Yöntem makalesi

Tasarlanmış Kardiyak Dokuların Veri Toplamasını ve Model Verimini İyileştirmek için Bir Biyoreaktör Tasarlama

DOI:

10.3791/64368

⸱

2 Haziran 2023

 ,  ,  ,  ,  , 
1Cardiovascular Research Institute, Icahn School of Medicine at Mount Sinai

Bu makalede

Düzeltme bildirimi

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kök hücre kaynaklı kardiyomiyositler kullanılarak biyomühendislik yapılan üç boyutlu kalp dokuları, doğal kardiyak nişin temel yönlerini özetlerken, sağlıklı ve hastalıklı insan miyokardını in vitro incelemek için umut verici modeller olarak ortaya çıkmıştır. Bu makale, insan kaynaklı pluripotent kök hücre kaynaklı kardiyomiyositlerden üretilen yüksek içerikli tasarlanmış kardiyak dokuların üretilmesi ve analiz edilmesi için bir protokolü açıklamaktadır.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kalp yetmezliği, dünya çapında önde gelen ölüm nedeni olmaya devam etmekte ve insan kalbinin daha iyi klinik öncesi modellerine acil bir ihtiyaç yaratmaktadır. Doku mühendisliği, temel bilim kardiyak araştırmaları için çok önemlidir; in vitro insan hücre kültürü, hayvan modellerinin türler arası farklılıklarını ortadan kaldırırken, daha doku benzeri bir 3D ortam (örneğin, hücre dışı matris ve heteroselüler eşleşme ile), in vivo koşulları, plastik Petri kapları üzerindeki geleneksel iki boyutlu kültürden daha büyük ölçüde simüle eder. Bununla birlikte, her model sistem, örneğin özel olarak tasarlanmış biyoreaktörler ve fonksiyonel değerlendirme cihazları gibi özel ekipman gerektirir. Ek olarak, bu protokoller genellikle karmaşıktır, emek yoğundur ve küçük, hassas dokuların başarısızlığından muzdariptir.

Bu makale, doku fonksiyonunun uzunlamasına ölçümü için indüklenmiş pluripotent kök hücre kaynaklı kardiyomiyositler kullanılarak sağlam bir insan mühendisliği kalp dokusu (hECT) model sistemi oluşturmak için bir süreci açıklamaktadır. Doğrusal şerit geometrisine sahip altı hECT paralel olarak kültürlenir ve her bir hECT, PDMS raflarına bağlı bir çift kuvvete duyarlı polidimetilsiloksan (PDMS) direğinden asılır. Her gönderi, kullanım kolaylığını, verimi, doku tutmayı ve veri kalitesini artıran yeni bir özellik olan siyah bir PDMS kararlı gönderi izleyici (SPoT) ile sınırlandırılmıştır. Şekil, sehimler sonrası sapmaların güvenilir optik takibine izin vererek, mutlak aktif ve pasif gerilimle gelişmiş seğirme kuvveti izlemeleri sağlar. Kapak geometrisi, direklerden kayan hECT'lerden kaynaklanan doku yetmezliğini ortadan kaldırır ve PDMS raf imalatından sonra ikinci bir adımı içerdiklerinden, SPoT'ler, biyoreaktör üretim sürecinde büyük değişiklikler yapılmadan mevcut PDMS post-based tasarımlarına eklenebilir.

Sistem, fizyolojik sıcaklıklarda hECT fonksiyonunun ölçülmesinin önemini göstermek için kullanılır ve veri toplama sırasında stabil doku fonksiyonunu gösterir. Özetle, in vitro uygulamalar için tasarlanmış kalp dokularının biyolojik uygunluğunu, verimliliğini ve titizliğini ilerletmek için temel fizyolojik koşulları yeniden üreten son teknoloji bir model sistemi açıklıyoruz.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tasarlanmış kardiyak doku modelleri, geleneksel iki boyutlu hücre kültürü ile elde edilmesi zor olan doğal kardiyak nişin çeşitli yönlerini özetlemek için çok çeşitli geometriler ve konfigürasyonlarda gelir. En yaygın konfigürasyonlardan biri, dokunun kendi kendine birleşmesini indüklemek ve dokuya tanımlanmış bir ön yük ve ortaya çıkan seğirme kuvvetlerinin bir okumasını sağlamak için her iki ucunda esnek ankrajlar bulunan doğrusal doku şerididir 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11, 12,13,14,15,16,17,18,19,20,21
,22,23,24,25,26,27. Üretilen kuvvet, doku kısalmasının optik olarak izlenmesi ve ölçülen sapmalardan gelen kuvveti veankrajların yay sabitini hesaplamak için elastik ışın teorisi kullanılarak sağlam bir şekilde belirlenebilir 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11, 12,13,14,15,16,17,18,19,20,
21,22,25,26,28.

Bununla birlikte, kardiyak doku mühendisliği hala gelişen bir alandır ve bazı zorluklar devam etmektedir. Her model sistem 10,29,30,31 için özel yapım biyoreaktörler ve fonksiyonel değerlendirme cihazları gibi özel ekipman gereklidir. Bu yapıların mikro çevresinin boyutu ve karmaşıklığı, emek yoğun protokoller, yüksek sayıda hücre ve doku kırılganlığı nedeniyle genellikle düşük verimle sınırlıdır. Bunu ele almak için, bazı gruplar, ilaç keşfi için yararlı olan yüksek verimli tahlilleri kolaylaştırmak için yalnızca yüzlerce veya binlerce hücre içeren mikro dokuların imalatına yöneldi. Bununla birlikte, bu azaltılmış ölçek, işlev12'nin doğru değerlendirmesini zorlaştırır, doğal kardiyak nişin temel yönlerini (besin/oksijen difüzyon gradyanları ve karmaşık mimari36 gibi) ortadan kaldırır ve sonraki moleküler ve yapısal analiz için mevcut malzeme miktarını sınırlar (genellikle dokuların havuzlanmasını gerektirir). Tablo 1, literatürdeki lineer doku şeridi modellerinin bazı konfigürasyonlarını özetlemektedir 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18,19,20,
21,22,23,24,25,26,37,38,39,40.

GrupDoku başına hücre sayısıPlaka başına dokuPlaka formatıAnkraj özelliğiİşlevsel veri toplama yöntemiPaylaşılan medya banyosu mu?İşlevsel ölçü-
ment in situ mu?
Yoshida (EKT)384 milyon6modifiye edilmiş 6 kuyucuklu plaka*kuvvet dönüştürücüDoğrudan Kuvvet ÖlçümüHayırHayır
Chan (hESC-CM-ECT'ler)26310 bin6Özel 6 kuyulu çanakPDMS gönderileriDoğrudan Kuvvet ÖlçümüevetHayır
Feinberg (dyn-EHT)161.5 milyon6Özel 6 kuyulu çanakPDMS kablosudoku şekliHayırevet
RDISIC (BioWire)39, 40110 bin8polimer telTel şeklievetevet
Kosta (tek hECT)1, 21-2 milyon4**10 cm Petri kabı**PDMS gönderileriOptik sapma (kenar/nesne izleme)evetevet
Kosta (çok hECT)3–9500 K-1 milyon66 cm Petri kabıPDMS gönderileriOptik sapma (kenar/nesne izleme)evetevet
Costa (SPoT ile çok hECT)1 milyon66 cm Petri kabıSiyah kapaklı PDMS gönderileriOptik sapma (nesne izleme)evetevet
Yolcu (EHT)17245 bin3612 oyuklu plakaSiyah kapaklı PDMS gönderileriOptik sapma (nesne izleme)evetevet
Vunjak-Novakoviç13, 181 milyon126 cm Petri kabıKapaklı PDMS gönderileriOptik sapma (kenar algılama)evetevet
Vunjak-Novakovic (MilliPillar)14550 bin6Özel 6 kuyulu çanakKapaklı PDMS gönderilerioptik sapma (nesne izleme); Kalsiyum görüntülemeHayırevet
Eschenhagen (EHT)10, 19–211 milyon1212 oyuklu plakaKapaklı PDMS gönderilerioptik sapma (post sapmanın kenar tespiti); Kalsiyum görüntülemeHayırevet
Zandstra (CaMiRi)2225-150 bin9696 oyuklu plakaKancalı PDMS direkleriOptik sapma (kenar algılama)Hayırevet
Murry23, 24900 bin2424 oyuklu plakaKapaklı PDMS direkleri, entegre mıknatısManyetik sensörHayırevet
Reich (μTUG)11, 12, 25Tanımsız156156 kuyucuklu çanakKapaklı PDMS direkleri, entegre mıknatısOptik İzleme (Floresan Boncuk)evetevet

Tablo 1: Literatürdeki bazı lineer mühendislik kalp dokusu modellerinin özellikleri. Doğrusal mühendislik ürünü kalp dokusu modelleri, boyut, verim, ankraj özelliği tasarımları ve paylaşılan ortam banyolarının kolaylaştırılmasının yanı sıra fonksiyonel karakterizasyon için ayrı bir kas banyosu sistemi gereksinimleri bakımından farklılık gösterir. * Araştırmacılar, standart bir 6 oyuklu plakanın boyutlarına dayanan, ticari olarak temin edilebilen bir mühendislik doku sistemi kullandılar. ** Tek dokulu biyoreaktörlerin herhangi bir plastik kültür kabına istenilen sayı ve yerde ankrajlandığı modüler bir sistemdir.

Bu makale, yerleşik doğrusal insan mühendisliği kalp dokusu (hECT) modelimizi üretmek için en son protokolü açıklamaktadır1,2,3,4,5,6,7,8,9,15,27 ve hECT kasılma fonksiyonunu değerlendirme yöntemleri. Her çok dokulu biyoreaktör, paylaşılan bir ortam banyosunda altı hekte kadar barındırır ve sert bir polisülfon çerçeve üzerine monte edilmiş silikon elastomer polidimetilsiloksan'dan (PDMS) yapılmış iki "raf" parçasından oluşur. Her PDMS rafı, 0,5 mm çapında ve 3,25 mm uzunluğunda altı esnek entegre kuvvet algılama direği içerir ve birlikte, iki raf, her biri bir heECT tutan altı çift direk sağlar. Biyoreaktörün ters çevrilmesi, kültür ortamından su yoğunlaşması veya hava-sıvı arayüzünün menisküsünden kaynaklanan bozulmalar nedeniyle hECT'lerin aşağıdan görselleştirilmesine yönelik herhangi bir engelin üstesinden gelmeye yardımcı olur. Bir hECT'nin her kasılması, entegre uç direklerin sapmasına neden olur ve sapma sinyalinin optik ölçümü, hECT 1,2,3,4,5,6,7,8,9,15,27'nin kasılma fonksiyonunu temsil eden bir kuvvete karşı zaman izlemesine işlenir . Tipik olarak bu boyuttaki dokular için kullanılan tek dokulu biyoreaktörlerle karşılaştırıldığında, çok dokulu tasarım deneysel verimi artırır ve potansiyel olarak farklı hücresel bileşime sahip bitişik dokular arasında parakrin sinyalizasyonunun incelenmesini sağlar. Bu sistem, hastalık modellemesi 4,8, parakrin sinyalleme 6,7, heteroselüler kültür 5,9 ve terapötik tarama 7,9'daki uygulamaları açıklayan yayınlanmış çalışmalarda doğrulanmıştır.

Bu sistemde, hECT'ler yaklaşık 6 mm uzunluğunda ve 0,5 mm çapında olacak şekilde tasarlanmıştır ve düşük gürültülü kuvvet ölçümlerinin sağlam optik takibini kolaylaştırır. Ayrıca, difüzyon gradyanları ve hücresel organizasyon gibi doku karmaşıklığının yönleri, doku başına 1 milyon hücrelik yönetilebilir bir gereksinimle dengelenir. Standart CCD kamera teknolojisiyle, 1 μN kadar zayıf kuvvetler (sapma sonrası 5 μm'den daha azını temsil eder) net bir sinyal üreterek, bazı hECT hastalık modellerinde gözlemlendiği gibi son derece zayıf kasılma fonksiyonunun bile doğru bir şekilde ölçülebilmesini sağlar. Bu aynı zamanda seğirme kuvveti eğrisinin ayrıntılı analizini kolaylaştırır, böylece gelişmiş kuvvet, kasılma (+dF/dt) ve gevşeme (−dF/dt) oranları ve vuruş hızı değişkenliği dahil olmak üzere 16'ya kadar kasılma metriğinin41 yüksek içerikli analizini mümkün kılar.

Bu protokol, biyoreaktör bileşenlerinin üretilmesi için talimatlarla başlar. HEKT verimini en üst düzeye çıkarmak, doku fonksiyonundaki teknik değişkenliği azaltmak ve doku değerlendirmesinin kalitesini ve derinliğini optimize etmek için adımlara özel önem verilir. Kardiyak doku mühendisliği çalışmalarının çoğu, bu alanda iyi bilinen bir zorluk olmasına ve çalışmaların verimini ve verimliliğini azaltmasına rağmen, üretim ve uzun süreli testler sırasında doku kaybı oranlarını bildirmemektedir27. Burada açıklanan doku mühendisliği yöntemleri, biyoreaktörlerin çoğunda (PDMS raflarının nasıl üretildiğine bakılmaksızın) tüm hECT'lerin tutulmasını sağlamak için yıllar içinde rafine edilmiştir. Bununla birlikte, %5-20'lik bir doku kaybı bile, özellikle mevcut kardiyomiyosit sayısı ile sınırlı daha küçük deneylerde (örneğin, bazı hastalıklı hücre dizileri4 ile farklılaşma zorlukları nedeniyle veya ticari olarak satın alınan kardiyomiyositlerin yüksek maliyeti nedeniyle) veya tedavi durumu (örneğin, çeşitli tedavi bileşiklerinin sınırlı mevcudiyeti veya yüksek maliyeti) ile istatistiksel gücü önemli ölçüde etkileyebilir.

Bu protokol, hECT'leri27 tutan kuvvet algılama direklerinin uçlarında kapaklar olarak işlev gören PDMS raflarının yeni bir özelliği olan kararlı direk izleyicilerin (SPoT'ler) imalatını açıklar. Kapak geometrisinin, direklerin düşmesinden veya çekilmesinden kaynaklanan hECT kaybını nasıl önemli ölçüde azalttığı, böylece kapaksız direklerde kültürlenmesi zor olan daha çeşitli sertlik ve gerilimlere sahip hEKT'lerin kültürlenmesi için yeni fırsatlar açtığı gösterilmiştir. Ek olarak, SPoT'ler, tutarlı ve iyi tanımlanmış bir şekil27 aracılığıyla hECT kasılmasının optik takibini iyileştirmek için yüksek kontrastlı bir nesne sağlar. Bunu, insan kaynaklı pluripotent kök hücrelerin (iPSC'ler) kültürlenmesinin ve daha önce yayınlanmışprotokoller 3,42,43'e dayalı kardiyomiyosit farklılaşmasının bir açıklaması ve hECT üretimi, kültürü ve fonksiyonel ölçümlerinin bir açıklaması takip eder.

Bu makale aynı zamanda fizyolojik sıcaklıkta doku fonksiyonunu ölçme ihtiyacını da ele almaktadır. İnsan miyokardının (fetal ve yetişkin sağlıklı ve hastalıklı doku) yanı sıra çok çeşitli hayvan türlerinden (sıçanlar, kediler, fareler, gelincikler ve tavşanlar dahil) alınan kalp dokusu44,45, fizyolojik sıcaklığa kıyasla 28 °C-32 °C sıcaklıklarda frekansla eşleşen seğirme kuvvetinde belirgin bir artış gösterir - hipotermik inotropi olarak bilinen bir fenomen 45, 46. Bununla birlikte, sıcaklığın tasarlanmış miyokard dokusu fonksiyonu üzerindeki etkileri yeterince araştırılmamıştır. Literatürdeki birçok yeni tasarlanmış kalp dokusu modeli, fizyolojik koşullarayaklaşık 37 °C'de fonksiyonel olarak değerlendirilecek şekilde tasarlanmıştır 13,14,37. Bununla birlikte, bildiğimiz kadarıyla, tasarlanmış kalp dokuları tarafından üretilen kuvvet üzerindeki sıcaklığa bağlı etkiler sistematik olarak araştırılmamıştır. Bu protokol, test sırasında ısı kaybını en aza indirmenin yanı sıra, steriliteden ödün vermeden hECT'leri fizyolojik sıcaklıkta tutabilen fonksiyonel ölçümler için kuruluma yalıtılmış bir ısıtma elemanının dahil edilmesine izin veren bir pacing elektrot tasarımını açıklar27. Daha sonra, geliştirilen kuvvet, spontan atım frekansı, +dF/dt ve −dF/dt dahil olmak üzere sıcaklığın hECT fonksiyonu üzerindeki gözlemlenen etkilerinden bazılarını rapor ediyoruz. Toplamda, bu makale, insan tarafından tasarlanmış kalp dokularını üretmek ve kasılma işlevlerini değerlendirmek için bu çok dokulu kuvvet algılayıcı biyoreaktör sistemini üretmek için gereken ayrıntıları sağlar ve oda sıcaklığında ve 37 ° C'de ölçümler için bir karşılaştırma sağlayan bir dizi veri sunulur27.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu protokol, tanımlanmamış bir iPSC hattı olan SkiPS 31.3'ü (orijinal olarak 45 yaşındaki sağlıklı bir erkekten alınan dermal fibroblastlar kullanılarak yeniden programlanmıştır)47






figure-protocol-1

figure-protocol-2

figure-protocol-3








figure-protocol-4

figure-protocol-5
&D

figure-protocol-6



figure-protocol-7



figure-protocol-8

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yukarıdaki protokolü takiben, kardiyomiyositler daha önce grubumuz 9,15 tarafından kullanılan sağlıklı bir iPSC hattından üretildi ve kültürde 8-61 gün sonra hEKT'lere üretildi. Şekil 9A

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Literatürde yayınlanmış çok sayıda lineer mühendislik kardiyak doku modeli vardır ve bunların bazıları Tablo 1'de tanımlanmıştır. Bazı modeller doku kuvvetinin doğrudan ölçülmesini içerir, ancak bunlar tipik olarak yapının ayrı bir kas banyosunaaktarılmasını gerektirir 38. Çoğu model, dokular her iki uçta, en yaygın olarakPDMS direkleri 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 <...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

KDC, Novoheart'ın kurucu ortağı ve Baş Bilim Sorumlusudur ve holding şirketi Medera Biopharmaceutical'da hisse sahibidir. Novoheart, bu çalışmanın finansmanına, planlanmasına veya yürütülmesine katkıda bulunmadı; ancak, çalışma sonuçlarının Novoheart ve Medera üzerinde potansiyel olarak finansal bir etkisi olabilir. Diğer yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar, bu yöntemle ilgili önceki çalışmaları için Dr. Timothy Cashman'a teşekkür eder. Bu çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) (R01-HL132226 ve K01 HL133424) ve Leducq Vakfı Uluslararası Mükemmellik Ağları Programı (CURE-PLaN) tarafından finanse edilerek desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
0,25 mm çap 304 Paslanmaz Çelik TelMcMaster Carr6517K61 
% 0.25 tripsin-EDTAGibco25200056
1.7 mL MikrotüplerAxygenMCT-175-C
10 cm tabaklar (20 mm boyunda)Corning353003
10 mL Serolojik PipetDrummond6-000-010
10 N NaOHFisher ScientificSS225-1steril damıtılmış suda 1:10 seyreltin
10X Modifiye Kartal OrtaSigma AldrichM0275
20 - 200 μ LMikropipet Eppendorf3123000055
200 μ L Mikro Pipet UçlarıVWR76322-150
5 mL Serolojik PipetDrummond6-000-005
50 mL Konik Santrifüj TüpleriFalcon352070
6 cm Petri KabıCorning353002
6 Watt LED Çift Deveboynu AydınlatıcıAmScope  LED-6W 
6 Kuyulu PlakalarCorning353046
90 derece açılı aynaEdmund Optics45-594
Akrilik yapıştırma yapıştırıcısıSCIGRIP#4
Ayarlanabilir 10 cm x 10 cm jakFisher Scientific14-673-50
Alüminyum 6061McMaster Carr9008K82
A-Plan 10X Objektif LensZEISS1020-863
Otoklav TorbalarıPropper21002
B-27 takviyesiThermoFisher17504044
B-27 takviyesi (insülinsiz)ThermoFisherA1895601
Tezgah Üstü SantrifüjEppendorf5810 R
Siyah ABSUltimaker2,85 mm genişliğinde
Sığır Kollajen IGibcoA1064401 CHIR99021
Tocris4423
Sınıf II Biyogüvenlik KabiniLabconco3430009
Şeffaf Akrilik Kaplamaestreetplastics10025024366,25 mm kalınlığında
CNC Dik FrezeHaasVF-1
İletken Grafit ÇubuklarMcMaster Carr1763T33
Diseksiyon mikroskobuOlympusSZ61
Dulbecco'nun Modifiye Eagle Medium/Ham'ın F-12 Besin KarışımıThermoFisher11330032
EtanolFisher ScientificA4094Suda %70'e seyreltin
EVE Otomatik Hücre sayacıNanoEntekE1000
EVE Hücre Sayma SlaytıNanoEntekEVS-050
Fetal Sığır SerumuYaşam Teknolojileri10438026
İnce Kavisli ForsepsGüzel Bilim Araçları11253-25
Forma Seri II Su Ceketli CO2 İnkübatörüThermo Electron Corporation3110AKA "inkübatör". HEPA sınıf 100 filtre
Fusion360 yazılımıAutodeskAKA "CAD yazılımı"
Cam HemositometreReichert14750.1 mm derinliğinde
HEPESSigma AldrichH3784
hESC nitelikli matrigelCorning354277AKA "bazal membran matrisi". Dondurulmuş alikotlarda saklayın
Yüksek Hızlı CCD KameraPixelLINKP7410
Ters MikroskopCarl Zeiss WerkAxiovert 40 CFL10X faz kontrast objektif
IWR-1Selleck ChemS7086
LabView YazılımıNational Instruments2016
Laminer akış temiz tezgahNuAireNU-201-330hECT fonksiyonel analizi için gerekli
LaptopAsusTekStrixIntel Core i & işlemci, CPU 2.8GHz, 16GB RAM
Lazer Kesim MakinesiEpilogHelix 24
Büyütme kulaklığıExcelBlades70020İnce manipülasyon gerektiren adımlar için önerilir
MatlabMathworksSürüm 2019b veya üstüAKA "veri analizi yazılım"
Mikro Vannas Makas, 3 mm bıçakWPI Aletleri501839
Mikroskop Bom StandıOlympusSZ2-STU1
Penisilin-Streptomisin stok çözeltisiThermoFisher1514012210.000 IU/ml penisilin; 10.000 μ g/ml streptomisin
İki değerlikli katyonlar içermeyen fosfat tamponlu salinSigma AldrichP3813Damıtılmış suda 1X ve 10X konsantrasyonlarına seyreltilmiş
Pipet Kontrol CihazıDrummond4-000-100
PixelLINK Yakalama OEMPixelLINK10.2.1.6AKA "Kamera Yazılımı"
PolisülfonMcMaster Carr86735K73yarı saydam kehribar rengi
Politetrafloroetilen (PTFE)McMaster Carr8545K176 Siyah, kalıplı
ReLeSRKök Hücre Teknolojileri5872AKA "iPSC ayrışma ortamı"
Rosewell Park Memorial Institute 1640 MedyaThermoFisher11875135
Silikon KaplamaSMI üretimiparlak, 0.02 inç kalınlık, durometre 40
Boyut 10/0 Mavi, Yeşil, Kırmızı ve Sarı Cam TohumBoncukları Michael'ınrengi dayanmalı otoklavlama
SpatulaFisher Scientific14-373
Kare Nabız Stimülatörünü karıştırmak için kullanılır Astro-Med / Çim TeknolojileriS88X
Paslanmaz Çelik RazobladesGEM62-0179-CTNdaha düşük sertlik nedeniyle paslanmaz olmayan çeliğe tercih edilir
StemflexThermoFisherA3349401AKA "iPSC kültür ortamı"
Steril damıtılmış suThermoFisher5230
Sylgard 170 -  Silikon Elastomer Kapsülleyici Siyah 0,9 kg KitDowDOWSIL 170 2LB KITAKA siyah Polidimetilsiloksan (siyah PDMS)
Sylgard 184 - Silikon Elastomer Şeffaf 1 lb KitDowDC 184 SYLGARD 0,5KG 1,1 LB KITAKA Polidimetilsiloksan (PDMS)
Sıcaklık kontrollü ısıtmalı kademeOkolabH401-HG-SMUYüksekliği 10 cm'ye ayarlayın
Termoplastik 3D yazıcıUltimakerUltimaker 3
ThiazovivinSelleck ChemS1459
Tripan MaviNanoEntekEBT-001
Vakum OdasıBel-Art ParçalarıF42027-0000
Değişken Hızlı Mini Şerit TestereMicro-Mark82203
Değişken Hızlı Minyatür Matkap PresiMicro-Mark82959
Titreşim İzolasyon MasasıLabconco3618000
Tartı TekneleriVWR10803-140
Pençe Silindir Tezgah KelepçesiVWR97035-528AKA vidalı kelepçe
ile PDMS ,

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Serrao, G. W., et al. Myocyte-depleted engineered cardiac tissues support therapeutic potential of mesenchymal stem cells. Tissue Engineering. Part A. 18 (13-14), 1322-1333 (2012).
  2. Turnbull, I. C., et al. Advancing functional engineered cardiac tissues toward a preclinical model of human myocardium. FASEB Journal. 28 (2), 644-654 (2014).
  3. Cashman, T. J., et al. Construction of defined human engineered cardiac tissues to study mechanisms of cardiac cell therapy. Journal of Visualized Experiments. (109), e53447(2016).
  4. Stillitano, F., et al. Genomic correction of familial cardiomyopathy in human engineered cardiac tissues. European Heart Journal. 37 (43), 3282-3284 (2016).
  5. Mayourian, J., et al. Experimental and computational insight into human mesenchymal stem cell paracrine signaling and heterocellular coupling effects on cardiac contractility and arrhythmogenicity. Circulation Research. 121 (4), 411-423 (2017).
  6. Mayourian, J., et al. therapeutic paracrine modulation of cardiac excitation-contraction coupling. Circulation Research. 122 (1), 167-183 (2018).
  7. Mayourian, J., et al. Exosomal microRNA-21-5p mediates mesenchymal stem cell paracrine effects on human cardiac tissue contractility. Circulation Research. 7 (122), 933-944 (2018).
  8. Turnbull, I. C., et al. Cardiac tissue engineering models of inherited and acquired cardiomyopathies. Methods in Molecular Biology. 1816, 145-159 (2018).
  9. Murphy, J. F., et al. Adult human cardiac stem cell supplementation effectively increases contractile function and maturation in human engineered cardiac tissues. Stem Cell Research & Therapy. 10 (1), 373(2019).
  10. Breckwoldt, K., et al. Differentiation of cardiomyocytes and generation of human engineered heart tissue. Nature Protocols. 12 (6), 1177-1197 (2017).
  11. Huang, C. Y., et al. Enhancement of human iPSC-derived cardiomyocyte maturation by chemical conditioning in a 3D environment. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 138, 1-11 (2020).
  12. Ramade, A., Legant, W. R., Picart, C., Chen, C. S., Boudou, T. Microfabrication of a platform to measure and manipulate the mechanics of engineered microtissues. Methods in Cell Biology. 121, 191-211 (2014).
  13. Ronaldson-Bouchard, K., et al. Engineering of human cardiac muscle electromechanically matured to an adult-like phenotype. Nature Protocols. 14 (10), 2781-2817 (2019).
  14. Tamargo, M. A., et al. milliPillar: A platform for the generation and real-time assessment of human engineered cardiac tissues. ACS Biomaterials Science & Engineering. 7 (11), 5215-5229 (2021).
  15. Ceholski, D. K., et al. CXCR4 and CXCR7 play distinct roles in cardiac lineage specification and pharmacologic β-adrenergic response. Stem Cell Research. 23, 77-86 (2017).
  16. Bliley, J. M., et al. Dynamic loading of human engineered heart tissue enhances contractile function and drives a desmosome-linked disease phenotype. Science Translational Medicine. 13 (603), (2021).
  17. Ribeiro, M. C., et al. A new versatile platform for assessment of improved cardiac performance in human-engineered heart tissues. Journal of Personalized Medicine. 12 (2), 214(2022).
  18. Ronaldson-Bouchard, K., et al. Advanced maturation of human cardiac tissue grown from pluripotent stem cells. Nature. 556 (7700), 239-243 (2018).
  19. Mannhardt, I., et al. Human engineered heart tissue: Analysis of contractile force. Stem Cell Reports. 7 (1), 29-42 (2016).
  20. Mannhardt, I., et al. Blinded contractility analysis in hiPSC-cardiomyocytes in engineered heart tissue format: Comparison with human atrial trabeculae. Toxicological Sciences. 158 (1), 164-175 (2017).
  21. Saleem, U., et al. Force and calcium transients analysis in human engineered heart tissues reveals positive force-frequency relation at physiological frequency. Stem Cell Reports. 14 (2), 312-324 (2020).
  22. Thavandiran, N., et al. Functional arrays of human pluripotent stem cell-derived cardiac microtissues. Scientific Reports. 10 (1), 6919(2020).
  23. Bielawski, K. S., Leonard, A., Bhandari, S., Murry, C. E., Sniadecki, N. J. Real-time force and frequency analysis of engineered human heart tissue derived from induced pluripotent stem cells using magnetic sensing. Tissue Engineering. Part C, Methods. 22 (10), 932-940 (2016).
  24. Leonard, A., et al. Afterload promotes maturation of human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocytes in engineered heart tissues. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 118, 147-158 (2018).
  25. Bose, P., Huang, C. Y., Eyckmans, J., Chen, C. S., Reich, D. H. Fabrication and mechanical properties measurements of 3D microtissues for the study of cell-matrix interactions. Methods in Molecular Biology. 1722, 303-328 (2018).
  26. Zhang, W., et al. Maturation of human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes (hESC-CMs) in 3D collagen matrix: Effects of niche cell supplementation and mechanical stimulation. Acta Biomaterialia. 49, 204-217 (2017).
  27. van Neste, C. Advances in bioreactor design and multi-dimensional analysis for assessing maturation phenotype of human engineered cardiac tissues. PhD thesis. Icahn School of Medicine at Mount Sinai. , New York. https://www.prouest.com/docview/2722362863 (2022).
  28. Sala, L., et al. MUSCLEMOTION: A versatile open software tool to quantify cardiomyocyte and cardiac muscle contraction in vitro and in vivo. Circulation Research. 122 (3), e5-e16 (2018).
  29. Salazar, B. H., Cashion, A. T., Dennis, R. G., Birla, R. K. Development of a cyclic strain bioreactor for mechanical enhancement and assessment of bioengineered myocardial constructs. Cardiovascular Engineering and Technology. 6 (4), 533-545 (2015).
  30. Putame, G., et al. Application of 3D printing technology for design and manufacturing of customized components for a mechanical stretching bioreactor. Journal of Healthcare Engineering. 2019, 3957931(2019).
  31. Akintewe, O. O., Roberts, E. G., Rim, N. -G., Ferguson, M. A. H., Wong, J. Y. Design approaches to myocardial and vascular tissue engineering. Annual Review of Biomedical Engineering. 19, 389-414 (2017).
  32. Chen, G., et al. Phospholamban as a crucial determinant of the inotropic response of human pluripotent stem cell-derived ventricular cardiomyocytes and engineered 3-dimensional tissue constructs. Circulation. Arrhythmia and Electrophysiology. 8 (1), 193-202 (2015).
  33. Giacomelli, E., et al. Human-iPSC-derived cardiac stromal cells enhance maturation in 3D cardiac microtissues and reveal non-cardiomyocyte contributions to heart disease. Cell Stem Cell. 26 (6), 862-879 (2020).
  34. Beauchamp, P., et al. 3D co-culture of hiPSC-derived cardiomyocytes with cardiac fibroblasts improves tissue-like features of cardiac spheroids. Frontiers in Molecular Biosciences. 7, 14(2020).
  35. Campostrini, G., et al. functional analysis and applications of isogenic three-dimensional self-aggregating cardiac microtissues from human pluripotent stem cells. Nature Protocols. 16 (4), 2213-2256 (2021).
  36. Swiatlowska, P., Iskratsch, T. Tools for studying and modulating (cardiac muscle) cell mechanics and mechanosensing across the scales. Biophysical Reviews. 13 (5), 611-623 (2021).
  37. Zhao, Y., et al. Engineering microenvironment for human cardiac tissue assembly in heart-on-a-chip platform. Matrix Biology. 85-86, 189-204 (2020).
  38. Fujiwara, Y., Deguchi, K., Miki, K., Nishimoto, T., Yoshida, Y. A method for contraction force measurement of hiPSC-derived engineered cardiac tissues. Methods in Molecular Biology. 2320, 171-180 (2021).
  39. Wang, E. Y., et al. Biowire model of interstitial and focal cardiac fibrosis. ACS Central Science. 5 (7), 1146-1158 (2019).
  40. Zhao, Y., et al. A platform for generation of chamber-specific cardiac tissues and disease modeling. Cell. 176 (4), 913-927 (2019).
  41. Lee, E. K., et al. Machine learning of human pluripotent stem cell-derived engineered cardiac tissue contractility for automated drug classification. Stem Cell Reports. 9 (5), 1560-1572 (2017).
  42. Batalov, I., Feinberg, A. W. Differentiation of cardiomyocytes from human pluripotent stem cells using monolayer culture. Biomarker Insights. 10, 71-76 (2015).
  43. Lian, X., et al. Robust cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells via temporal modulation of canonical Wnt signaling. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (27), E1848-E1857 (2012).
  44. Penefsky, Z. J., Buckley, N. M., Litwak, R. S. Effect of temperature and calcium on force-frequency relationships in mammalian ventricular myocardium. Pflugers Archiv. 332 (4), 271-282 (1972).
  45. Bers, D. M. Excitation-Contraction Coupling and Cardiac Contractile Force. , Springer. Dordrecht, the Netherlands. (2001).
  46. Kanaya, N., Gable, B., Wickley, P. J., Murray, P. A., Damron, D. S. Experimental conditions are important determinants of cardiac inotropic effects of propofol. Anesthesiology. 103 (5), 1026-1034 (2005).
  47. Galende, E., et al. Amniotic fluid cells are more efficiently reprogrammed to pluripotency than adult cells. Cellular Reprogramming. 12 (2), 117-125 (2010).
  48. Wacker-Gussmann, A., Strasburger, J. F., Cuneo, B. F., Wakai, R. T. Diagnosis and treatment of fetal arrhythmia. American Journal of Perinatology. 31 (7), 617-628 (2014).
  49. Federmann, M., Hess, O. M. Differentiation between systolic and diastolic dysfunction. European Heart Journal. 15, 2-6 (1994).
  50. Knight, W. E., et al. Maturation of pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes enables modeling of human hypertrophic cardiomyopathy. Stem Cell Reports. 16 (3), 519-533 (2021).
  51. Ma, Z., et al. Contractile deficits in engineered cardiac microtissues as a result of MYBPC3 deficiency and mechanical overload. Nature Biomedical Engineering. 2 (12), 955-967 (2018).
  52. de Lange, W. J., et al. Human iPSC-engineered cardiac tissue platform faithfully models important cardiac physiology. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology. 320 (4), H1670-H1686 (2021).
  53. Hiranandani, N., Varian, K. D., Monasky, M. M., Janssen, P. M. L. Frequency-dependent contractile response of isolated cardiac trabeculae under hypo-, normo-, and hyperthermic conditions. Journal of Applied Physiology. 100 (5), 1727-1732 (2006).
  54. Puglisi, J. L., Bassani, R. A., Bassani, J. W., Amin, J. N., Bers, D. M. Temperature and relative contributions of Ca transport systems in cardiac myocyte relaxation. The American Journal of Physiology. 270 (5), H1772-H1778 (1996).
  55. Puglisi, J. L., Yuan, W., Bassani, J. W., Bers, D. M. Ca(2+) influx through Ca(2+) channels in rabbit ventricular myocytes during action potential clamp: Influence of temperature. Circulation Research. 85 (6), e7-e16 (1999).
  56. Li, R. A., et al. Bioengineering an electro-mechanically functional miniature ventricular heart chamber from human pluripotent stem cells. Biomaterials. 163, 116-127 (2018).
  57. Sharma, A., et al. Biomanufacturing in low Earth orbit for regenerative medicine. Stem Cell Reports. 17 (1), 1-13 (2022).
  58. Strauss, D. G., Wu, W. W., Li, Z., Koerner, J., Garnett, C. Translational models and tools to reduce clinical trials and improve regulatory decision making for QTc and proarrhythmia risk (ICH E14/S7B updates). Clinical Pharmacology & Therapeutics. 109 (2), 319-333 (2021).
  59. Gintant, G., et al. Repolarization studies using human stem cell-derived cardiomyocytes: Validation studies and best practice recommendations. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 117, 104756(2020).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Düzeltme

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Formal Correction: Erratum: Designing a Bioreactor to Improve Data Acquisition and Model Throughput of Engineered Cardiac Tissues
Posted by JoVE Editors on 1/10/2024. Citeable Link.

An erratum was issued for: Designing a Bioreactor to Improve Data Acquisition and Model the Throughput of Engineered Cardiac Tissues. The title was corrected from:

Designing a Bioreactor to Improve Data Acquisition and Model the Throughput of Engineered Cardiac Tissues

to:

Designing a Bioreactor to Improve Data Acquisition and Model Throughput of Engineered Cardiac Tissues

Etiketler

Engineered Cardiac TissuesBioreactor DesignHuman Heart ModelInduced Pluripotent Stem CellsTissue EngineeringPDMS RacksStable Post TrackerOptical TrackingForce MeasurementParacrine Signaling

İlgili makaleler