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Method Article
L'obiettivo di questo protocollo è spiegare e dimostrare lo sviluppo di un modello microfluidico tridimensionale (3D) di tessuto cardiaco umano altamente allineato, composto da cardiomiociti derivati da cellule staminali co-coltivati con fibroblasti cardiaci (FF) all'interno di un idrogel biomimetico a base di collagene, per applicazioni nell'ingegneria dei tessuti cardiaci, nello screening dei farmaci e nella modellazione delle malattie.
La principale causa di morte in tutto il mondo persiste come malattia cardiovascolare (CVD). Tuttavia, modellare la complessità fisiologica e biologica del muscolo cardiaco, il miocardio, è notoriamente difficile da realizzare in vitro. Principalmente, gli ostacoli risiedono nella necessità di cardiomiociti umani (MIC) che siano adulti o mostrino fenotipi simili a adulti e possano replicare con successo la complessità cellulare del miocardio e l'intricata architettura 3D. Sfortunatamente, a causa di preoccupazioni etiche e della mancanza di tessuto cardiaco umano primario disponibile derivato dal paziente, combinato con la minima proliferazione di MACCHINE, l'approvvigionamento di MACCHINE umane vitali è stato un passo limitante per l'ingegneria dei tessuti cardiaci. A tal fine, la maggior parte delle ricerche è transizione verso la differenziazione cardiaca delle cellule staminali pluripotenti indotte dall'uomo (iPSC) come fonte primaria di IC umane, con conseguente ampia incorporazione di IC hiPSC all'interno di saggi in vitro per la modellazione dei tessuti cardiaci.
Qui in questo lavoro, dimostriamo un protocollo per lo sviluppo di un tessuto cardiaco umano derivato da cellule staminali mature 3D all'interno di un dispositivo microfluidico. Spieghiamo e dimostriamo visivamente la produzione di un modello 3D in vitro di tessuto cardiaco anisotropico su chip da MACCHINE derivate dall'hiPSC. Descriviamo principalmente un protocollo di purificazione da selezionare per le MACCHINE, la co-coltura di cellule con un rapporto definito attraverso la miscelazione di MACCHINE con FF umani (hRF) e la sospensione di questa co-coltura all'interno dell'idrogel a base di collagene. Dimostriamo inoltre l'iniezione dell'idrogel carico di cellule all'interno del nostro ben definito dispositivo microfluidico, incorporato con micropost ellittici sfalsati che fungono da topografia superficiale per indurre un alto grado di allineamento delle cellule circostanti e della matrice idrogel, imitando l'architettura del miocardio nativo. Immaginiamo che il modello 3D anisotropico di tessuto cardiaco su chip sia adatto per studi di biologia fondamentale, modellazione delle malattie e, attraverso il suo uso come strumento di screening, test farmaceutici.
Gli approcci di ingegneria tissutale sono stati ampiamente esplorati, negli ultimi anni, per accompagnare i risultati clinici in vivo nella medicina rigenerativa e nellamodellazione delle malattie 1,2. Un'enfasi significativa è stata posta in particolare sulla modellazione in vitro dei tessuti cardiaci a causa delle difficoltà intrinseche nell'approvvigionamento del tessuto cardiaco primario umano e nella produzione di surrogati in vitro fisiologicamente rilevanti, limitando la comprensione fondamentale dei complessi meccanismi delle malattie cardiovascolari (CVD)1,3. I modelli tradizionali hanno spesso coinvolto test di coltura monostrato 2D. Tuttavia, l'importanza di coltivare cellule cardiache all'interno di un ambiente 3D per imitare sia il paesaggio nativo del miocardio che le complesse interazioni cellulari è stata ampiamentecaratterizzata 4,5. Inoltre, la maggior parte dei modelli prodotti finora hanno incluso una monocoltura di MACCHINE differenziate dalle cellule staminali. Tuttavia, il cuore è composto da più tipi di cellule6 all'interno di una complessa architettura 3D7, che garantisce la necessità critica di migliorare la complessità della composizione tissutale all'interno di modelli in vitro 3D per imitare meglio i costituenti cellulari del miocardio nativo.
Ad oggi, sono stati esplorati molti approcci diversi per produrre modelli 3D biomimetici del miocardio8. Questi approcci vanno dalle configurazioni sperimentali che consentono il calcolo in tempo reale della forza generata, dalle MACCHINE monocolturate seminate su pellicole sottili (considerate pellicole sottili muscolari (MTF))9,alle cellule cardiache co-coltura in matrici idrogel 3D sospese tra cantilevers indipendenti (ritenuti tessuti cardiaci ingegnerizzati (EHTs))10. Altri approcci si sono concentrati sull'implementazione di tecniche di micromolding per imitare l'anisotropia miocardico, dalle macchine virtuali monocolturali in un idrogel 3D sospeso tra micropost sporgenti in un cerottotissutale 11,alle MACCHINE monocoltura sementi tra microgroovi rientrati12,13. Ci sono vantaggi e svantaggi intrinseci per ciascuno di questi metodi, quindi, è pertinente utilizzare la tecnica che si allinea con l'applicazione prevista e la corrispondente questione biologica.
La capacità di migliorare la maturazione delle MACCHINE derivate da cellule staminali è essenziale per il successo dell'ingegneria in vitro del tessuto miocardico simile a quello adulto e la traduzione dei successivi risultati alle interpretazioni cliniche. A tal fine, i metodi per maturare le MACCHINE sono stati ampiamente esplorati, sia in 2D che in3D 14,15,16. Ad esempio, la stimolazione elettrica incorporata negli ETT, l'allineamento forzato delle MACCHINE con la topografia superficiale, i segnali di segnalazione, i fattori di crescita della cocoltura e / o le condizioni dell'idrogel 3D, ecc., portano tutti a un cambiamento a favore della maturazione cm in almeno uno dei seguenti: morfologia cellulare, manipolazione del calcio, struttura sarcomerica, espressione genica o forza contrattile.
Di questi modelli, gli approcci che utilizzano piattaforme microfluidiche mantengono alcuni vantaggi in natura, come il controllo dei gradienti, l'input limitato delle cellule e i reagenti necessari minimi. Inoltre, molte repliche biologiche possono essere generate contemporaneamente utilizzando piattaforme microfluidiche, servendo a sezionare meglio il meccanismo biologico di interesse e ad aumentare la dimensione sperimentale del campione a favoredella potenza statistica 17,18,19. Inoltre, l'utilizzo della fotolitografia nel processo di fabbricazione del dispositivo microfluidico consente la creazione di caratteristiche precise (ad esempio, topografie) a livello micro e nano, che fungono da segnali mesoscopici per migliorare la struttura cellulare circostante e l'architettura dei tessuti macro-livello18,20,21,22 per diverse applicazioni nella rigenerazione dei tessuti e nella modellazione delle malattie.
In precedenza abbiamo dimostrato lo sviluppo di un nuovo modello di tessuto cardiaco 3D su chip che incorpora la topografia superficiale, sotto forma di micropost ellittiche innati, per allineare le cellule cardiache co-coltivate in idrogel in un tessuto anisotropicointerconnesso 20. Dopo 14 giorni di coltura, i tessuti formatisi all'interno del dispositivo microfluidico sono più maturi nel fenotipo, nel profilo di espressione genica, nelle caratteristiche di manipolazione del calcio e nella risposta farmaceutica rispetto ai controlli monostrato e isotropi 3D23. Il protocollo qui descritto delinea il metodo per la creazione di questo 3D co-coltivato, allineato (cioè, anisotropico) tessuto cardiaco umano all'interno del dispositivo microfluidico utilizzando CRM derivati dall'hiPSC. In particolare, spieghiamo i metodi per differenziare e purificare gli iPSC verso le IC, l'integrazione di hFC con IC per produrre una popolazione di co-coltura stabilita, l'inserimento della popolazione cellulare incapsulata all'interno dell'idrogel di collagene nei dispositivi microfluidici e la successiva analisi dei tessuti costruiti in 3D attraverso test contrattili e immunofluorescenti. I micro tissue ingegnerizzati in 3D risultanti sono adatti per varie applicazioni, tra cui studi di biologia fondamentale, modellazione CVD e test farmaceutici.
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Eseguire tutta la manipolazione delle cellule e la preparazione dei reagenti all'interno di un armadio biosicurezza. Assicurarsi che tutte le superfici, i materiali e le apparecchiature che entrano in contatto con le cellule siano sterili (ad esempio, spruzzare con il 70% di etanolo). Le cellule devono essere coltivate in un incubatore umidificato di 37 °C, 5% di CO2. Tutte le impostazioni cultura e differenziazione hiPSC vengono eseguite in piastre a 6 po porsi.
1. Creazione di dispositivi microfluidici (durata approssimativa: 1 settimana)
2. Coltura delle cellule staminali (durata approssimativa: 1-2 mesi)
3. Creazione di tessuto cardiaco 3D all'interno del dispositivo microfluidico: (Durata approssimativa: 2-3 h)
4. Analisi dei tessuti
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Per ottenere una popolazione altamente purificata di MACCHINE dagli hiPSC, viene utilizzata una versione modificata che coinvolge una combinazione del protocollo di differenziazionelian 33 e dei passaggi di purificazione di Tohyama34 (fare riferimento alla figura 1A per la sequenza temporale sperimentale). Gli iPSC devono essere simili a colonie, ~85% confluenti e distribuiti uniformemente in tutta la cultura ben 3-4 giorni dopo il passaggio, a...
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La formazione di un modello di tessuto cardiaco umano in vitro con interazioni cellule-cellule migliorate e struttura 3D biomimetica è imperativa per la ricerca cardiovascolare di base e le corrispondenti applicazionicliniche 1. Questo protocollo delineato spiega lo sviluppo del tessuto cardiaco anisotropico umano 3D all'interno di un dispositivo microfluidico, utilizzando la co-coltura di MACCHINE derivate da cellule staminali con FF connettivi incapsulati all'interno di un idrogel di c...
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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.
Vorremmo ringraziare nsf CAREER Award #1653193, Arizona Biomedical Research Commission (ABRC) New Investigator Award (ADHS18-198872) e il Flinn Foundation Award per aver fornito fonti di finanziamento per questo progetto. La linea hiPSC, SCVI20, è stata ottenuta da Joseph C. Wu, MD, PhD presso lo Stanford Cardiovascular Institute finanziato da NIH R24 HL117756. La linea hiPSC, IMR90-4, è stata ottenuta dal WiCell Research Institute55,56.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.65 mL centrifuge tubes | VWR | 87003-290 | |
1 mm Biopsy punch | VWR | 95039-090 | |
1.5 mm Biopsy punch | VWR | 95039-088 | |
15 mL Falcon tubes | VWR | 89039-670 | |
18x18mm coverslips | VWR | 16004-308 | The coverslips should be No.1, to allow for high magnification imaging |
4% paraformaldehyde | ThermoFisher | 101176-014 | |
6-well flat botttom tissue-culture plates | VWR | 82050-844 | |
B27 minus insulin | LifeTech | A1895602 | |
B27 plus insulin | LifeTech | 17504001 | |
CHIR99021 | VWR | 10188-030 | |
Collagen I, rat tail | Corning | 47747-218 | |
DMEM F12 | ThermoFisher | 11330057 | |
DPBS | ThermoFisher | 21600069 | |
E8 | ThermoFisher | A1517001 | can also be made in house |
EDTA | VWR | 45001-122 | |
Ethanol | |||
FGM3 | VWR | 10172-048 | |
GFR-Matrigel | VWR | 47743-718 | |
Glycine | Sigma | G8898-500G | |
Goat serum | VWR | 10152-212 | |
hESC-Matrigel | Corning | BD354277 | |
IPA | |||
IWP2 | Sigma | I0536-5MG | |
Kimwipes | VWR | 82003-820 | |
MTCS | Sigma | 440299-1L | |
NaN3 | Sigma | S2002-25G | |
NaOH | Sigma | S5881-500G | |
Pen/Strep | VWR | 15140122 | |
Petri dish (150x15mm) | VWR | 25384-326 | |
Petri dish (60x15mm) | VWR | 25384-092 | |
Phenol Red | Sigma | P3532-5G | |
RPMI 1640 | ThermoFisher | MT10040CM | |
RPMI 1640 minus glucose | VWR | 45001-110 | |
Silicon Wafers (100mm) | University Wafer | 1196 | |
Sodium lactate | Sigma | L4263-100ML | |
SU8 2075 | Microchem | Y111074 0500L1GL | |
SU8 Developer | ThermoFisher | NC9901158 | |
Sylgard Elastomer | Essex Brownell | DC-184-1.1 | |
T75 flasks | VWR | 82050-856 | |
Triton X-100 | Sigma | T8787-100ML | |
TrypLE | ThermoFisher | 12604021 | |
Trypsin-EDTA (0.5%) | ThermoFisher | 15400054 | |
Tween20 | Sigma | P9416-50ML | |
Y-27632 | Stem Cell Technologies | 72304 | |
EVG620 Aligner | EVG | ||
Plasma cleaner PDC-32G | Harrick Plasma | ||
Zeiss AxioObserver Z1 microscope | Nikon | ||
Leica SP8 Confocal microscope | Leica |
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