En apikal resektionsmodel i det voksne Xenopus tropicalis-hjerte
Summary
Xenopus tropicalis er en ideel model for regenerativ forskning, da mange af dets organer besidder en bemærkelsesværdig regenerativ kapacitet. Her præsenterer vi en metode til at konstruere en hjerteskademodel i X. tropicalis via apex resektion.
Abstract
Det er kendt, at hjertet hos voksne pattedyr har mistet sin regenerative kapacitet, hvilket gør hjertesvigt til en af de største dødsårsager på verdensplan. Tidligere forskning har vist den regenerative evne af hjertet af den voksne Xenopus tropicalis, en anuran padde med et diploide genom og et tæt evolutionært forhold til pattedyr. Derudover har undersøgelser vist, at efter ventrikulær apex resektion, hjertet kan regenerere uden ardannelse i X. tropicalis. Derfor tyder disse tidligere resultater på, at X. tropicalis er en passende alternativ hvirveldyrmodel til undersøgelse af voksen hjerteregenerering. En kirurgisk model af hjerteregenerering hos voksne X. tropicalis er præsenteret heri. Kort fortalt blev frøerne bedøvet og fikset; Derefter blev der lavet et lille snit med iridectomy saks, der trængte ind i huden og perikardiet. Blidt tryk blev påført ventriklen, og toppen af ventriklen blev derefter skåret ud med en saks. Hjerteskade og regenerering blev bekræftet ved histologi 7-30 dage efter resektion (dpr). Denne protokol etablerede en apikal resektionsmodel hos voksne X. tropicalis, som kan anvendes til at belyse mekanismerne for voksen hjerteregenerering.
Introduction
Hjertesvigt har været en førende årsag til dødelighed på verdensplan i de senere år. Siden 2000 har antallet af dødsfald på grund af hjertesvigt været stigende over tid. Mere end 9 millioner mennesker døde af kardiomyopati i 2019, hvilket tegnede sig for 16% af det samlede antal dødsfald globalt1. På grund af tabet af hjertets regenerative kapacitet hos voksne pattedyr er der i nogle tilfælde ikke nok kardiomyocytter til at opretholde sammentrækningsfunktionerne i hjertet, hvilket påvirker hjertefunktionen og bidrager til unormal ventrikulær remodellering og hjertesvigt 2,3,4. Faktisk har hjertet hos pattedyr den dårligste regenerative kapacitet sammenlignet med de andre organer, såsom lever, lunger, tarme, blære, knogler og hud. Da aldringen af verdens befolkning bliver en global megatrend, vil de udfordringer, vi står over for med hjertesygdomme, intensiveres5.
Belysning af mekanismerne for hjerteregenerering kan have betydelige konsekvenser for behandlinger for iskæmisk hjertesygdom. Rapporter har afsløret, at hjerterne hos nyfødte mus har en regenerativ kapacitet efter apex resektion6. Ikke desto mindre går denne regenerative kapacitet tabt efter 7dage 7 år. Undersøgelser har vist, at voksne pattedyrs hjerter ikke er i stand til at regenerere, fordi deres kapacitet til kardiomyocytproliferation er faldet 8,9. Imidlertid har hjerterne hos lavere hvirveldyr en kraftig regenerativ kapacitet efter skade. For eksempel er zebrafisk10, X. tropicalis11, Xenopus laevis 12, newt13 og axolotl 14 i stand til fuldstændig regenerering efter apex-resektion. Derudover kan de andre dele af kroppen af nogle lavere hvirveldyr også gennemgå fuldstændig regenerering, såsom lemmerne af newts og haler, linser og arme af tropiske klofrøer 4,15,16.
Etablering af hjerteskademodeller er det første skridt til at belyse mekanismerne bag hjerteregenerering og har stor betydning i regenerativ forskning. Forskere har udviklet forskellige metoder til at opbygge hjerteskademodeller, herunder knivstik, kontusing, genetisk ablation, kryoskade og infarkt 5,6.
Kryoskade, myokardieinfarkt (MI) og apex-resektion anvendes i vid udstrækning til at fremkalde hjerteskade, og typen af skade kan have betydelige virkninger på følgende regenerering af kardiomyocytter6. Afhængigt af den kirurgiske teknik kan hjertets reaktion på regenerering variere. Kryoskade forårsager massiv celledød og producerer fibrotiske ar i zebrafiskens hjerter17, hvilket skaber en model, der ligner pattedyrinfarkt. Apikal resektion udføres ved at skære en del af ventrikelvævet væk, hvilket er gjort i zebrafisk10 og X. tropicalis11, uden at forårsage permanente ar. Denne undersøgelse udførte apikal resektion, hvilket er en enklere operation og kræver færre kirurgiske instrumenter end kryoskade. Ved hjælp af afstamningssporingsanalyse viste en tidligere undersøgelse, at hjerteregenerering er relateret til spredning af kardiomyocytter, der allerede findes i muse6 og zebrafisk18, men der findes ingen rapporter for padder. Derfor spiller modellen for apex resektion i X. tropicalis en vigtig rolle i belysning af mekanismerne bag regenerative reaktioner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Apikal resektion, som involverer kirurgisk amputation af hjertets spids, er blevet beskrevet hos zebrafisk og mus 6,18; Dette er dog ikke beskrevet i X. tropicalis. Denne rapport beskriver en troværdig model for hjerteskade og viser, at hjertet hos voksne X. tropicalis fuldt ud kan regenerere efter apikal resektion uden ardannelse. Der er dog nogle mangler, der skal forbedres, og visse detaljer kræver opmærksomhed.
<p class="jove_content"…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af tilskud fra National Key R&D Program of China (2016YFE0204700), National Natural Science Foundation of China (82070257, 81770240) og Research Grant of Key Laboratory of Regenerative Medicine, Undervisningsministeriet, Jinan University (ZSYXM202004 og ZSYXM202104), Kina.
Materials
| Acetic acid | GHTECH | 64-19-7-500ml | |
| Acid Alcohol Fast Differentiation Solution | Beyotime | C0163M | |
| Acid Fuchsin | aladdin | A104916 | |
| Alcohol Soluble Eosin Y Stainin Solution | Servicebio | G1001-500ML | |
| BioReagent | Beyotime | ST2600-100g | |
| Ethanol absolute | Guangzhou Chemical Reagent Factory | HB15-GR-0.5L | |
| Hematoxylin Stain Solution | Servicebio | G1004-500ML | |
| Neutral balsam | Solarbio | G8590 | |
| Operating Scissors | Prosperich | HC-JZ-YK-Z-10cm | |
| Paraffins | Leica | 39601095 | |
| Para-formaldehyde Fixative | Servicebio | G1101-500ML | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) powder | Servicebio | G0002-2L | |
| Phosphomolybdic acid hydrate | Macklin | P815551 | |
| Stereo microscope | Leica | ||
| surgical forceps | ChangZhou | zfq-11-btjw | |
| Surgical Suture | HUAYON | 18-5140 | |
| Tricaine | Macklin | ||
| Xylene | Guangzhou Chemical Reagent Factory | IC02-AR-0.5L |
References
- Thiara, B. Cardiovascular disease. Nursing Standard. 29 (33), 60 (2015).
- van Amerongen, M. J., Engel, F. B. Features of cardiomyocyte proliferation and its potential for cardiac regeneration. Journal of Cellular and Molecular Medicine. 12 (6), 2233-2244 (2008).
- Burke, A. P., Virmani, R. Pathophysiology of acute myocardial infarction. Medical Clinics of North America. 91 (4), 553-572 (2007).
- Sessions, S. K., Bryant, S. V. Evidence that regenerative ability is an intrinsic property of limb cells in Xenopus. Journal of Experimental Zoology. 247 (1), 39-44 (1988).
- Laflamme, M. A. Heart regeneration. Nature. 473 (7347), 326-335 (2011).
- Mahmoud, A. I., Porrello, E. R., Kimura, W., Olson, E. N., Sadek, H. A. Surgical models for cardiac regeneration in neonatal mice. Nature Protocols. 9 (2), 305-311 (2014).
- Tzahor, E., Poss, K. D. Cardiac regeneration strategies: Staying young at heart. Science. 356 (6342), 1035-1039 (2017).
- Porrello, E. R., et al. Transient regenerative potential of the neonatal mouse heart. Science. 331 (6020), 1078-1080 (2011).
- Porrello, E. R., et al. Regulation of neonatal and adult mammalian heart regeneration by the miR-15 family. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (1), 187-192 (2013).
- Poss, K. D., Wilson, L. G., Keating, M. T. Heart regeneration in zebrafish. Science. 298 (5601), 2188-2190 (2002).
- Liao, S., et al. Heart regeneration in adult Xenopus tropicalis after apical resection. Cell & Bioscience. 7, 70 (2017).
- Marshall, L. N., et al. Stage-dependent cardiac regeneration in Xenopus is regulated by thyroid hormone availability. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (9), 3614-3623 (2019).
- Witman, N., Murtuza, B., Davis, B., Arner, A., Morrison, J. I. Recapitulation of developmental cardiogenesis governs the morphological and functional regeneration of adult newt hearts following injury. Developmental Biology. 354 (1), 67-76 (2011).
- Cano-Martinez, A., et al. Functional and structural regeneration in the axolotl heart (Ambystoma mexicanum) after partial ventricular amputation. Archivos de Cardiología de México. 80 (2), 79-86 (2010).
- Kragl, M., et al. Cells keep a memory of their tissue origin during axolotl limb regeneration. Nature. 460 (7251), 60-65 (2009).
- Oberpriller, J. O., Oberpriller, J. C. Response of the adult newt ventricle to injury. Journal of Experimental Zoology. 187 (2), 249-253 (1974).
- Gonzalez-Rosa, J. M., Martin, V., Peralta, M., Torres, M., Mercader, N. Extensive scar formation and regression during heart regeneration after cryoinjury in zebrafish. Development. 138 (9), 1663-1674 (2011).
- Ellman, D. G., et al. Apex resection in zebrafish (Danio rerio) as a model of heart regeneration: A video-assisted guide. International Journal of Molecular Sciences. 22 (11), 5865 (2021).
- Lee-Liu, D., et al. Genome-wide expression profile of the response to spinal cord injury in Xenopus laevis reveals extensive differences between regenerative and non-regenerative stages. Neural Development. 9, 12 (2014).
- Wu, H. Y., et al. Fosl1 is vital to heart regeneration upon apex resection in adult Xenopus tropicalis. npj Regenerative Medicine. 6 (1), 36 (2021).
- Chablais, F., Jazwinska, A. Induction of myocardial infarction in adult zebrafish using cryoinjury. Journal of Visualized Experiments. (62), e3666 (2012).
