A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
* These authors contributed equally
שיטה זו יכולה לשמש כדי לבחון קיצור סרקומר באמצעות קרדיומיוציטים שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטים עם חלבוני סרקומר מתויגים פלואורסצנטיים.
קרדיומיוציטים שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטים (PSC-CMs) יכולים להיות מיוצרים הן מתאי גזע עובריים והן מתאי גזע פלוריפוטנטיים (ES/iPS). תאים אלה מספקים מקורות מבטיחים למידול מחלות לב. עבור קרדיומיופתיות, קיצור sarcomere היא אחת ההערכות הפיזיולוגיות הסטנדרטיות המשמשות עם קרדיומיוציטים למבוגרים כדי לבחון את פנוטיפים המחלה שלהם. עם זאת, השיטות הזמינות אינן מתאימות להערכת התכווצות של PSC-CMs, שכן לתאים אלה יש סרקומרים לא מפותחים שאינם נראים תחת מיקרוסקופיה של ניגודיות פאזה. כדי לטפל בבעיה זו ולבצע קיצור סרקומר עם PSC-CMs, נעשה שימוש בחלבוני סרקומר מתויגים פלואורסצנטיים והדמיה חיה פלואורסצנטית. קווי Z דקים וקו M שוכנים בשני הקצוות ובמרכז סרקומר, בהתאמה. חלבוני קו Z - α-Actinin (ACTN2), טלתונין (TCAP) וחלבון LIM הקשור לאקטין (PDLIM3) - וחלבון קו M אחד - מיומיסין-2 (Myom2) - תויגו בחלבונים פלואורסצנטיים. חלבונים מתויגים אלה יכולים לבוא לידי ביטוי מאללים אנדוגניים כמו דפיקות או מווירוסים הקשורים אדנו (AAVs). כאן, אנו מציגים את השיטות להבדיל בין תאי גזע של עכברים ופלוריפוטנטים אנושיים לקרדיומיוציטים, לייצר AAVs, ולבצע ולנתח הדמיה חיה. אנו מתארים גם את השיטות לייצור חותמות פולידימתילסילוקסן (PDMS) עבור תרבות בדוגמת PSC-CMs, המאפשרת ניתוח של קיצור סרקומר עם חלבונים מתויגים פלואורסצנטית. כדי להעריך קיצור של sarcomere, תמונות זמן לשגות של התאים הפועמים נרשמו בקצב מסגרת גבוה (50-100 פריימים לשנייה) תחת גירוי חשמלי (0.5-1 הרץ). כדי לנתח את אורך הסרקום במהלך התכווצות התא, התמונות המוקלטות של זמן לשגות היו כפופות ל- SarcOptiM, תוסף ל- ImageJ / פיג'י. האסטרטגיה שלנו מספקת פלטפורמה פשוטה לחקירת פנוטיפים של מחלות לב ב- PSC-CMs.
מחלות לב וכלי דם הן הגורם המוביל לתמותה ברחבי העולם1 וקרדיומיופתיה מייצגת את הגורם השלישי למוות הקשור לב2. קרדיומיופתיה היא קבוצה קולקטיבית של מחלות המשפיעות על שרירי הלב. ההתפתחויות האחרונות של תאי גזע פלוריפוטנטים המושרים (iPS) וההבחנה המוכוונת של תאי IPS כלפי קרדיומיוציטים (PSC-CMs) פתחו את הדלת לחקר קרדיומיוציטים עם גנום המטופל כמודל במבחנה של קרדיומיופתיה. תאים אלה יכולים לשמש כדי להבין את הפתופיזיולוגיה של מחלות לב, כדי לרהור המנגנונים המולקולריים שלהם, ולבדוק מועמדים טיפוליים שונים3. יש כמות עצומה של עניין, ולכן, תאי iPS שמקורם בחולה נוצרו (למשל, קרדיומיופתיה היפרטרופית [HCM]4,5 , הפרעות קצבקרדיומיופתיהחדרית ימנית [ARVC]6, קרדיומיופתיה המורחבת [DCM]7,וקרדיומיופתיות הקשורות למיטוכונדריה8,9). כי אחד המאפיינים של קרדיומיופתיה הוא תפקוד לקוי ושיבוש של sarcomeres, כלי תקף המודד באופן אחיד פונקציה sarcomere יש צורך.
קיצור Sarcomere היא הטכניקה הנפוצה ביותר להערכת תפקוד sarcomere ואת התכווצות של cardiomyocytes למבוגרים נגזר מודלים בעלי חיים ובני אדם. כדי לבצע קיצור סרקומרים, נדרשים סרקומרים מפותחים הנראים תחת ניגודיות פאזה. עם זאת, PSC-CMs מתורבתים במבחנה להציג סרקומרים מפותחים ולא מאורגנים, ולכן, אינם יכולים לשמש כדי למדוד כראוי sarcomere קיצור10. קושי זה להעריך כראוי את התכווצות של PSC-CMs מעכב את השימוש בהם כפלטפורמה להערכת תפקודי הלב במבחנה. כדי להעריך התכווצות PSC-CMs בעקיפין, מיקרוסקופיה כוח אטומי, מערכי מיקרו-פוסט, מיקרוסקופיה כוח המתיחה, ומדידות עקיפה שימשו למדידת ההשפעות של התנועה המופעלת על ידי תאים אלה על סביבתם11,12,13. הקלטות וידאו-מיקרוסקופיה מתוחכמות יותר ופחות פולשניות של תנועה תאית בפועל (למשל, SI8000 מ- SONY) יכולות לשמש לחילופין כדי להעריך את החוזה שלהם, עם זאת, שיטה זו אינה מודדת ישירות תנועה סרקומרית או קינטיקה של יצירת כוח14.
כדי למדוד ישירות את תנועת הסרקומורה ב- PSC-CMs, מתגלות גישות חדשות, כגון תיוג פלואורסצנטי לחלבון סרקומר. לדוגמה, Lifeact משמש לתיוג actin filamentous (F-actin) כדי למדוד תנועת סרקומר15,16. תאי IPS מהונדסים גנטית הם אפשרות נוספת לתיוג חלבוני סרקומר (למשל, α-אקטינין [ACTN2] ומיומיסין-2 [MYOM2]) על ידי חלבון פלואורסצנטי17,18,19.
במאמר זה, אנו מתארים כיצד לבצע הדמיה בזמן לשגות למדידת קיצור סרקומר באמצעות Myom2-TagRFP (תאי גזע עוברי עכבר [ES] ) ו ACTN2-mCherry (תאי IPS אנושיים). אנו גם מראים שתרבות בדוגמת דפוס מקלה על יישור סרקומר. בנוסף, אנו מתארים שיטה חלופית של תיוג סרקומר, באמצעות וירוסים הקשורים לאדנו (AAVs), אשר ניתן ליישם באופן נרחב על תאי iPS שמקורם בחולה.
1. הבחנה של תאי גזע פלוריפוטנטים של עכבר
2. בידול של תאי גזע פלוריפוטנטיים אנושיים
3. תיוג פלואורסצנטי של סרקומרים באמצעות וירוסים הקשורים לאדנו
4. [אופציונלי] טיהור מבוסס AAV של PSC-CMs
5. הכנת חותמות PDMS
6. תרבות דפוס של קרדיומיוציטים שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטים
7. הדמיה בזמן-לשגות של סרקומרים תחת מיקרוסקופ פלואורסצנטי
8. ניתוח הדמיה בזמן לשגות באמצעות SarcOptiM, תוסף ImageJ /פיג'י
מדידת קיצור סרקומר באמצעות שורות כתב PSC-CMs. PSC-CMs שכותרתו Sarcomere שימשו למדידת קיצור סרקומר. הקווים מבטאים את Myom2-RFP ו ACTN2-mCherry מלוצי אנדוגני. TagRFP הוכנס ל Myom2, קידוד M-חלבונים כי לוקליזציה לקו M, בעוד mCherry היה דפק ב ל ACTN2, קידוד α-Actinin, אשר לוקליזציה לקו Z18
PSC-CMs יש פוטנציאל גדול להיות מנוצל כפלטפורמת מביהה כדי מודל מחלות לב ולבדוק את ההשפעות של תרופות. עם זאת, יש לקבוע תחילה שיטה מדויקת ומאוחדת להערכת פונקציות PSC-CMs. רוב הבדיקות התפקודיות עובדות עם PSC-CMs, למשל, אלקטרופיזיולוגיה, סידן ארעי, ומטבוליזם26, ואחד המחקרים הראשונים שמקו...
H.U. הגיש פטנט הקשור לכתב יד זה.
ברצוננו להודות לכל חברי המעבדה באגף לרפואה רגנרטיבית באוניברסיטה הרפואית ג'יצ'י על הדיון המועיל והסיוע הטכני. מחקר זה נתמך על ידי המענקים של הסוכנות היפנית למחקר ופיתוח רפואי (AMED; JP18bm0704012 ו JP20bm0804018), האגודה היפנית לקידום המדע (JSPS; JP19KK0219), וחברת התפוצה היפנית (המענק למחקר בסיסי) ל- H.U.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1-Thioglycerol | Sigma-Aldrich | M6145-25 | |
2-Mercaptoethanol (55mM) | Thermo Fisher Scientific | 21985-023 | |
2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (MPC) polymer, | NOF Corp. | LIPIDURE-CM5206 | |
2-Propanol | Fujifilm wako | 166-04836 | |
35-mm imaging dish with a polymer coverslip (µ-Dish 35 mm, high) | ibidi | 81156 | |
AAVproR Helper Free System (AAV6) (vectors; pHelper, pRC6, pAAV-CMV-Vector) | Takara | 6651 | |
ACTN2-mCherry (AR12, AR21) hiPSCs | N.A. | We inserted IRES-puromycin resistant casette to 3' UTR of TNNT2 locus and mCherry around the stop codon of ACTN2 in 610B1 hiPSC line, following a method describe elsewhere (Anzai, Methods Mol Biol, in press) | |
B-27 Supplement (50X), serum free | Thermo Fisher Scientific | 17504-044 | |
B-27 Supplement, minus insulin | Thermo Fisher Scientific | A18956-01 | |
B27 supplement (50X), minus Vitamin A | Thermo Fisher Scientific | 12587-010 | |
Benzonase (25 U/µL) | Merck Millipore | 70746 | |
Blasticidin S Hydrochloride | Fujifilm wako | 029-18701 | |
BMP-4, Human, Recombinant, | R&D Systems, Inc. | 314-BP-010 | |
Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A4503-100g | |
C59, Wnt Antagonist (WntC59) | abcam | ab142216 | |
CAD drawing software, | Robert McNeel and Associates, WA, USA | Rhinoceros 6.0 | |
Centrifugal ultrafiltration unit (100k MWCO), Vivaspin-20 | Sartorius | VS2042 | |
CHIR99021 | Cayman | 13122 | |
Chromium etchant | Nihon Kagaku Sangyo Co., Ltd., Japan | N14B | |
Chromium mask coated with AZP1350 | Clean Surface Technology Co., Japan | CBL2506Bu-AZP | |
Dr. GenTLE Precipitation Carrier (20mg/mL Glycogen, 3 M Sodium Acetate (pH 5.2)) | Takara | 9094 | |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) - high glucose | Sigma-Aldrich | D6429-500 | |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) - high glucose, without sodium pyruvate | Sigma-Aldrich | D5796 | |
Ethanol (99.5) | Fujifilm wako | 057-00456 | |
Fetal Bovine Serum | Moregate | 59301104 | |
FGF-10, Human, Recombinant, | R&D Systems, Inc. | 345-FG-025 | |
Fibroblast Growth Factor(basic), human, recombinant | Fujifilm wako | 060-04543 | |
Gelatin from porcine skin powder | Sigma-Aldrich | G1890-100g | |
Glasgow Minimum Essential Medium (GMEM) | Sigma-Aldrich | G5154-500 | |
GLASS BOTTOM culture plates | MatTek | P24G-1.5-13-F/H | |
Ham’s F-12 | Thermo Fisher Scientific | 11765-062 | |
Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMDM) | Thermo Fisher Scientific | 12440-061 | |
L-alanine-L-glutamine (GlutaMAX Supplement, 200mM) | Thermo Fisher Scientific | 35050-061 | |
L(+)-Ascorbic Acid Sodium Salt | Fujifilm wako | 196-01252 | |
Laminin-511 E8 fragment (LN511-E8, iMatrix-511) | Nippi | 892012 | |
Mask aligner | Union Optical Co., Ltd., Japan | PEM-800 | |
Maskless lithography tool | NanoSystem Solutions, Inc., Japan | D-Light DL-1000 | |
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100X) | Thermo Fisher Scientific | 11140-050 | |
Millex-HV Syringe Filter Unit, 0.45 µm, PVDF (0.45-µm filter) | Merck Millipore | SLHVR33RS | |
Myom2-RFP (SMM18) | N.A. | Developed in our previous paper (Chanthra, Sci Rep, 2020) | |
N-2 Supplement (100X) | Thermo Fisher Scientific | 17502-048 | |
ORCA-Flash4.0 V3 digital CMOS camera | Hamamatsu | C13440-20CU | |
PD0325901 | Stemgent | 04-0006-10 | |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
Petri dish | Sansei medical co. Ltd | 01-004 | |
Phenol/Chloroform/Isoamyl alcohol (25:24:1) | Nippon Gene | 311-90151 | |
Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer | Dow Corning Corp., MI, USA | SILPOT 184 | |
polyethylenimine MAX (MW. 40,000) | Polyscience | 24765-1 | |
Positive photoresist developer | Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., Japan | NMD-3 | |
PowerUp SYBR Green Master Mix | Thermo Fisher Scientific | A25742 | |
Proteinase K | Takara | 9034 | |
Puromycin Dihydrochloride | Fujifilm wako | 166-23153 | |
Recombinant Human/Mouse/Rat Activin A Protein | R&D Systems, Inc. | 338-AC-050 | |
Recombinant trypsin-like protease (rTrypsin; TrypLE express) | Thermo Fisher Scientific | 12604-039 | |
RPMI1640 Medium | Thermo Fisher Scientific | 11875-119 | |
Silicon wafer | Matsuzaki Seisakusyo Co., Ltd., Japan | N.A. | |
Sodium Pyruvate (100 mM) | Thermo Fisher Scientific | 11360-070 | |
Spin-coater | Mikasa Co., Ltd., Japan | MS-A100 | |
Spininng confocal microscopy | Oxford Instruments | Andor Dragonfly Spinning Disk System | |
StemSure LIF, Mouse, recombinant, Solution (10^6U) | Fujifilm wako | 195-16053 | |
SU-8 3010 | Kayaku Advanced Materials, Inc., MA, USA | SU-8 3010 | |
SU-8 developer | Kayaku Advanced Materials, Inc., MA, USA | SU-8 developer | |
Tris-EDTA | Nippon Gene | 314-90021 | |
Vascular Endothelial Growth Factor-A165(VEGF), Human, recombinant | Fujifilm wako | 226-01781 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved