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Method Article
Aqui descrevemos e validamos um método para gerar consistentemente cardiomiócitos pluripotentes derivados de células-tronco induzidas por humanos robustos e caracterizar sua função. Essas técnicas podem ajudar no desenvolvimento de insights mecanicistas sobre as vias de sinalização, fornecer uma plataforma para o rastreamento de medicamentos em larga escala e doenças cardíacas de modelo confiável.
Cardiomiócitos pluripotentes induzidos por células-tronco induzidas pelo homem (iPSC-CMs) fornecem umavaliosa fonte humana para estudar a ciência básica das vias de manuseio e sinalização de células-tronco de alta taxa de consumo, bem como rastreamento de drogas de alta taxa de rendimento e ensaios de toxicidade. Aqui, fornecemos uma descrição detalhada das metodologias usadas para gerar iPSC-CMs de alta qualidade que podem reproduzir consistentemente características moleculares e funcionais em diferentes linhas celulares. Além disso, um método é descrito para avaliar de forma confiável sua caracterização funcional através da avaliação das propriedades de manuseio Ca2+. As condições de baixo oxigênio (O2),a seleção de lactato e o tempo prolongado na cultura produzem cardiomiócitos ventriculares de alta pureza e alta qualidade. Semelhante aos cardiomiócitos de ratos adultos isolados (ARCMs), os iPSC-CMs de 3 meses de idade apresentam maior amplitude Ca2+, taxa mais rápida de recaptação Ca2+ (decay-tau) e uma resposta lusitropical positiva à estimulação β-adrenergizic em comparação com o dia 30 iPSC-CMs. A estratégia é tecnicamente simples, rentável e reproduzível. Ele fornece uma plataforma robusta para modelar a doença cardíaca e para o rastreamento de drogas em grande escala para atingir proteínas de manuseio Ca2+.
Cardiomiócitos pluripotentes induzidos pelo homem (iPSC-CMs) são uma atraente plataforma de base humana para modelar uma grande variedade de doenças cardíacas in vitro1,2,3,5,5,6,7. Além disso, o iPSC-CMs pode ser usado para a previsão de respostas do paciente a medicamentos novos ou existentes, para rastrear compostos de acerto e desenvolver novos medicamentos personalizados9,10. No entanto, apesar dos progressos significativos, várias limitações e desafios precisam ser considerados ao usar o iPSC-CMs11. Consequentemente, métodos para melhorar os protocolos de diferenciação cardíaca, para melhorar a eficiência e maturação do iPSC-CMs e gerar subtipos específicos de cardiomiócitos (ventricular, atrial e nodal) têm sido intensamente estudados e já levaram a inúmeras estratégias culturais para superar esses obstáculos12,13,14,15.
Não obstante a robustez desses protocolos, uma grande preocupação com o uso de iPSC-CMs é a reprodutibilidade de procedimentos longos e complexos para obter cardiomiócitos de alta qualidade que possam garantir o mesmo desempenho e resultados reprodutíveis. A reprodutibilidade é crítica não só quando se compara as linhas celulares com diferentes origens genéticas, mas também ao repetir comparações celulares e moleculares da mesma linha celular. A variabilidade celular, como diferenças bem-a-bem na densidade de iPSCs, pode afetar a diferenciação cardíaca, gerando um baixo rendimento e cardiomiócitos de baixa qualidade. Essas células ainda podem ser usadas para realizar experimentos que não exigem uma população pura de CMs (por exemplo, ao realizar medições transitórias Ca2+). De fato, ao realizar análise eletrofisiológica, os não-CMs não baterão, nem espontaneamente nem estimulação elétrica, por isso será fácil excluí-los da análise. No entanto, devido à má qualidade, os iPSC-CMs podem apresentar características eletrofisiológicas alteradas (por exemplo, modificatórias de Ca2+ transitórias, baixa amplitude Ca2+) que não são devidoà sua composição genética. Portanto, especialmente ao usar iPSC-CMs para modelar doença cardíaca, é importante não confundir os resultados de um CM de má qualidade com o fenótipo da doença. Processos cuidadosos de triagem e exclusão são necessários antes de prosseguir em estudos eletrofisiológicos.
Este método inclui protocolos otimizados para gerar cardiomiócitos de alta pureza e alta qualidade e avaliar sua função realizando medições transitórias Ca2+ usando um sistema de aquisição e análise de cálcio e contraciação. Esta técnica é uma maneira simples, mas poderosa, de distinguir entre preparações de alta eficiência e baixa eficiência do iPSC-CM e fornecer uma caracterização mais fisiologicamente relevante de iPSC-CMs humanos.
Os experimentos com cardiomiócitos de ratos adultos neste estudo foram realizados com protocolos aprovados do Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) da Icahn School of Medicine no Monte Sinai. Os cardiomiócitos de rato adultos foram isolados dos corações de rato DeSprague Dawley pelo método baseado em Langendorff, como descrito anteriormente16.
1. Preparação da Mídia
2. Preparação de células-tronco embrionárias humanas (hESC) placas revestidas matrix qualificadas e coverslips
NOTA: Executar todas as etapas uma capa de cultura de tecido esterilizado.
3. Preparação de pequenas moléculas
NOTA: Reconstituir todas as pequenas moléculas e moduladores Wnt em DMSO, salvo indicação em contrário.
4. Manutenção e Passaging de iPSCs
NOTA: Executar todos os seguintes passos um capuz de cultura de tecido estéril.
5. Diferenciação cardiomiócito
6. Procedimento de seleção e dissociação do iPSC-CM
7. Preparação de iPSC-CMs para citometria flow
8. Cardiomiócitos de revestimento em coverslips de vidro
NOTA: Executar todas as etapas em um ambiente estéril.
9. Células fixações
10. Manchas de imunofluorescência
11. Avaliação dos Transientes Intracelulares Ca2+
O protocolo descrito na Figura 1A gerou cardiomiócitos altamente puros que adquirem um fenótipo ventricular/adulto com o tempo na cultura. Conforme avaliado pela coloração de imunofluorescência para a cadeia de luz reguladora de miosina atrial e ventricular 2 isoformes (MLC2A e MLC2V, respectivamente), a maioria das células geradas por este protocolo foi MLC2A-positivo no dia 30 após a indução de diferenciação cardíaca, enquanto MLC2V foi expressa em quantidades ...
Passos críticos para o uso de iPSC-CMs humanos como modelos experimentais são: 1) gerando cardiomiócitos de alta qualidade (CMs) que podem garantir o desempenho consistente e resultados reprodutíveis; 2) permitir que as células amadureçam na cultura por pelo menos 90 dias para avaliar adequadamente seu fenótipo; 3) realização de estudos eletrofisiológicos, por exemplo, medidas transitórias de cálcio (Ca2+),para fornecer uma caracterização funcional fisiologicamente relevante de iPSC-CMs humanos. ...
Os autores não têm nada a divulgar.
Esta pesquisa foi apoiada pela AHA Scientist Development Grant 17SDG33700093 (F.S.); Mount Sinai KL2 Scholars Award for Clinical and Translational Research Career Development KL2TR001435 (F.S.); NIH R00 HL116645 e 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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