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Method Article
Aquí describimos y validamos un método para generar consistentemente cardiomiocitos derivados de células madre pluripotentes inducidas por humanos robustos y caracterizar su función. Estas técnicas pueden ayudar a desarrollar información mecanicista sobre las vías de señalización, proporcionar una plataforma para la detección de drogas a gran escala y modelar de forma fiable las enfermedades cardíacas.
Los cardiomiocitos derivados de células madre pluripotentes inducidos por el hombre (iPSC-CP) proporcionan una valiosa fuente humana para estudiar la ciencia básica de las vías de manejo y señalización del calcio (Ca2+),así como los ensayos de toxicidad y detección de fármacos de alto rendimiento. En este documento, proporcionamos una descripción detallada de las metodologías utilizadas para generar iPSC-CP de alta calidad que pueden reproducir consistentemente características moleculares y funcionales a través de diferentes líneas celulares. Además, se describe un método para evaluar de forma fiable su caracterización funcional mediante la evaluación de las propiedades de manipulación de Ca2+. Las condiciones de bajo oxígeno (O2),la selección de lactato y el tiempo prolongado en el cultivo producen cardiomiocitos ventriculares de alta pureza y alta calidad. Al igual que los cardiomiocitos adultos aislados de ratas (ARCM), los iPSC-CP de 3 meses de edad presentan una mayor amplitud de Ca2+, una tasa más rápida de retoma de Ca2+ (decay-tau) y una respuesta lusitrópica positiva a la estimulación adrenérgica en comparación con el día 30 iPSC-CP. La estrategia es técnicamente simple, rentable y reproducible. Proporciona una plataforma robusta para modelar enfermedades cardíacas y para el cribado de fármacos a gran escala para apuntar a Ca2+ manipulando proteínas.
Los cardiomiocitos derivados de células madre pluripotentes inducidos por el hombre (iPSC-CP) son una atractiva plataforma basada en el hombre para modelar una gran variedad de enfermedades cardíacas in vitro1,2,3,4,5,6,7,8. Además, los iPSC-CP se pueden utilizar para la predicción de las respuestas de los pacientes a fármacos novedosos o existentes, para detectar compuestos de éxito, y desarrollar nuevos fármacos personalizados9,10. Sin embargo, a pesar de los progresos significativos, deben tenerse en cuenta varias limitaciones y desafíos al utilizar iPSC-CP11. En consecuencia, se han estudiado intensamente métodos para mejorar los protocolos de diferenciación cardíaca, para mejorar la eficiencia y maduración de los IPSC-CPM, y para generar subtipos específicos de cardiomiocitos (ventricular, auricular y nodal) y ya han llevado a numerosas estrategias de cultivo para superar estos obstáculos12,13,14,15.
A pesar de la robustez de estos protocolos, una de las principales preocupaciones para el uso de iPSC-CP es la reproducibilidad de procedimientos largos y complejos para obtener cardiomiocitos de alta calidad que pueden garantizar el mismo rendimiento reproducible y resultados ibles. La reproducibilidad es fundamental no sólo cuando se comparan líneas celulares con diferentes orígenes genéticos, sino también cuando se repiten las comparaciones celulares y moleculares de la misma línea celular. La variabilidad celular, como las diferencias bien a pozos en la densidad de los ISPc, pueden afectar la diferenciación cardíaca, generando un cardiomiocitos de bajo rendimiento y mala calidad. Estas células todavía podrían utilizarse para realizar experimentos que no requieren una población pura de CMs (por ejemplo, al realizar mediciones transitorias de Ca2+). De hecho, al realizar análisis electrofisiológicos, los no-CMs no golpearán, ni espontáneamente ni bajo estimulación eléctrica, por lo que será fácil excluirlos del análisis. Sin embargo, debido a la mala calidad, iPSC-CP puede mostrar características electrofisiológicas alteradas (por ejemplo, Ca2+ irregular transitorio, baja ca2+ amplitud) que no se deben a su composición genética. Por lo tanto, especialmente cuando se utilizan iPSC-CM para modelar enfermedades cardíacas, es importante no confundir los resultados de un CM de mala calidad con el fenotipo de la enfermedad. Se requieren procesos cuidadosos de detección y exclusión antes de proceder a estudios electrofisiológicos.
Este método incluye protocolos optimizados para generar cardiomiocitos de alta pureza y alta calidad y para evaluar su función realizando mediciones transitorias de Ca2+ utilizando un sistema de adquisición y análisis de calcio y contractilidad. Esta técnica es una forma sencilla, pero potente, de distinguir entre preparaciones iPSC-CM de alta eficiencia y baja eficiencia y proporcionar una caracterización más relevante fisiológicamente de los iPSC-CM humanos.
Los experimentos con cardiomiocitos adultos de ratas en este estudio se llevaron a cabo con protocolos aprobados del Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) de la Escuela de Medicina de Icahn en Mount Sinai. Los cardiomiocitos adultos de ratas fueron aislados de los corazones de rata Sprague Dawley por el método basado en Langendorff como se describió anteriormente16.
1. Preparación de medios
2. Preparación de células madre embrionarias humanas (hESC) calificadas con placas y cubiertas
NOTA: Realice todos los pasos bajo una capucha de cultivo de tejido esterilizado.
3. Preparación de moléculas pequeñas
NOTA: Reconstituya todas las moléculas pequeñas y moduladores Wnt en DMSO a menos que se indique lo contrario.
4. Mantenimiento y Passaging de iPSCs
NOTA: Realice todos los pasos siguientes bajo una capucha de cultivo de tejido estéril.
5. Diferenciación de cardiomiocitos
6. Procedimiento de selección y disociación iPSC-CM
7. Preparación de iPSC-CP para la citometría de flujo
8. Placar cardiomiocitos en Glass Coverslips
NOTA: Realice todos los pasos en un entorno estéril.
9. Fijación de células
10. Mancha de inmunofluorescencia
11. Evaluación de los transitorios Intracellular Ca2+
El protocolo descrito en la Figura 1A generó cardiomiocitos altamente puros que adquieren un fenotipo ventricular/adulto con tiempo en cultivo. Según se evalúa mediante la tinción de inmunofluorescencia para las isoformas de la cadena de luz reguladora de miosina auricular y ventricular 2 (MLC2A y MLC2V, respectivamente), la mayoría de las células generadas por este protocolo fueron MLC2A-positivas en el día 30 después de la inducción de la diferenciación cardíaca...
Los pasos críticos para utilizar iPSC-CM humanos como modelos experimentales son: 1) generar cardiomiocitos (CM) de alta calidad que pueden garantizar el rendimiento consistente y resultados reproducibles; 2) permitir que las células maduren en cultivo durante al menos 90 días para evaluar adecuadamente su fenotipo; 3) realizar estudios electrofisiológicos, por ejemplo, mediciones transitorias de calcio (Ca2+),para proporcionar una caracterización funcional fisiológicamente relevante de los iPSC-CP human...
Los autores no tienen nada que revelar.
Esta investigación fue apoyada por la Subvención de Desarrollo Científico de la AHA 17SDG33700093 (F.S.); Premio de Los Becarios Mount Sinai KL2 para el Desarrollo de la Carrera de Investigación Clínica y Traslacional KL2TR001435 (F.S.); NIH R00 HL116645 y AHA 18TPA34170460 (C.K.).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Anti-Actin, α-Smooth Muscle antibody, Mouse monoclonal | Sigma Aldrich | A5228 | |
Alexa Fluor 488 goat anti mouse | Invitrogen | A11001 | |
Alexa Fluor 555 goat anti rabbit | Invitrogen | A21428 | |
B27 Supplement | Gibco | 17504-044 | |
B27(-) insulin Supplement | Gibco | A18956-01 | |
CHIR-99021 | Selleckchem | S2924 | |
DAPI nuclear stain | ThermoFisher | D1306 | |
DMEM/F12 (1:1) (1X) + L- Glutamine + 15mM Hepes | Gibco | 11330-032 | |
Double Ended Cell lifter, Flat blade and J-Hook | Celltreat | 229306 | |
Falcon Multiwell Tissue Culture Plate, 6 well | Corning | 353046 | |
Fluidic inline heater | Live Cell Instrument | IL-H-10 | |
Fura-2, AM | Invitrogen | F1221 | |
hESC-qualified matrix | Corning | 354277 | Matrigel Matrix |
hPSC media | Gibco | A33493-01 | StemFlex Basal Medium |
IWR-1 | Sigma Aldrich | I0161 | |
Live cell imaging chamber | Live Cell Instrument | EC-B25 | |
MLC-2A, Monoclonal Mouse Antibody | Synaptic Systems | 311011 | |
Myocyte calcium and contractility system | Ionoptix | ISW-400 | |
Myosin Light Chain 2 Antibody, Rabbit Polyclonal (MLC2V) | Proteintech | 10906-1-AP | |
Nalgene Rapid Flow Sterile Disposable Filter units with PES Membrane | ThermoFisher | 124-0045 | |
PBS with Calcium and Magnesium | Corning | 21-030-CV | |
PBS without Calcium and Magensium | Corning | 21-031-CV | |
Premium Glass Cover Slips | Lab Scientific | 7807 | |
RPMI medium 1640 (-) D-glucose (1X) | Gibco | 11879-020 | |
RPMI medium 1640 (1X) | Gibco | 11875-093 | |
Sodium L-lactate | Sigma Aldrich | L7022 | |
StemFlex Supplement | Gibco | A33492-01 | |
Thiazovivin | Tocris | 3845 | |
Trypsin-EDTA (0.25%) | ThermoFisher | 25200056 | |
Tyrode's solution | Boston Bioproducts | BSS-355w | Adjust pH at 7.2. Add 1.2mM Calcium Chloride |
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