvender patches til at regenerere hjertet er blevet rapporteret, med autolog knoglemarv mononukleare celler suspenderet i kollagen eller embryonale stamceller-afledte hjertefogenitor celler i fibrin, transplanteret til epicardium7,8,13. Men for en mere præcis, skalerbar, automatable og reproducerbare metode, 3D bioprint af optimerede hydrogelpatches,der skal anvendes på den episardiale overflade af hjertet er en lovende tilgang til at regenerere myokardiet for patienter, der ellers ville have brug for en hjertetransplantation2,10,11,12.
Før oversættelse til forsøg på mennesker kan forekomme, prækliniske dyreforsøg er nødvendige. Prækliniske in vivo-modeller, der forfølger regenerering af myokardiet , er blevet rapporteret hos svin5,får 14,rotter 6 og mus4. En almindelig model af myokardie infarkt (MI) i mus bruger permanent ligation af venstre forreste faldende (LAD) koronararterie15,16. Blandt de forskellige stammer af mus, der anvendes, permanent LAD ligation i C57BL6 mus har en acceptabel overlevelsesrate og typisk præsenterer konsekvent remodeling og hjerteændringer efter MI16. I gnavere modeller, flere tilgange er blevet beskrevet, hvor hjertevæv er blevet anvendt til hjertet i forfølgelsen af effektiv regenerering af beskadiget myokardiet4,6,17. Mens store dyr stadig udgør en mere klinisk relevant model for at teste hjertegenerative egenskaber5,14, alsidigheden og gennemførligheden af musemodellen egner sig til denne hurtige bevægelse område af undersøgelsen. Dette kan undgå nogle af de faldgruber, der er typiske for store dyreforsøg, herunder (men ikke begrænset til): 1) høj dyredødelighed (medmindre diagonale kranspulsårer er ligeret, hvilket fører til uforudsigelige segmentale infarkter14, eller den distale ende af LAD'en er tilstoppet efterfulgt af reperfusion i stedet for permanent ligation5); 2) etiske problemer med den relativt øgede skade forårsaget af store dyreprotokoller sammenlignet med mus18; 3) øgede omkostninger og / eller gennemførlighed spørgsmål, for eksempel den relative mangel på store animalske udstyr såsom MR-scannere14. Det er også vigtigt at overveje, at de i betragtning af den omfattende varighed og engagement, der er typisk for store dyreforsøg, har potentiale til at blive forældede, før de er færdige, især med den hurtige udvikling, der er typisk på dette område. For eksempel er det først for nylig, at den kritiske rolle, som inflammatoriske celler og mæglere spiller i reguleringen af hjerteregenerering eropstået 19,20. Desuden er den kritiske rolle, som prækliniske undersøgelser, såsom små dyremodeller, har fremhævet af en Lancet-kommission som et vigtigt skridt til at opnå solid viden, før de går over til forsøg medmennesker 21.
For at lette fremskridt i forståelsesmekanismer og optimere betingelserne for patch-baserede hjerte regenerering tilgange in vivo, præsenterer vi en ny tilgang, der beskriver en 'scoop og drapere' metode til at anvende en 3D bioprintet alginat / gelatine hydrogel patch til overfladen af infarkte hjerter i C57BL6 mus. Formålet med denne tilgang er at tilvejebringe en alsidig in vivo-model til test af 3D-biotrykte plastre, som sandsynligvis vil være mulige i brede forskningssammenhænge for det hastigt udviklende område for hjerteregenerering2. Denne metode kan tilpasses til testplastre, der genereres ved hjælp af ikke-bioprintmetoder, forskellige hydrogeler og autologe eller allogene stamcellerinterede celler i plastre in vivo. Men, detaljerede overvejelser om bioprint, hydrogels eller celletyper er uden for rammerne af denne undersøgelse, som fokuserer på den kirurgiske transplantation metode.
Fordelene ved protokollen omfatter, at den myokardiemæssige infarkt og anvendelse af en biotrykt patch udføres i en kirurgisk procedure, der kan udføres hurtigt, med let tilgængelige, omkostningseffektive laboratorieredskaber og med en relativt lav dødelighed. Det giver også typisk mulighed for et større antal dyr end store dyremodeller i et mindre rum, hvilket muliggør en robust sammenligning af flere forsøgsgrupper, især nyttige til sammenligning af flere grupper in vivo. På den anden side har denne protokol ulemperne, at: 1) musemodellen er mere fjernt fra menneskets hjertestørrelse, anatomi og fysiologi end i store dyremodeller, og den udmønter sig ikke direkte til mennesker; 2) murine LAD grene proksimalt, med betydelig variation mellem de enkelte mus, hvilket fører til infarkt størrelse variation (et problem deles med store dyremodeller); 3) plasteret skal påføres over hele den forreste hjerteoverflade, som er mindre præcis end at påføre over et bestemt infarkt område; og 4) plasteret påføres straks på tidspunktet for MI (til human brug er det sandsynligt, at være mere klinisk nyttigt at udvikle et plaster til påføring på kronisk infarkted svigtende hjerte måneder efter den oprindelige MI14).
Ikke desto mindre kan denne protokol, hvis den vælges hensigtsmæssigt i henhold til den hypotese, der testes, hurtigt levere kritiske in vivo-data med høje antal på en måde, der er i overensstemmelse med de materialer, budget og ekspertise, der er til rådighed i de fleste laboratorier. Sammenlignet med store dyremodeller er det en in vivo-model, der er alsidig nok til at tilpasse sig nye 3D-bioprintteknologier (f.eks. ved den relative lethed at udføre pilotundersøgelser for at teste gennemførlighed og sikkerhed, før den går over til større dyremodeller). Det ville være velegnet til forskere, der ønsker at generere in vivo data effektivt og billigt, måske kører flere sammenligninger af 3D bioprintede patches med forskellige bioprint parametre, celler eller hydrogels i patches. Det ville især være nyttigt til at teste samspillet mellem forskellige blandinger af stamceller og stamceller afledte celler med hydrogels in vivo uden overskydende spild af dyre cellesting eller andre materialer, der kan opstå, hvis der anvendes store plastre. Anvendelse af en musemodel vil også gøre det lettere at teste plastre, der indeholder artskompatible celle- og stamcelleopdragninger eller humant afledte celler, hvor ensartede mus med en specifik immundefekt er ønskelig. Derudover kan testning i genetisk modificerede musestammer gøre det muligt for forskere at isolere virkningerne af specifikke gener på signalveje og i specifikke celletyper, der er relevante for hjerte-kar-sygdomme, hvilket ikke ville være muligt i en stor dyremodel.
Protocol
Alle procedurer, der er beskrevet i dette eksperiment, blev godkendt af Animal Ethics Committee i Northern Sydney Local Health District, NSW, Australien (projektnummer RESP17/55).
1. Anæstesi og intubation
BEMÆRK: Tænd og opsæt stereomikroskopet, varmepuden (dækket med et absorberende ark) og ventilatorsystemet.
- Rengør handsker, det kirurgiske område og værktøjet med 70% ethanol.
- Afveje musen for at beregne den dosis af anæstesi, der injiceres af intraperitoneal ruten (ketamin 40 mg/kg, xylazin 5 mg/kg, atropin 0,15 mg/kg) og give injektionen.
- Når musen når et dybt plan af anæstesi, barbere ventrale venstre side af brystkassen med en trimmer.
- Placer musen i et kammer, der indeholder 2% isofluran (sikre tilstrækkelig udsugning i rummet).
BEMÆRK: Den relativt lave dosis ketamin/xylazininjektion sammen med 2 % isofluranindånding reducerer risikoen for musedød, samtidig med at den giver optimal intubation uden at vække musen. - Placer musen liggende og holde det fra sin øverste fortænder med en 3,0 sutur tapede til bænken, som vist i videoen. Bekræft sedation ved at udføre en tå knivspids. Placer en højintensitetsbelysning over musehalsen, så oropharynx'en kan visualiseres.
BEMÆRK: Alternativt kan musen placeres på stativet fra intubation kit (f.eks Kent Mouse Intubation Kit) med et elastikbånd fastgjort under de øverste fortænder til at holde munden åben for at identificere luftrøret. - Brug en buet spatel til at åbne kæben og et andet par spatler / stumpe kraftæceser til at løfte tungen forsigtigt ud af vejen. Sørg for at intubere, mens du er placeret i eller lidt under øjenhøjde med musens krop.
- Visualiser åbningen og lukningen af stemmebåndene. Når det er åbent, indsættes det 20 G plastkateter, der følger med intuberingssættet.
- Overfør forsigtigt den intuberede mus til en driftsflade, der er udstyret med en varmepude. Tilslut musen til ventilatoren (f.eks.
- Levere 1,5-2% isofluran med ilt (som automatisk reguleres af ventilatoren: sørg for, at der er en forbindelse fra en iltcylinder til den automatiske ventilator ved 1-2 L/min strømningshastighed til ventilatoren). Kontroller intubationen ved at kontrollere, om der er bilateral bryststigning. Kontroller anæstesi ved at udføre en tå knivspids.
- Anvend opthalemisk salve (f.eks Puralube Vet Opthalmic Salve) til begge øjne for at forhindre dem i at tørre ud.
2. Forberedelse af det kirurgiske område
- Fastgør intuberingsrøret med tape på forbindelsesstedet mellem ventilatoren og åndedrætsrøret/kateteret.
- Skær et længere stykke tape og fastgør sin venstre forfod til driftsfladen i en let forhøjet position. Også tape ned de andre ekstremiteter.
- Rengør brystet med steril 70% isopropanol og povidone jod opløsning, rengøring i en cirkulær bevægelse bevæger sig fra centrum til periferien.
- Kontroller anæstesi igen med en tå knivspids.
- Der administreres 0,08 mg/kg Temvet (buprenorphin) i 0,1 ml saltvand på 0,9 % via subkutan injektion.
3. Venstre lateral thoracotomy
- Brug fint tip-kraftbefædre til forsigtigt at løfte huden på et punkt ca. 5 mm til venstre for den fremtrædende xiphoid brusk. Brug kirurgisk saks til at skabe en superomedial snit i huden fra dette punkt opad og mod midterlinjen, til niveauet for manubrium.
- Brug buede kraftforrævner til forsigtigt at adskille hud- og muskellagene. Åbn muskellaget, efter hudens snit.
- Identificer og lav et snit i det tredje interkostale rum efter den naturlige vinkel på brystkassen.
- Brug en retractor til forsigtigt at sprede fra hinanden 3.
- Fjern forsigtigt det tynde pericardium med saft.
- Hvis LAD'en ikke visualiseres, skubbes den venstre aurikel forsigtigt (se supplerende figur 1) opad og finder kranspulsårerne nedenunder.
4. Venstre forreste faldende (LAD) permanent koronararterie ligation
- Skær en ~ 3 mm lang 3-0 silke sutur og sætte denne forstærkende 3-0 silke sutur stykke på toppen af LAD i samme retning som LAD (som vist i videoen på tidspunktetspunkt 02:12 - 02:20).
- Identificer LAD og passere en 7-0 silke sutur under LAD. Hvis LAD ikke er klart visualiseret, indsætte nålen 1 mm ringere og mediale til den underlegneste punkt nået af spidsen af venstre aurikel under dynamisk bevægelse af hjertet.
BEMÆRK: Denne struktur er en lysere farve rød til ventrikulære kamre i hjertet, men mørkere end den tilstødende lunge og er bedst visualiseret i videoen på tidspunktet punkt 01:54 til 01:55, hvor det er synligt lige ringere end den overlegne arm af retractor, overlegen i forhold til venstre lunge (se supplerende figur 1 for kommenteret video stillbillede). - Gennemfør to kast med 7-0 silke sutur og luk den tæt passerer på toppen af den støttende 3-0 silke sutur for at sikre LAD. Hvis ligationen lykkes, vil det forreste ventrikelområde distalt fra ligaturen blanchere.
- Fuldføre knude med et tredje kast i den modsatte retning for at sikre det, sikre ingen opadgående trækkraft overføres til suturen. Yderligere kast er ikke påkrævet for at reducere risikoen for skader på myokardiet eller LAD ved sutur skære igennem.
5. Transplantation af det biotrykte plaster på epicardium
- Flyt forsigtigt det biotrykte plaster fra en seks brøndplade til det infarkte område ved hjælp af den sterile indvendige overflade af en åbnet kirurgisk skalpelpakke.
- Placer forsigtigt det biotrykte plaster på den forreste episardiale overflade, hvor det skal dække hele overfladen og drapere over de ringere og laterale kanter, der dækker venstre hjertekammer og infarktzonen (blancheret område).
- Luk og fjern forsigtigt retractoren uden at lede skarpe kanter mod hjertet.
- Brug 6-0 prolene suturer i et simpelt afbrudt mønster for at lukke brystkassen og muskellagene.
- Med Sukkeåndsfunktionen, mens du lukker brystet med 6-0 prolenesuturerne, pustes lungerne op for at fjerne overskydende luft i pleural hulrummet, som ellers ville blive fanget i brysthulen og resultere i en pneumothorax.
- Sørg for, at brystet er tæt forseglet.
- Reducer isofluranen til 1,0%. Luk huden med 6-0 prolene suturer i et simpelt afbrudt mønster. Sluk for fordamperen isoflurane.
6. Gendannelse af mus
- Topisk anvende 2 mg/ml bupivacain i 0,9% saltvand til snittet. Administreres også: i) Antisedan (atipamezole) 1 mg/kg; ii) Lasix (furosemide) 8 mg/kg; iii) 600 μL 0,9% saltvandsopløsning via en subkutan injektion.
BEMÆRK: Antisedan er at vende bedøvelseslæg hurtigere; furosemide er at losse overskydende væske på grund af hjerteoutput kompromis og ekstra væske administreres med injektioner. - Overvåg musen, og vent, indtil der observeres uafhængig vejrtrækning for at fjerne musen fra intuberingsrøret.
- Når musen viser en tilstrækkelig bilateral vejrtrækningshastighed og dybde og reagerer på en tåspidsspids, skal du placere musen i et rent genvindingsbur placeret på en varmepude.
- Giv musen fugtig mad (fugtet for tyggeevne), en vandflaske og næringsstof / fugtgivende gel. Monitor for en overdrevet vejrtrækning indsats, overdreven blødning, eller andre potentielt livstruende komplikationer.
- I de næste tre dage skal Temvet (buprenorphin) administreres med 0,9 ml saltvand på 0,9 % ved subkutan eller intraperitoneal injektion to gange dagligt og derefter én gang dagligt op til femte dag efter indgrebet.
- Hus mus i par adskilt af bur dividers at forhindre isolation og samtidig forhindre bekæmpelse af adfærd. Monitor mus mindst dagligt indtil afslutningen af forsøgene (28 dage) med stor opmærksomhed på deres velbefindende og øget hyppighed af overvågning, hvis der er nogen bekymringer.
Representative Results
Ved transplantation gjorde plasterets viskositet ved stuetemperatur (uden yderligere krydslinker anvendt) det muligt at "drapere" over hjertets konturer (figur 1) og bevæge sig dynamisk med hjertecyklussen. Efter operationen forlod vi plastrene i 28 dage in vivo, da undersøgelser har vist, at dette er en passende tidsperiode, der giver mulighed for plastervirkninger på værtenshjertefunktion 3,4 (selv om det er blevetrapporteret,at fuld funktionelle virkninger ikke kan ses før tre måneder efter transplantation)22. Fotografiet af et plaster vist in situ på en mus hjerte i figur 1 blev taget umiddelbart efter påføring, viser evne til plasteret til drapere over hjertet ved transplantation. Dette repræsentative resultat viser, at hydrogelen giver mulighed for, at plasteret kan forme sig til hjertets konturer, og hvor der opstod overdreven spænding, som det nøgne (hydrogelfrie) trekantede område i figur 1 (angivet med en sort stjerne i billedet). Overlevelsesdata (Kaplan-Meier overlevelseskurver) er vist i figur 2 sammenlignet med mus, der gennemgår en fingeret procedure (passage af en nål og sutur under LAD uden ligation efterfulgt af lukning af musekisten).
Figur 1: Et biotrykt kardatch påføres epicardium af et C57BL6-musehjerte. Et biotrykt plaster på 10 mm x 0,4 mm (umiddelbart efter transplantation), der indeholder hydrogel (alginat 4% (w/v)/gelatine 8% (w/v) i medier), vises draperet over det infarkte område og klæber til den episkeardieoverflade (hvide pilespidser og stiplede linjer = plasterets kant). Plasteret viskositet gør det muligt at forme til konturerne af hjertet, og hvor overdreven spænding opstod på det overlegne aspekt plasteret har delt for at gøre en trekantet nøgne område ikke er omfattet af hydrogel (sort stjerne). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Kaplan-Meier overlevelsesanalyse gennem 28 dage efter MI. Ni mus i proceduregruppen døde (n=38) for at give en samlet dødelighed på 24%. Klik her for at se en større version af dette tal.
Supplerende figur 1: Video stillbillede (video tidspunkt 01:54 - 01:55) viser venstre aurikel (venstre atrial vedhæng). Pilen peger på den inferomediale spids af venstre aurikel, som er synlig som en trekantet struktur på den overlegne venstre kant af hjertet. Hvis LAD ikke er klart visualiseret, spidsen af venstre auricle kan bruges som et vartegn for nål indrejse til at passere en sutur under LAD. Indgangspunktet er 1 mm ringere og mediale til den inferiorest punkt spidsen af venstre auricle når under dynamiske bevægelser af hjertet (sort pil viser inferomedial spidsen af venstre auricle). Klik her for at downloade dette tal.
Discussion
Metoden letter operatøren til effektivt at transplantere en bioprintet patch ved at anvende det til den episardiale overflade af en infarkted mus hjerte efter permanent LAD ligation. I denne gennemførlighedsfokuserede metode er vi i stand til at udføre denne procedure på otte mus pr. arbejdsdag (herunder forberedelse af rummet før og efter). En bioprintkørsel, der producerer otte 1 cm2 plastre i brønde med seks brøndplader, tager 2-3 timer (inklusive forberedelsestiden før og efter). Vi brugte den sterile indersiden af en kirurgisk skalpel pakke som scoop for vores patch, som er let tilgængelig og generelt tilføjer minimale omkostninger, udnytte de naturlige klæbende egenskaber alginat / gelatine hydrogel patch til drapere plasteret på tværs af forreste infarkted overflade af hjertet. Det er vores erfaring, at protokollen for LAD ligation hos mus er operatørafhængig, og en lavere dødelighed på 28 dage kan opnås med erfarne operatører, der er specialiseret i én model. Van den Borne et al.16 rapporterede, at C57BL6 mus udgør en 44% dødelighed efter permanent LAD ligation på 28 dage uden anvendelse af et plaster, hvilket er højere end den øvre grænse på 30%, som vi observerede med metoden.
Intuberingstrinnet er kritisk, og in-and-of-itself kan være en kilde til dødelighed for mus, medmindre det udføres af en dygtig operatør. Det er gjort vanskeligt på grund af den lille størrelse af luftrøret, hvilket er grunden til forstørrelsesglas bæres af operatøren for dette trin. Vi bruger injiceret ketamin/xylazin samt inhaleret isofluorane til induktion af bedøvelsesmiddel, så musen er dybt bedøvet ved relativt lave doser af hvert lægemiddel. Derfor er der ingen risiko for musen til at vågne op i løbet af denne intubation trin, men den høje dødelighed forbundet med høje enkelt-drug doser undgås. Atropin blev også givet for at modvirke bivirkninger såsom bradykardi og hypersalivation. Brugen af et spotlight anvendes på halsen eksternt lyser luftrøret internt, så det er mere synligt, og stemmebåndene skal visualiseres åbning og lukning med musens respirationsfrekvens (normalt ~ 120 vejrtrækninger i minuttet). Det er afgørende at placere musen perfekt (hvilket er grunden til en hård overflade foretrækkes i stedet for en opvarmning måtten under musen for dette trin) med de to fortænder holdt af en loopet tråd og tungen trukket ekstremt forsigtigt med stumpe kraftbecer / par spatler til at åbne munden og visualisere luftrøret. Når intubationen er afsluttet, skal operatøren passe på ikke at løsne røret i overførslen fra intubationsområdet til operationssengen (som har en varmemåtte under den for at forhindre hypotermi). Ved tilslutning af åndedrætsrøret til ventilatorapparatet er det afgørende at stabilisere røret med den ene hånd og forbinde ventilatorkredsløbet med den anden, så åndedrætsrøret er minimalt, således at det skubbes dybere ind i luftrøret, når ventilatorsegmentet i slangen forbindes.
I denne undersøgelse brugte vi alginat 4% (w / v) / gelatine 8% (w / v) i Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM). Alginat/gelatinehydrgel er kendt for deres biokompatibilitet, lave omkostninger og biomekaniske egenskaber, hvilket gør dem nyttige for 3D-vævsudviklingsstrategier23. Disse hydrogels kan krydses af mild gelering ved at tilføje calciumioner, som giver mulighed for viskositet, der skal ændres. Efter bioprint anvendte vi calciumchlorid (CaCl2) 2% (w/v) i fosfat-bufferet saltvand (PBS) på plastre og dyrkede dem derefter i DMEM i seks brøndplader i 7-14 dage, før de transplanteres. Dette var det optimale vindue efter pletter indeholdende hjerteceller begyndte at slå i kultur, men før patches begyndte at smuldre. Mens CaCl2 kunne tilføjes regelmæssigt i hele post-bioprint fase for at reducere patch opløsning, fandt vi, at den iboende viskositet af hydrogel var tilstrækkelig til patches til at opretholde deres struktur op til transplantation med kun én indledende dosis af CaCl2.
Metoden tilladt for vellykket transplantation uden suturer (som kan beskadige hjertet) eller lim (som kan blokere grænsefladen mellem plasteret og hjertet). Fremtidige undersøgelser kan bekræfte hypotesen om, at suturløs og limfri transplantation ikke har en negativ indvirkning på engraftment hos mus, da det er afgørende, at plasteret ikke glider af hjertet eller forstyrrer lungerne. Andre undersøgelser, der vurderer engraftment af plastre i permanente LAD-ligationsmodeller med patchbaseret reparation3, har målt et bestemt område (mm2) tilbage medtiden 24, den podede patchtykkelse (μm) reminering med tid25, kvantificering af transplanterede celler ved polymerasekædereaktion (PCR)26 eller bioluminescensfotonmissionsfleksering af mærkede levende donorceller (et mål for fotoner, der udsendes pr. sekund, og som kan kvantificere mærkede podede celler, der overlever i levende dyr over tid)27. Fremtidige undersøgelser kan bruge disse metoder til yderligere at vurdere, om suturløs og limfri transplantation påvirker patch engraftment (samt strukturelle og funktionelle virkninger på værten myokardiet). Ikke desto mindre, makroskopisk efter 28 dage in vivo i vores immunkompetente mus, den forreste mediastinum præsenteret variabel fibrinous materiale og sammenvoksninger. Mekanismen for patch-baseret hjerteregenerering kan være fra stimulering af vært makrofaginflammatoriske reaktioner 19 eller udskilles immunologiskefaktorer 20 snarere end numerisk celle genopfyldning. Hvis inflammation spiller en positiv rolle, tilstedeværelsen af fremmed hydrogel materiale kan være gavnligt. Alternativt kan det være gavnligt at reducere tilstedeværelsen af fremmed materiale, hvis hydrogelkomponenten opløses over tid. Faktisk bruger nogle tilgange biomaterialer, som understøtter celler i første omgang og derefter opløses, så kun væv28,29. Fremtidige undersøgelser til fuldt ud at analysere patch engraftment og bedre forstå mekanismerne bag patch-baseret hjerteregenerering kan føre til optimeret eksperimentelle design før oversættelse til menneskelige forsøg2.
Samlet set er denne protokol sandsynligvis meget mulig og også velegnet til at teste flere grupper af 3D-bioprintede plastre, for eksempel med forskellige cellulære indhold. Fremtidige anvisninger for denne metode omfatter biotrykning af plastre, der indeholder avancerede hydrogeler, der ikke tidligere er testet in vivo, eller testning af virkningerne af forskellige autologe eller allogene stamcelleafledte celler til optimering, før de går videre til store dyremodeller.
Disclosures
Ingen.
FINANSIERINGSERKLÆRING:
Christopher D. Roche blev støttet af et Sir John Loewenthal Scholarship 2019 (University of Sydney), Le Gros Legacy Fund New Zealand (PhD012019) og et Heart Research Australia PhD Scholarship (2019-02). Carmine Gentile blev støttet af en University of Sydney Kick-Start Grant, University of Sydney kansler's Ph.d.-incitamentsprogram Grant, UTS Seed Funding, katolske ærkebispedømme i Sydney Grant for Adult Stem Cell Research og en Sydney Medical School Foudation Cardiothoracic Surgery Research Grant.
Acknowledgments
Med tak til Natalie Johnston for optagelsen af de ikke-kirurgiske optagelser og alle videoredigering.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3-0 non-absorbable black braided treated silk | Ethicon | 232G | |
| 6-0, 24” (60 cm) Prolene (polypropylene) suture, blue monofilament | Ethicon | 8805H | |
| 7-0, 18” (45 cm) silk black braided | Ethicon | 768G | |
| Adjustable stereo microscope with 6.4x magnification | Olympus | SZ 3060 STU1 | |
| Anitisedan (atipamezole) | Zoetis | N/A | |
| Atropine sulphate 0.6 mg, 1 mL vials, 10 pack | Symbion Pharmacy Services | ATRO S I2 | |
| Bupivacaine, 20 mL, 5 vials | Baxter Heathcare | BUPI I C01 | |
| Temvet (buprenorphine), 300 µg/mL, 10 mL bottle | Troy Laboratories | TEMV I 10 | |
| Curved-tip forceps | Kent Scientific | INS650915-4 | Iris dressing forceps, 10 cm-long curved dressing forceps; 0.8 mm serrated tips; stainless steel. |
| Dissecting scissors for cutting muscle/skin | Kent Scientific | INS600393-G | Dissecting scissors, straight, 10 cm long |
| Endotracheal intubation kit | Kent Scientific | ETI-MSE | Including intubation catheter/tube (20 G), fibre-optic light source and dental spatula |
| Fine scissors | Kent Scientific | INS600124 | McPherson-Vannas micro scissors, 8 cm long, straight, 0.1 mm tips, 5 mm blades; stainless steel. |
| Lasix (furosemide) 20 mg, 2 mL, 5 pack | Sigma Company | LASI A 1 | |
| Heat pad for animal recovery post-op | Passwell | PAD | Passwell Cosy Heat Pad for Animals - 26cm x 36cm; 10 Watts; Soft PVC Cover |
| Ketamine 100 mg, 50 mL | CEVA Animal Heath | KETA I 1 | |
| Needle holder | Kent Scientific | INS600137 | Castroviejo needle holder, serrated, 14 cm long, 1.2 mm jaws with lock |
| PhysioSuite with MouseVent G500 automatic ventilator | Kent Scientific | PS-MVG | |
| Puralube Vet Opthalmic Ointment (sterile occular lubricant) | Dechra | 17033-211-38 | |
| Self-retaining toothed mouse retractor | Kent Scientific | INS600240 | ALM serrated self-retaining retractor, 7 cm long |
| Straight forceps | Kent Scientific | INS650908-4 | Super fine dressing forceps, 12.5 cm Long, serrated tips, 0.35 x 0.10 mm; stainless steel. |
| Surgical magnifying glasses | Kent Scientific | SL-001 | |
| VetFlo vaporizer | Kent Scientific | VetFlo-1205S-M | |
| Xylazine 100 mg, 50 mL | Randlab | XYLA I R01 |
References
- Lund, L. H., et al. The registry of the International Society for Heart and Lung Transplantation: thirty-fourth adult heart transplantation report-2017; focus theme: allograft ischemic time. Journal of Heart and Lung Transplantation. 36 (10), 1037-1046 (2017).
- Roche, C. D., Brereton, R. J. L., Ashton, A. W., Jackson, C., Gentile, C. Current challenges in three-dimensional bioprinting heart tissues for cardiac surgery. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 58 (3), 500-510 (2020).
- Wang, H., Roche, C. D., Gentile, C. Omentum support for cardiac regeneration in ischaemic cardiomyopathy models: a systematic scoping review. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. , Epub ahead of print. ezaa205 (2020).
- Mattapally, S., et al. Spheroids of cardiomyocytes derived from human-induced pluripotent stem cells improve recovery from myocardial injury in mice. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 315 (2), 327-339 (2018).
- Gao, L., et al. Large cardiac muscle patches engineered from human induced-pluripotent stem cell-derived cardiac cells improve recovery from myocardial infarction in swine. Circulation. 137 (16), 1712-1730 (2018).
- Yang, B., et al. A net mold-based method of biomaterial-free three-dimensional cardiac tissue creation. Tissue Engineering Methods (Part C). 25 (4), 243-252 (2019).
- Menasché, P., et al. Human embryonic stem cell-derived cardiac progenitors for severe heart failure treatment: first clinical case report. European Heart Journal. 36 (30), 2011-2017 (2015).
- Menasché, P., et al. Transplantation of human embryonic stem cell-derived cardiovascular progenitors for severe ischemic left ventricular dysfunction. Journal of the American College of Cardiology. 71 (4), 429-438 (2018).
- Beyersdorf, F. Three-dimensional bioprinting: new horizon for cardiac surgery. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 46 (3), 339-341 (2014).
- Noor, N., et al. 3D printing of personalized thick and perfusable cardiac patches and hearts. Advanced Science. 6 (11), 1900344 (2019).
- Maiullari, F., et al. A multi-cellular 3D bioprinting approach for vascularized heart tissue engineering based on HUVECs and iPSC-derived cardiomyocytes. Scientific Reports. 8 (1), 13532 (2018).
- Zhang, Y. S., et al. Bioprinting 3D microfibrous scaffolds for engineering endothelialized myocardium and heart-on-a-chip. Biomaterials. 110, 45-59 (2016).
- Chachques, J. C., et al. Myocardial assistance by grafting a new bioartificial upgraded myocardium (MAGNUM clinical trial): one year follow-up. Cell Transplant. 16 (9), 927-934 (2007).
- Chachques, J. C., et al. Elastomeric cardiopatch scaffold for myocardial repair and ventricular support. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 57 (3), 545-555 (2020).
- Reichert, K., et al. Murine left anterior descending (LAD) coronary artery ligation: an improved and simplified model for myocardial infarction. Journal of Visualized Experiments. (122), e55353 (2017).
- van den Borne, S. W. M., et al. Mouse strain determines the outcome of wound healing after myocardial infarction. Cardiovascular Research. 84 (2), 273-282 (2009).
- Noguchi, R., et al. Development of a three-dimensional pre-vascularized scaffold-free contractile cardiac patch for treating heart disease. Journal of Heart and Lung Transplantation. 35 (1), 137-145 (2016).
- Walker, R. L., Eggel, M. From mice to monkeys? Beyond orthodox approaches to the ethics of animal model choice. Animals. 10 (1), 77 (2020).
- Vagnozzi, R. J., et al. An acute immune response underlies the benefit of cardiac stem-cell therapy. Nature. 577, 405-409 (2019).
- Waters, R., et al. Stem cell-inspired secretome-rich injectable hydrogel to repair injured cardiac tissue. Acta Biomaterialia. 69, 95-106 (2018).
- Cossu, G., et al. Lancet Commission: stem cells and regenerative medicine. Lancet. 391 (10123), 883-910 (2018).
- Kawamura, M., et al. Enhanced therapeutic effects of human iPS cell derived-cardiomyocyte by combined cell-sheets with omental flap technique in porcine ischemic cardiomyopathy model. Scientific Reports. 7 (1), 8824 (2017).
- Lee, K. Y., Mooney, D. J. Alginate: properties and biomedical applications. Progress in Polymer Science. 37 (1), 106-126 (2012).
- Kainuma, S., et al. Cell-sheet therapy with omentopexy promotes arteriogenesis and improves coronary circulation physiology in failing heart. Molecular Therapy. 23 (2), 374-386 (2015).
- Suzuki, R., et al. Omentopexy enhances graft function in myocardial cell sheet transplantation. Biochemical and Biophysical Research Communications. 387 (2), 353-359 (2009).
- Zhou, Q., Zhou, J. Y., Zheng, Z., Zhang, H., Hu, S. S. A novel vascularized patch enhances cell survival and modifies ventricular remodeling in a rat myocardial infarction model. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 140 (6), 1388-1396 (2010).
- Lilyanna, S., et al. Cord lining-mesenchymal stem cells graft supplemented with an omental flap induces myocardial revascularization and ameliorates cardiac dysfunction in a rat model of chronic ischemic heart failure. Tissue Engineering (Part A). 19 (11-12), 1303-1315 (2013).
- Miller, J. S., et al. Rapid casting of patterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensional tissues. Nature Materials. 11 (9), 768-774 (2012).
- Zhang, B., et al. Biodegradable scaffold with built-in vasculature for organ-on-a-chip engineering and direct surgical anastomosis. Nature Materials. 15 (6), 669-678 (2016).
