Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Presentamos un protocolo para el cultivo ex vivo de tejido miocárdico ventricular humano. Permite un análisis detallado de la fuerza de contracción y la cinética, así como la aplicación de pre y postcarga para imitar más de cerca el entorno fisiológico in vivo .
El cultivo de cardiomiocitos ha visto un gran número de desarrollos, que van desde el cultivo de células bidimensionales (2D) hasta los organoides derivados de iPSC. En 2019, se demostró una forma ex vivo de cultivar rebanadas de miocardio obtenidas de muestras de corazón humano, mientras se acercaba a la condición in vivo de contracción miocárdica. Estas muestras se originan principalmente en trasplantes de corazón o colocaciones de dispositivos de asistencia ventricular izquierda. Utilizando un vibratomo y un sistema de cultivo especialmente desarrollado, se colocan rodajas de 300 μm de espesor entre un alambre fijo y un alambre de resorte, lo que permite un cultivo estable y reproducible durante varias semanas. Durante el cultivo, las rebanadas se estimulan continuamente de acuerdo con los entornos individuales. Las contracciones se pueden mostrar y registrar en tiempo real, y los agentes farmacológicos se pueden aplicar fácilmente. Los protocolos de estimulación definidos por el usuario se pueden programar y realizar para evaluar parámetros vitales de contracción como la potenciación posterior a la pausa, el umbral de estimulación, la relación fuerza-frecuencia y el período refractario. Además, el sistema permite un ajuste variable de pre y postcarga para un cultivo más fisiológico.
Aquí, presentamos una guía paso a paso sobre cómo generar un cultivo exitoso a largo plazo de cortes de miocardio del ventrículo izquierdo humano, utilizando una solución de cultivo biomimético comercial.
En la última década, el cultivo in vitro de células miocárdicas ha realizado grandes avances, que van desde técnicas 2D y tridimensionales (3D) hasta el uso de organoides y células madre pluripotentes inducidas diferenciadas en miocitos cardíacos 1,2,3. Los cultivos de células primarias y ex vivo han demostrado ser de gran valor, especialmente para estudios genéticos y desarrollo de fármacos 4,5,6. El uso de tejidos humanos mejora el valor traslacional de los resultados. Sin embargo, el cultivo 3D a largo plazo de tejidos miocárdicos con geometría intacta no está bien establecido. La geometría intacta es una característica clave para imitar las condiciones in vivo, ya que la función cardíaca adecuada, la comunicación entre diferentes células, así como las interacciones célula-matriz son requisitos previos. El cultivo de tejido miocárdico pasó por varias fases de desarrollo. La tasa de éxito y la estabilidad del cultivo de tejido miocárdico ex vivo fueron inicialmente bastante bajas, pero los enfoques recientes han arrojado resultados prometedores 7,8,9,10,11.
Entre ellos, Fischer et al. fueron los primeros en demostrar que la viabilidad y el rendimiento contráctil del tejido miocárdico humano se pueden mantener en el cultivo de células ex vivo durante muchas semanas7. Su técnica se basaba en finas rebanadas de tejido cortadas a partir de miocardio humano explantado, que se montaban en cámaras de cultivo recientemente desarrolladas que proporcionaban condiciones biomecánicas definidas y estimulación eléctrica continua. Este método de cultivo se asemeja mucho a la función in vivo del tejido miocárdico, y ha sido reproducido por varios grupos de investigación independientes 2,12,13,14,15. Es importante destacar que las cámaras utilizadas por Fischer et al. también permitieron el registro continuo de las fuerzas desarrolladas durante un máximo de 4 meses, y por lo tanto abrieron oportunidades sin precedentes para la investigación fisiológica y farmacológica sobre el miocardio humano intacto7.
Técnicas similares fueron desarrolladas de forma independiente por otros grupos y aplicadas al miocardio humano, de ratas, porcinos yconejos 7,10,11. Pitoulis et al. desarrollaron posteriormente un método más fisiológico, que reproduce la relación fuerza-longitud normal durante un ciclo de contracción, pero es menos adecuado para el análisis de alto rendimiento16. Como tal, el enfoque general del cultivo biomimético puede considerarse como un paso más en la reducción, refinamiento y reemplazo (3R) de los experimentos con animales.
Sin embargo, la explotación de este potencial requiere procedimientos estandarizados, análisis de alto contenido y un alto nivel de rendimiento. Presentamos una técnica que combina el corte automatizado de miocardio humano vivo con el mantenimiento in vitro en un sistema de cultivo biomimético que ha llegado a estar disponible comercialmente (ver Tabla de Materiales). Con el enfoque propuesto, el número de rebanadas individuales que se pueden generar a partir de una sola muestra transmural de miocardio solo está limitado por el tiempo de procesamiento. Una muestra de tamaño y calidad suficientes (3 cm x 3 cm) a menudo produce 20-40 rebanadas de tejido que se cortan convenientemente con un vibratomo automatizado. Estas rodajas se pueden colocar en cámaras de cultivo pertenecientes al sistema. Las cámaras permiten la estimulación eléctrica, cuyos parámetros se pueden modular (es decir, la duración del pulso, la polaridad, la velocidad y la corriente), así como el ajuste de la precarga y la poscarga, utilizando cables de resorte dentro de las cámaras. La contracción de cada rebanada se registra a partir del movimiento de un pequeño imán unido a un cable de resorte y se muestra como un gráfico interpretable. Los datos se pueden registrar en todo momento y analizar utilizando software disponible gratuitamente. Además de la estimulación basal constante, se pueden realizar protocolos programados para evaluar funcionalmente su período refractario, umbral de estimulación, potenciación posterior a la pausa y relación fuerza-frecuencia.
Este cultivo biomimético a largo plazo de múltiples rebanadas de miocardio de un corazón individual allana el camino para futuras investigaciones ex vivo en tejidos humanos y animales, y facilita la detección de efectos farmacológicos terapéuticos y cardiotóxicos en medicina cardiovascular. Ya se ha aplicado a diversos enfoques experimentales 2,12,13,15. Aquí, damos una descripción detallada paso a paso de la preparación del tejido humano y proporcionamos soluciones para los problemas de cultivo que se encuentran con frecuencia.
La recolección de tejidos para los experimentos descritos aquí fue aprobada por las Juntas de Revisión Institucional de la Universidad de Munich y la Universidad Ruhr-Bochum. Los estudios se realizaron de acuerdo con las directrices de la Declaración de Helsinki. Los pacientes dieron su consentimiento informado por escrito antes de la recolección de tejidos.
1. Adquisición de tejidos
2. Preparación de la agarosa y el vibratomo
3. Recorte e incrustación de las muestras
4. Colocación de las muestras en la bandeja de corte
5. Arranque del vibratomo
6. Preparación del medio y la incubadora durante el procedimiento de corte
7. Preparación de las rodajas
NOTA: Las rebanadas subendocárdicas iniciales comúnmente no son adecuadas para el cultivo de tejidos y deben descartarse debido a la morfología desigual. Después de las primeras cinco a 10 rebanadas, la textura y la morfología de la rebanada mejoran. La rebanada ideal es de al menos 1 cm x 1 cm, no tiene parches fibróticos o solo tiene parches fibróticos limitados, no está fragmentado y tiene una alineación de fibra homogénea (Figura 2B, D). La fibrosis intersticial, ubicada entre las fibras de los miocitos, a menudo está presente en el miocardio humano fallido. Sorprendentemente, esto no es un predictor negativo del éxito del cultivo.
8. Montaje de las rodajas
NOTA: La poscarga está determinada por la rigidez del alambre de resorte en las cámaras de cultivo. Hay tres tipos diferentes disponibles, según el grosor del cable de resorte.
9. Cambiar el medio
La contracción de las rodajas de miocardio se mostró en la pantalla de la computadora después de la inserción de la cámara de cultivo en su conector correspondiente (Figura 3). La contracción de las rebanadas de miocardio humano comenzó inmediatamente después de la estimulación. Las rebanadas hipercontraídas durante 5-10 min. Esto fue visible como un aumento de las fuerzas diastólicas, causadas por una contractura tónica de fracciones de tejido dañadas. Este proceso se revirtió...
En el pasado, la investigación cardiovascular ha hecho grandes avances en el cultivo de cardiomiocitos. Sin embargo, el cultivo 3D de cardiomiocitos con geometría intacta aún no está bien establecido. En comparación con los protocolos anteriores aplicados para el cultivo ex vivo de tejido miocárdico, el protocolo que describimos aquí se asemeja más al entorno in vivo del tejido. Además, la aplicación de pre y postcarga permite un entorno más biomimético. Somos capaces de analizar y comprende...
JH, PS, DM y KL no tienen nada que revelar. AD y TS son accionistas de InVitroSys GmbH, que proporciona el sistema de cultivo Myodish.
La investigación fue financiada por las subvenciones DZHK 81Z0600207 (JH, PS y DM) y 81X2600253 (AD y TS).
Los autores desean agradecer a Claudia Fahney, Mei-Ping Wu y Matthias Semisch por su apoyo en la preparación de las configuraciones, así como por el mantenimiento regular del cultivo de tejidos.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Chemicals | |||
Agarose Low melting point | Roth | 6351.2 | |
Bay-K8644 | Cayman Chemical | 19988 | |
BDM (2,3-Butanedione monoxime) | Sigma | B0753-1kg | |
CaCl2*H2O | Merck | 2382.1 | |
Calciseptine | Alomone Labs | SPC-500 | |
Glucose*H2O | AppliChem | A3730.0500 | |
H2O | BBraun | 3703452 | |
HEPES | AppliChem | A1069.0500 | |
Histoacryl | BBraun | 1050052 | |
Isopropanol 100% | SAV LP GmbH | UN1219 | |
ITS-X-supplement | Gibco | 5150056 | |
KCl | Merck | 1.04933.0500 | |
Medium 199 | Gibco | 31150-022 | |
MgCl2*6H2O | AppliChem | A1036.0500 | |
NaCl | Sigma | S5886-1KG | |
NaH2PO4*H2O | Merck | 1.06346.0500 | |
Nifedipine | Sigma | N7634-1G | |
Penicillin / streptomycin x100 | Sigma | P0781-100ML | |
β-Mercaptoethanol | AppliChem | A1108.0100 | |
Laboratory equipment | |||
Flow cabinet | Thermo Scientific | KS15 | |
Frigomix waterpump and cooling + BBraun Thermomix BM | BBraun | In-house made combination of cooling and heating solution. | |
Incubator | Binder | CB240 | |
MyoDish bioreactor system | InVitroSys GmbH | MyoDish 1 | Myodish cultute system |
Vibratome | Leica | VT1200s | |
Water bath 37 degrees | Haake | SWB25 | |
Water bath 80 degrees | Daglef Patz KG | 7070 | |
Materials | |||
100 mL plastic single-use beaker | Sarstedt | 75.562.105 | |
Filtration unit, Steritop Quick Release | Millipore | S2GPT05RE | |
Needles 0.9 x 70 mm 20G | BBraun | 4665791 | |
Plastic triangles | In-house made | ||
Razor Derby premium | Derby Tokai | B072HJCFK6 | |
Razor Gillette Silver Blue | Gillette | 7393560010170 | |
Scalpel disposable | Feather | 02.001.30.020 | |
Syringe 10 mL Luer tip BD Discardit | BBraun | 309110 | |
Tissue Culture Dish 10 cm | Falcon | 353003 | |
Tissue Culture Dish 3.5 cm | Falcon | 353001 | |
Tubes 50 mL | Falcon | 352070 |
Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este JoVE artículos
Solicitar permisoThis article has been published
Video Coming Soon
ACERCA DE JoVE
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos los derechos reservados