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Method Article
Nous présentons un protocole pour la culture ex vivo de tissu myocardique ventriculaire humain. Il permet une analyse détaillée de la force de contraction et de la cinétique, ainsi que l’application de la pré- et post-charge pour imiter de plus près l’environnement physiologique in vivo .
La culture de cardiomyocytes a connu un grand nombre de développements, allant de la culture de cellules bidimensionnelles (2D) aux organoïdes dérivés de l’iPSC. En 2019, une façon ex vivo de cultiver des tranches de myocarde obtenues à partir d’échantillons de cœur humain a été démontrée, tout en approchant in vivo de l’état de contraction myocardique. Ces échantillons proviennent principalement de transplantations cardiaques ou de placements de dispositifs d’assistance ventriculaire gauche. À l’aide d’un vibratome et d’un système de culture spécialement développé, des tranches de 300 μm d’épaisseur sont placées entre un fil fixe et un fil à ressort, permettant une culture stable et reproductible pendant plusieurs semaines. Pendant la culture, les tranches sont continuellement stimulées selon des paramètres individuels. Les contractions peuvent être affichées et enregistrées en temps réel, et les agents pharmacologiques peuvent être facilement appliqués. Des protocoles de stimulation définis par l’utilisateur peuvent être programmés et exécutés pour évaluer les paramètres de contraction vitaux tels que la potentialisation post-pause, le seuil de stimulation, la relation force-fréquence et la période réfractaire. De plus, le système permet un réglage variable de la précharge et de la post-charge pour une culture plus physiologique.
Ici, nous présentons un guide étape par étape sur la façon de générer une culture réussie à long terme de tranches myocardiques ventriculaires gauches humaines, en utilisant une solution de culture biomimétique commerciale.
Au cours de la dernière décennie, la culture in vitro de cellules myocardiques a fait de grands progrès, allant des techniques 2D et tridimensionnelles (3D) à l’utilisation d’organoïdes et de cellules souches pluripotentes induites différenciées en myocytes cardiaques 1,2,3. Les cultures cellulaires ex vivo et primaires se sont révélées d’une grande valeur, en particulier pour les études génétiques et le développement de médicaments 4,5,6. L’utilisation de tissus humains améliore la valeur translationnelle des résultats. La culture 3D à long terme de tissus myocardiques à géométrie intacte n’est cependant pas bien établie. La géométrie intacte est une caractéristique clé pour imiter les conditions in vivo, car une fonction cardiaque appropriée, la communication entre différentes cellules, ainsi que les interactions cellule-matrice sont des conditions préalables. La culture du tissu myocardique est passée par différentes phases de développement. Le taux de réussite et la stabilité de la culture ex vivo du tissu myocardique étaient initialement assez faibles, mais des approches récentes ont donné des résultats prometteurs 7,8,9,10,11.
Parmi ceux-ci, Fischer et al. ont été les premiers à démontrer que la viabilité et la performance contractile du tissu myocardique humain peuvent être maintenues dans la culture cellulaire ex vivo pendant de nombreuses semaines7. Leur technique était basée sur de fines tranches de tissus coupées dans du myocarde humain explanté, qui étaient montées dans des chambres de culture nouvellement développées qui fournissaient des conditions biomécaniques définies et une stimulation électrique continue. Cette méthode de culture ressemble beaucoup à la fonction in vivo du tissu myocardique et a été reproduite par plusieurs groupes de recherche indépendants 2,12,13,14,15. Il est important de noter que les chambres utilisées par Fischer et al. ont également permis l’enregistrement continu des forces développées jusqu’à 4 mois, et ont ainsi ouvert des opportunités sans précédent pour la recherche physiologique et pharmacologique sur le myocarde humain intact7.
Des techniques similaires ont été développées indépendamment par d’autres groupes et appliquées au myocarde humain, de rat, porcin et de lapin 7,10,11. Pitoulis et al. ont par la suite développé une méthode plus physiologique, qui reproduit la relation force-longueur normale au cours d’un cycle de contraction, mais qui est moins adaptée à l’analyse à haut débit16. En tant que telle, l’approche générale de la culture biomimétique peut être considérée comme une étape supplémentaire dans la réduction, le raffinement et le remplacement (3R) de l’expérimentation animale.
Cependant, l’exploitation de ce potentiel nécessite des procédures standardisées, des analyses à contenu élevé et un niveau de débit élevé. Nous présentons une technique qui combine le tranchage automatisé du myocarde humain vivant avec l’entretien in vitro dans un système de culture biomimétique qui est devenu disponible dans le commerce (voir tableau des matériaux). Avec l’approche proposée, le nombre de tranches individuelles pouvant être générées à partir d’un seul échantillon myocardique transmural n’est limité que par le temps de traitement. Un spécimen de taille et de qualité suffisantes (3 cm x 3 cm) donne souvent 20 à 40 tranches de tissu coupées de manière pratique avec un vibratome automatisé. Ces tranches peuvent être placées dans des chambres de culture appartenant au système. Les chambres permettent une stimulation électrique, dont les paramètres peuvent être modulés (c’est-à-dire la durée de l’impulsion, la polarité, la vitesse et le courant), ainsi que le réglage de la précharge et de la post-charge, à l’aide de fils à ressort à l’intérieur des chambres. La contraction de chaque tranche est enregistrée à partir du mouvement d’un petit aimant attaché à un fil à ressort et affichée sous forme de graphique interprétable. Les données peuvent être enregistrées à tout moment et analysées à l’aide d’un logiciel disponible gratuitement. Outre le rythme de base constant, des protocoles planifiés peuvent être effectués pour évaluer fonctionnellement leur période réfractaire, leur seuil de stimulation, leur post-pause-potentialisation et leur relation force-fréquence.
Cette culture biomimétique à long terme de plusieurs tranches myocardiques à partir d’un cœur individuel ouvre la voie à de futures recherches ex vivo dans les tissus humains et animaux et facilite le dépistage des effets thérapeutiques et cardiotoxiques des médicaments en médecine cardiovasculaire. Il a déjà été appliqué à diverses approches expérimentales 2,12,13,15. Ici, nous donnons une description détaillée étape par étape de la préparation des tissus humains et fournissons des solutions aux problèmes de culture fréquemment rencontrés.
La collecte de tissus pour les expériences décrites ici a été approuvée par les comités d’examen institutionnels de l’Université de Munich et de l’Université de la Ruhr à Bochum. Les études ont été menées conformément aux directives de la Déclaration d’Helsinki. Les patients ont donné leur consentement éclairé écrit avant le prélèvement de tissus.
1. Acquisition tissulaire
2. Préparation de l’agarose et du vibratome
3. Rognage et intégration des échantillons
4. Placer les échantillons sur le plateau de coupe
5. Démarrage du vibratome
6. Préparation du milieu et de l’incubateur pendant la procédure de tranchage
7. Préparation des tranches
REMARQUE: Les tranches sous-endocardiques initiales ne conviennent généralement pas à la culture de tissus et doivent être jetées en raison de leur morphologie inégale. Après les cinq à 10 premières tranches, la texture et la morphologie des tranches s’améliorent. La tranche idéale mesure au moins 1 cm x 1 cm, n’a pas ou seulement des plaques fibrotiques limitées, n’est pas fragmentée et a un alignement homogène des fibres (Figure 2B, D). La fibrose interstitielle, située entre les fibres myocytaires, est souvent présente dans le myocarde humain défaillant. Étonnamment, ce n’est pas un prédicteur négatif du succès de la cultivation.
8. Montage des tranches
REMARQUE: La post-charge est déterminée par la rigidité du fil de ressort dans les chambres de culture. Trois types différents sont disponibles, en fonction de l’épaisseur du fil à ressort.
9. Changer de support
La contraction des tranches myocardiques a été affichée sur l’écran de l’ordinateur après insertion de la chambre de culture dans son connecteur correspondant (Figure 3). La contraction des tranches myocardiques humaines a commencé immédiatement après la stimulation. Les tranches sont hypercontractées pendant 5-10 min. Cela était visible comme une augmentation des forces diastoliques, causée par une contracture tonique de fractions tissulaires endommagées. Ce processus a ét?...
Dans le passé, la recherche cardiovasculaire a fait de grands progrès dans la culture des cardiomyocytes. Cependant, la culture 3D de cardiomyocytes à géométrie intacte n’est pas encore bien établie. Comparé aux protocoles précédents appliqués pour la culture ex vivo de tissu myocardique, le protocole que nous avons décrit ici ressemble plus étroitement à l’environnement in vivo du tissu. De plus, l’application de la pré- et post-charge permet un environnement plus biomimétique. Nou...
JH, PS, DM et KL n’ont rien à divulguer. AD et TS sont actionnaires d’InVitroSys GmbH, qui fournit le système de culture Myodish.
La recherche a été financée par les subventions DZHK 81Z0600207 (JH, PS et DM) et 81X2600253 (AD et TS).
Les auteurs tiennent à remercier Claudia Fahney, Mei-Ping Wu et Matthias Semisch pour leur soutien dans la préparation des installations, ainsi que pour le maintien régulier de la culture tissulaire.
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 culture 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 |
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