A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
* These authors contributed equally
يتيح استخدام الضوء للتحكم في خلايا القلب وأنسجته التحفيز غير الملامس، وبالتالي الحفاظ على الحالة الطبيعية ووظيفة الخلايا، مما يجعلها نهجا قيما لكل من التطبيقات البحثية والعلاجية الأساسية.
تعتبر نماذج الفيزيولوجيا الدقيقة للقلب في المختبر موثوقة للغاية للبحث العلمي وتطوير الأدوية والتطبيقات الطبية. على الرغم من قبولها على نطاق واسع من قبل المجتمع العلمي ، إلا أن هذه الأنظمة لا تزال محدودة في طول العمر بسبب عدم وجود تقنيات تحفيز غير جراحية. توفر محولات الطاقة الضوئية طريقة تحفيز فعالة ، حيث تقدم نهجا لاسلكيا بدقة زمنية ومكانية عالية مع تقليل الغزو في عمليات التحفيز. في هذه المخطوطة ، نقدم طريقة بصرية بالكامل لتحفيز واكتشاف نشاط نموذج الفيزيولوجيا الدقيقة للقلب في المختبر. على وجه التحديد ، قمنا بتصنيع أنسجة متباينة الخواص الصفيحية هندسيا عن طريق بذر الخلايا الجذعية متعددة القدرات المشتقة من الخلايا الجذعية (hiPSC-CMs) التي تم إنشاؤها في ثقافة تعليق المفاعل الحيوي ثلاثية الأبعاد. استخدمنا محول ضوئي ، وهو مشتق من أزوبنزين البرمائية ، المسمى Ziapin2 ، للتحفيز وصبغة Ca2+ (X-Rhod 1) لمراقبة استجابة النظام. توضح النتائج أن Ziapin2 يمكنه تعديل استجابات Ca2+ في النظام المستخدم دون المساس بسلامة الأنسجة أو قابليتها للحياة أو السلوك. علاوة على ذلك ، أظهرنا أن نهج التحفيز القائم على الضوء يوفر دقة مماثلة مقارنة بالتحفيز الكهربائي ، المعيار الذهبي الحالي. بشكل عام ، يفتح هذا البروتوكول آفاقا واعدة لتطبيق Ziapin2 والتحفيز الضوئي القائم على المواد في أبحاث القلب.
يظهر استخدام الضوء لتحفيز الخلايا والأنسجة الحية كمغير كبير لقواعد اللعبة في البحوث الطبية الحيوية ، حيث يوفر قدرات تحفيز بدون لمس بدقة زمنية ومكانيةدقيقة 1،2،3،4،5،6. واحدة من التقنيات الرائدة المستخدمة لجعل الخلايا الحساسة للضوء هي علم البصريات الوراثي ، والذي يتضمن تعديل الخلايا وراثيا للتعبير عن القنوات الأيونية الحساسة للضوء أو المضخات7،8. أظهر هذا النهج فعالية مثيرة للإعجاب في تنظيم الخلايا داخل الأنسجة الحية. ومع ذلك ، فإن اعتمادها على نقل الجينات الفيروسية أعاق اعتمادها على نطاق واسع في التطبيقات البحثية والسريرية.
للتغلب على هذا القيد ، تم استخدام المواد العضوية وغير العضوية كمحولات طاقة حساسة للضوء لتطوير تقنيات تحفيز غير وراثية قائمة على المواد بوساطة الضوء9،10. أظهرت محولات الطاقة الضوئية العضويةذات البنية النانوية 11،12،13،14،15 مؤخرا نجاحا ملحوظا في تحفيز الاستجابات الخلوية عبر تطبيقات متنوعة ، بما في ذلك الخلايا العصبية وخلايا عضلة القلب وخلايا العضلات والهيكل العظمي.
هنا ، نقترح Ziapin216،17،18 ، وهو مشتق من أزوبنزين ، للتحقيق في انتشار Ca2+ في أنسجة القلب الصفيحية المهندسة هندسيا. يسمح التركيب البرمائي للجزيء بالاستهداف الدقيق لغشاء بلازما الخلية ، بينما يتيح قلب الأزوبنزين الأيزومرة الناجم عن الضوء ، مما يؤدي إلى تغييره التوافقي16،17،18. في خلايا القلب ، يغير هذا الأيزومرة من رابطة الدول المستقلة إلى سمك غشاء البلازما ، مما يؤدي إلى سلسلة من التأثيرات التي تولد جهد فعل ، والتي بدورها تؤدي إلى عملية الإثارة والانكماش19،20،21.
بالإضافة إلى ذلك ، نصف عملية تصنيع منصة هندسية للنمو متباين الخواص لأنسجة القلب22 ونفصل الإعداد التجريبي المستخدم لتحفيز نشاطها ومراقبتها بصريا ، مع التركيز بشكل خاص على اكتساب ديناميكيات Ca2+ داخل الأنسجة23،24. أخيرا ، نقارن الإشارات المكتسبة بتلك التي يتم الحصول عليها من خلال التحفيز الكهربائي ، والذي يعتبر المعيار المرجعي. بشكل عام ، يسلط هذا البروتوكول الضوء على تطبيق محول طاقة جديد مستجيب للضوء في تعزيز فهمنا للسلوك الخلوي للقلب ، خاصة في سياق الأنسجة الهندسية.
ثقافة الخلايا الجذعية البشرية متعددة القدرات (hiPSC) المستخدمة هي خط iPSC للذكور البشريين من النوع البري الذي يحتوي على نظام كريسبر / كاس9 المحفز للدوكسيسيكلين (Dox) ، والذي تم إنشاؤه عن طريق إدخال CAGrtTA :: TetO-Cas9 في موضع AAVS1 (Addgene: # 73500). أجريت الدراسة وفقا للبروتوكولات المعتمدة من قبل مجلس المراجعة المؤسسية لمستشفى بوسطن للأطفال. تم الحصول على الموافقة المستنيرة من المرضى قبل مشاركتهم في الدراسة. تم تحفيز توليد خلايا عضلة القلب المشتقة من hiPSC (hiPSC-CMs) كما هو موضح سابقا25،26. سيتم تلخيص البروتوكول بإيجاز في القسم التالي:
1. توليد وتحضير الخلايا العضلية القلبية المشتقة من الخلايا الجذعية متعددة القدرات المستحثة من الإنسان
2. تصنيع الأنسجة الصفيحية الهندسية
3. توليف وتطبيق محول الطاقة الضوئي
ملاحظة: تم تصنيع Ziapin2 وفقا لإجراء منشور سابقا16،18 وتم إعطاؤه ل hiPSC-CMs مباشرة في وسط الاستزراع.
4. فحص الجدوى
ملاحظة: Alamar Blue هو اختبار قائم على الريزازورين يمكنه اختراق الخلايا ويعمل كمؤشر أكسدة واختزال لمراقبة صلاحية الخلية. يذوب Resazurin في المخازن المؤقتة الفسيولوجية ، مما ينتج عنه محلول أزرق غامق يضاف مباشرة إلى الخلايا في المزرعة. تقلل الخلايا القابلة للحياة ذات التمثيل الغذائي النشط من الريزازورين إلى ريسوفورين ، وهو وردي وفلورسنت.
5. تقييم تباين أنسجة القلب الصفيحية الهندسية
ملاحظة: يحدد هذا البروتوكول نهجا منهجيا لتقييم تباين أنسجة القلب الصفيحية المهندسة باستخدام التلوين المناعي والفحص المجهري متحد البؤر وتحليل النوى27.
6. تسجيلات رسم الخرائط البصرية
ملاحظة: تم إجراء رسم الخرائط البصرية بعد 5 أيام في الثقافة على hiPSC-CMs المصنفة على رقائق الأنسجة المصبوبة بالجيلاتين.
7. تصدير البيانات ومعالجتها
8. التحليل الإحصائي
تم تطوير وتنفيذ عملية متعددة الخطوات لتصنيع أنسجة القلب الصفيحية الهندسية باستخدام مزيج من الزخرفة بالليزر ، وقولبة الجيلاتين ، وتقنيات بذر الخلايا. تم إنشاء هذه التقنية في الأصل من قبل McCain et al.22 و Lee et al.24 ، وأعيد تنفيذ هذه التقنية ، باتباع بروت?...
يوفر هذا النهج منصة قوية للنهوض بأبحاث القلب ، مما يوفر رؤى حول الديناميكيات المعقدة لأنسجة القلب مما يفتح إمكانيات جديدة للدراسات الميكانيكية القلبية طويلة المدى في المختبر التي يمكن أن تؤدي إلى استراتيجيات علاجية جديدة. لضمان نجاح هذه المنهجية ، من الأهمية بمكا?...
CB و GL و FL هم مخترعون رقم براءة اختراع "المركبات الضوئية". EP 3802491 (02/07/2020).
يشكر المؤلفون بامتنان مايكل روزناخ على الرسوم التوضيحية في الشكل 1 والشكل 3 ، والبروفيسور ويليام تي بو على إمداد hiPSC. تم دعم هذا العمل من قبل اتحاد رقائق الأنسجة NCATS (UH3 TR003279) إلى KKP ، ووزارة الجامعات والبحث الإيطالية من خلال مشروع PRIN 2022 (ID 2022-NAZ-0595) إلى FL ، ومشروع PRIN 2020 (ID 2020XBFEMS) إلى CB و GL ، ومشروع Fondo Italiano per la Scienza (ID FIS00001244) إلى GL.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
alamarBlue Cell Viability Reagent | Thermo Fisher Scientific | DAL1025 | Cell Viability Assay |
B-27 Supplement, minus insulin | Thermo Fisher Scientific | A1895601 | For cell culture |
Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A9056-50G | For cell staining |
BrainVision Analyzer software | Brain Products | https://www.brainproducts.com/downloads/analyzer/ | Data export and handling |
BTS | Sigma | 203895-5MG | |
CHIR99021 | Stem Cell Technologies | 72054 | |
Clear Scratch- and UV-Resistant Acrylic Sheet, 12" x 12" x 0.01 inch | McMaster Carr | 4076N11 | Tissue chip fabrication |
Collagenase Type II | Worthington | CLS-2 / LS004176 | |
DNase II | VWR | 89346-540 | |
Essential 8 Medium | Thermo Fisher Scientific | A1517001 | For cell culture |
Fibronectin | VWR | 47743-654 | Coating |
Gelatin from porcine skin gel strength 175 Type A | Sigma-Aldrich | G2625-100G | Tissue chip fabrication |
Geltrex LDEV-Free, hESC-Qualified, Reduced Growth Factor Basement Membrane Matrix | Thermo Fisher Scientific | A1413302 | Coating |
HBSS | Thermo Fisher | 14175-095 | |
HEPES (1 M) | Thermo Fisher Scientific | 15630080 | |
Hoechst 33342 | Life technologies | H1399 | For cell staining |
Insulin solution human | Sigma Aldrich | I9278-5ML | |
IWR-1-endo | Stem Cell Technologies | 72564 | |
Paraformadehyde 16% Aqueous Solution (PFA) | VWR | 100503-917 | For cell staining |
PBS, sterile, 500 mL | Thermo Fisher Scientific | 10010049 | Tissue chip fabrication |
phosphate buffered saline | Thermo Fisher Scientific | 10010049 | |
Pluronic F-127 (20% Solution in DMSO) | Thermo Fisher Scientific | P3000MP | Non-ionic surfactant |
ROCK inhibitor Y-27632 | Stem Cell Technologies | 72304 | |
RPMI 1640 Medium, GlutaMAX Supplement | Thermo Fisher Scientific | 61870127 | For cell culture |
RPMI 1640 Medium, no phenol red | Thermo Fisher Scientific | 11835030 | Optical mapping |
Versene Solution | Thermo Fisher Scientific | 15040066 | chelating agent |
VWR General-Purpose Laboratory Labeling Tape | VWR | 89098-058 | Tissue chip fabrication |
X-Rhod-1 AM | Thermo Fisher Scientific | X14210 | Optical mapping |
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