Erzeugung von selbstorganisierenden menschlichen Herzorganoiden aus pluripotenten Stammzellen

Zusammenfassung

Hier beschreiben wir ein Protokoll zur effizienten Herstellung entwicklungsrelevanter menschlicher Herzorganoide (hHOs) unter Verwendung menschlicher pluripotenter Stammzellen durch Selbstorganisation. Das Protokoll beruht auf der sequentiellen Aktivierung von Entwicklungshinweisen und produziert hochkomplexes, funktionell relevantes menschliches Herzgewebe.

Zusammenfassung

Die Fähigkeit, die menschliche Herzentwicklung in Gesundheit und Krankheit zu untersuchen, ist durch die Fähigkeit, die Komplexität des menschlichen Herzens in vitro zu modellieren, stark eingeschränkt. Die Entwicklung effizienterer organähnlicher Plattformen, die komplexe In-vivo-Phänotypen wie Organoide und Organe auf einem Chip modellieren können, wird die Fähigkeit verbessern, die Entwicklung und Erkrankung des menschlichen Herzens zu untersuchen. Dieser Artikel beschreibt ein Protokoll zur Erzeugung hochkomplexer menschlicher Herzorganoide (hHOs) durch Selbstorganisation unter Verwendung menschlicher pluripotenter Stammzellen und schrittweise Aktivierung des Entwicklungsweges unter Verwendung von niedermolekularen Inhibitoren. Embryoide Körper (EBs) werden in einer 96-Well-Platte mit runden, extrem niedrigen Befestigungstöpfen erzeugt, was die Suspensionskultur individualisierter Konstrukte erleichtert.

Die EBs werden durch eine dreistufige Wnt-Signalmodulationsstrategie in hHOs differenziert, die eine anfängliche Wnt-Signalwegaktivierung zur Induktion des kardialen Mesodermenschicksals, einen zweiten Schritt der Wnt-Hemmung zur Schaffung definitiver Herzlinien und einen dritten Wnt-Aktivierungsschritt zur Induktion von Proepikardorgangewebe beinhaltet. Diese Schritte, die in einem 96-Well-Format durchgeführt werden, sind hocheffizient, reproduzierbar und produzieren große Mengen an Organoiden pro Lauf. Die Analyse mittels Immunfluoreszenzbildgebung von Tag 3 bis Tag 11 der Differenzierung zeigt erste und zweite Herzfeldspezifikationen und hochkomplexe Gewebe in hHOs an Tag 15, einschließlich Myokardgewebe mit Regionen von atrialen und ventrikulären Kardiomyozyten sowie interne Kammern, die mit Endokardgewebe ausgekleidet sind. Die Organoide weisen auch ein kompliziertes vaskuläres Netzwerk in der gesamten Struktur und eine äußere Auskleidung des epikarden Gewebes auf. Aus funktioneller Sicht schlagen hHOs robust und weisen eine normale Kalziumaktivität auf, wie sie durch Fluo-4-Live-Imaging bestimmt wird. Insgesamt stellt dieses Protokoll eine solide Plattform für In-vitro-Studien in menschlichen organähnlichen Herzgeweben dar.

Einleitung

Angeborene Herzfehler (KHK) sind die häufigste Art von angeborenen Defekten beim Menschen und betreffen etwa 1% aller Lebendgeburten1,2,3. Unter den meisten Umständen bleiben die Gründe für KHK unbekannt. Die Fähigkeit, menschliche Herzmodelle im Labor zu erstellen, die dem sich entwickelnden menschlichen Herzen sehr ähnlich sind, stellt einen bedeutenden Schritt nach vorne dar, um die zugrunde liegenden Ursachen von KHK beim Menschen und nicht in Leihtiermodellen direkt zu untersuchen.

Der Inbegriff von im Labor gezüchteten Gewebemodellen sind Org....

Protokoll

1. hPSC-Kultur und -Wartung

HINWEIS: Die humanen induzierten PSCs (hiPS-Zellen) oder humanen embryonalen Stammzellen (hES-Zellen) müssen nach dem Auftauen für mindestens 2 aufeinanderfolgende Passagen kultiviert werden, bevor sie zur Erzeugung von EBs zur Differenzierung oder weiteren Kryokonservierung verwendet werden. hPS-Zellen werden in PSC-Medium (siehe Materialtabelle) auf Basalmembran-extrazellulären Matrix (BM-ECM)-beschichteten 6-Well-Kulturplatten kultiviert. Wenn Sie Mediumwechsel an hPSCs in 6-Well-Platten durchführen, fügen Sie das Medium direkt auf der Innenseite des Wells hinzu und nicht direkt auf den Zellen, ....

Ergebnisse

Um eine selbstorganisierende hHO in vitro zu erreichen, haben wir die zuvor beschriebenen Differenzierungsprotokolle für die 2D-Monolayer-Differenzierung von Kardiomyozyten21 und epikardialen ^Zellen22 unter Verwendung von Wnt-Signalwegmodulatoren und für präkardiale 3D-Organoide16 unter Verwendung der Wachstumsfaktoren BMP4 und Activin A modifiziert und kombiniert. wurden die Konzentrationen und Expositionsd.......

Diskussion

Jüngste Fortschritte bei aus menschlichen Stammzellen gewonnenen Kardiomyozyten und anderen Zellen kardialen Ursprungs wurden verwendet, um die menschliche Herzentwicklung zu ^{modellieren22,24,25} und Krankheit26,27,28 und als Werkzeuge zum Screening von ^{Therapeutika29,30} und tox.......

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Antibodies
Alexa Fluor 488 Donkey anti- mouse	Invitrogen	A-21202	1:200
Alexa Fluor 488 Donkey anti- rabbit	Invitrogen	A-21206	1:200
Alexa Fluor 594 Donkey anti- mouse	Invitrogen	A-21203	1:200
Alexa Fluor 594 Donkey anti- rabbit	Invitrogen	A-21207	1:200
Alexa Fluor 647 Donkey anti- goat	Invitrogen	A32849	1:200
HAND1	Abcam	ab196622	Rabbit; 1:200
HAND2	Abcam	ab200040	Rabbit; 1:200
NFAT2	Abcam	ab25916	Rabbit; 1:100
PECAM1	DSHB	P2B1	Rabbit; 1:50
TNNT2	Abcam	ab8295	Mouse; 1:200
THY1	Abcam	ab133350	Rabbit; 1:200
TJP1	Invitrogen	PA5-19090	Goat; 1:250
VIM	Abcam	ab11256	Goat; 1:250
WT1	Abcam	ab89901	Rabbit; 1:200
Media and Reagents
Accutase	Innovative Cell Technologies	NC9464543	cell dissociation reagent
Activin A	R&D Systems	338AC010
B-27 Supplement (Minus Insulin)	Gibco	A1895601	insulin-free cell culture supplement
B-27 Supplement	Gibco	17504-044	cell culture supplement
BMP-4	Gibco	PHC9534
Bovine Serum Albumin	Bioworld	50253966
CHIR-99021	Selleck	442310
D-(-)-Fructose	Millipore Sigma	F0127
DAPI	Thermo Scientific	62248	1:1000
Dimethyl Sulfoxide	Millipore Sigma	D2650
DMEM/F12	Gibco	10566016
Essential 8 Flex Medium Kit	Gibco	A2858501	pluripotent stem cell (PSC) medium containing 1% penicillin-streptomycin
Fluo4-AM	Invitrogen	F14201
Glycerol	Millipore Sigma	G5516
Glycine	Millipore Sigma	410225
Matrigel GFR	Corning	CB40230	Basement membrane extracellular matrix (BM-ECM)
Normal Donkey Serum	Millipore Sigma	S30-100mL
Paraformaldehyde	MP Biomedicals	IC15014601	Powder dissolved in PBS Buffer – use at 4%
Penicillin-Streptomycin	Gibco	15140122
Phosphate Buffer Solution	Gibco	10010049
Phosphate Buffer Solution (10x)	Gibco	70011044
Polybead Microspheres	Polysciences, Inc.	73155	90 µm
ReLeSR	Stem Cell Technologies	NC0729236	dissociation reagent for hPSCs
RPMI 1640	Gibco	11875093
Thiazovivin	Millipore Sigma	SML1045
Triton X-100	Millipore Sigma	T8787
Trypan Blue Solution	Gibco	1525006
VECTASHIELD Vibrance Antifade Mounting Medium	Vector Laboratories	H170010
WNT-C59	Selleck	NC0710557
Other
1.5 mL Microcentrifuge Tubes	Fisher Scientific	02682002
15 mL Falcon Tubes	Fisher Scientific	1495970C
2 mL Cryogenic Vials	Corning	13-700-500
50 mL Reagent Reservoirs	Fisherbrand	13681502
6-Well Flat Bottom Cell Culture Plates	Corning	0720083
8 Well chambered cover Glass with #1.5 high performance cover glass	Cellvis	C8-1.5H-N
96-well Clear Ultra Low Attachment Microplates	Costar	07201680
ImageJ	NIH		Image processing software
Kimwipes	Kimberly-Clark Professional	06-666	laboratory wipes
Micro Cover Glass	VWR	48393-241	24 x 50 mm No. 1.5
Microscope Slides	Fisherbrand	1255015
Moxi Cell Counter	Orflo Technologies	MXZ001
Moxi Z Cell Count Cassette – Type M	Orflo Technologies	MXC001
Multichannel Pipettes	Fisherbrand	FBE1200300	30-300 µL
Olympus cellVivo	Olympus		For Caclium Imaging, analysis with Imagej
Sorvall Legend X1 Centrifuge	ThermoFisher Scientific	75004261
Thermoshaker	ThermoFisher Scientific	13-687-711PM
Top Coat Nail Varish	Seche Vite		Can purchase from any supermarket