Engineering Human Heart Tissues with Polyploid Cardiomyocytes
用多倍体心肌细胞改造人类心脏组织
基本信息
- 批准号:10616611
- 负责人:
- 金额:$ 54.46万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2022
- 资助国家:美国
- 起止时间:2022-05-01 至 2026-04-30
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:3-DimensionalATAC-seqAccelerationAdultAffectBiological AssayBiomechanicsBiomedical EngineeringBioreactorsCRISPR interferenceCRISPR screenCRISPR-mediated transcriptional activationCardiacCardiac MyocytesCell CycleCell LineCell SizeCell TherapyCharacteristicsChromatinClustered Regularly Interspaced Short Palindromic RepeatsCytokinesisDNADevelopmentDiploidyDisease modelDominant-Negative MutationDorsalEP300 geneElectrophysiology (science)EndowmentEngineeringEnvironmentEpigenetic ProcessExhibitsFailureFatty AcidsFoundationsFutureGene ExpressionGenerationsGenesGeneticGenotypeGoalsHeartHeart DiseasesHormonalHumanHuman EngineeringIn VitroInsulin-Like Growth Factor IIschemiaLentivirusLibrariesMechanicsMetabolicMetabolismMethodologyMicrotubulesMitochondriaMitogensMitosisMolecularMononuclearMusMyocardiumNamesOutcome StudyOutputOxidative StressPharmacologic SubstancePhenotypePhysiologicalPloidiesPolyploidyProliferatingPropertyProteinsRegenerative MedicineReperfusion InjuryReportingRepressionResearchRodentRoleSignal TransductionSourceStimulusStressStructureSystemTestingThyroid HormonesTissue EngineeringTissuesWorkloadaurora B kinasecandidate identificationcardiac tissue engineeringcardiogenesiscatalystcomparison controlcomplex IVdensitydrug developmentdrug testingexperiencegenetic inducergenome editinggenome-widehuman diseaseimprovedin vivoindexinginduced pluripotent stem cellmechanical loadmimeticsnovelorgan on a chipoverexpressionpharmacologicpostnatalpostnatal developmentregenerative therapyresponsesegregationstable cell linethree dimensional cell culturetissue culturetraittranscriptome sequencingtranscriptomics
项目摘要
Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) represent a potentially unlimited source of functional
cardiomyocytes (hiPSC-CMs) for use in disease modeling, drug development, and regenerative therapies. In
particular, use of hiPSC-CM-derived microtissues in microphysiological (“organ-on-chip”) systems holds
promise as the future mainstay of pharmaceutical research and a platform to improve our understanding of
genotype-phenotype relationships in mono- and polygenic diseases of the human heart. However, a major
obstacle to wide-spread use of hiPSC-CMs in these applications are their immature properties including small
cell size, lack of T-tubules, predominantly glycolytic metabolism, and reduced functional output, to name a few.
One important aspect of postnatal CM maturation - increased ploidy - has been largely understudied. Namely,
in vitro cultured hiPSC-CMs are predominantly mononuclear and diploid, while the adult human myocardium
consists of ~90% polyploid CMs. We thus propose to investigate potential roles of polyploidy in hiPSC-CM
maturation, and specifically, to explore if engineered polyploidy of hiPSC-CMs can endow human engineered
cardiac tissues (hECTs) with increased functionality and maturity compared to control tissues made from
primarily diploid CMs. Our preliminary results show that stable hiPSC-CM polyploidy induced genetically or
pharmacologically results in increased size and mitochondrial density of hiPSC-CMs, as well as contractile
strength and conduction velocity of hECTs. In the proposed studies, we will further examine roles of CM
polyploidization in structural, functional, and metabolic maturation of hECTs and investigate polyploidy-induced
transcriptomic and epigenetic changes in hiPSC-CMs. Furthermore, using a novel bioreactor with capacity to
dynamically control applied mechanical preload and afterload to hECTs, we will investigate the relationships
between developmentally-mimetic regimes of mechanical loading and CM polyploidy. We will also determine
if polyploidy sensitizes hiPSC-CMs to hypertrophic stimuli in vitro and protects hECTs from oxidative stress in
vitro and ischemic damage in vivo. Finally, we will apply CRISPR/Cas9 screening methodologies to identify
genetic inducers of terminal maturation in already polyploidy hiPSC-CMs and will perform additional screens
in both diploid and polyploid hiPSC-CMs to identify candidate mitogens that can promote CM cell cycle activity.
By successfully completing these studies, we expect to improve our understanding of physiological roles of
polyploidy in cardiac development and to establish the foundation for the future translational uses of engineered
cardiac tissues in disease modeling, drug development, and cardiac therapies.
人类诱导多能干细胞 (hiPSC) 代表了潜在的无限功能来源
心肌细胞 (hiPSC-CM) 用于疾病建模、药物开发和再生疗法。在
特别是,在微生理学(“芯片上器官”)系统中使用 hiPSC-CM 衍生的微组织是有效的
有望成为药物研究的未来支柱和提高我们对药物的理解的平台
人类心脏单基因和多基因疾病中的基因型-表型关系。然而,一个主要的
hiPSC-CM 在这些应用中广泛使用的障碍是其不成熟的特性,包括小
细胞大小、T 管缺乏、主要是糖酵解代谢以及功能输出减少等等。
出生后 CM 成熟的一个重要方面——倍性增加——在很大程度上尚未得到充分研究。即,
体外培养的 hiPSC-CM 主要是单核和二倍体,而成人心肌
由约 90% 的多倍体 CM 组成。因此,我们建议研究多倍体在 hiPSC-CM 中的潜在作用
成熟,特别是探索 hiPSC-CM 的工程化多倍体是否可以赋予人类工程化
与由以下材料制成的对照组织相比,心脏组织(hECT)具有更高的功能和成熟度
主要是二倍体CM。我们的初步结果表明,稳定的 hiPSC-CM 多倍体是通过遗传或
药理学结果增加 hiPSC-CM 的大小和线粒体密度,以及收缩性
hECT 的强度和传导速度。在拟议的研究中,我们将进一步研究 CM 的作用
hECT 的结构、功能和代谢成熟中的多倍化并研究多倍体诱导的
hiPSC-CM 的转录组和表观遗传变化。此外,使用一种新型生物反应器能够
动态控制对 hECT 施加的机械预载和后载,我们将研究这些关系
机械负荷和 CM 多倍体的发育模拟机制之间的关系。我们还将确定
如果多倍体使 hiPSC-CM 在体外对肥大刺激敏感并保护 hECT 免受氧化应激
体外和体内缺血性损伤。最后,我们将应用CRISPR/Cas9筛选方法来鉴定
已是多倍体 hiPSC-CM 中最终成熟的遗传诱导剂,并将进行额外的筛选
在二倍体和多倍体 hiPSC-CM 中鉴定可促进 CM 细胞周期活性的候选有丝分裂原。
通过成功完成这些研究,我们希望提高我们对生理作用的理解
心脏发育中的多倍体,并为未来工程转化应用奠定基础
疾病建模、药物开发和心脏治疗中的心脏组织。
项目成果
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