Human IPS Cell-Engineered Cardiac Tissue Sheets With Cardiomyocytes and Vascular Cells for Cardiac Regeneration

RESUME JURNAL

Human iPS Cell-Engineered Cardiac Tissue Sheets with Cardiomyocytes and Vascular Cells for Cardiac Regeneration

Mata Kuliah: Teknologi Terapi GenKode: SPSBT 6241Dosen: dr. Agus Surono, Ph.D., Sp.THT-KL.

Oleh:Dewi Sahfitri TanjungNIM: 14/371144/PMU/8224

BIOTEKNOLOGISEKOLAH PASCASARJANAUNIVERSITAS GADJAH MADA2015Human iPS Cell-Engineered Cardiac Tissue Sheets with Cardiomyocytes and Vascular Cells for Cardiac Regeneration

Source: Masumoto, Hidetoshi, et al., 2014. Human iPS cell-engineered cardiac tissue sheets with cardiomyocytes and vascular cells for cardiac regeneration. Scientific reports, 4 : 6716.

Penyakit jantung masih menduduki peringkat pertama penyebab kematian, terutama di negara-negara Barat. Permasalahan kesehatan ini telah mendorong penelitian ke arah strategi baru dengan mempergunakan sel punca. Diantara variasi populasi sel punca, yang memiliki kapasitas untuk meregenerasi sel pada jantung adalah Embryonic Stem Cells (ESCs) dan induced pluripoten stem cells (iPSCs). Namun terdapat permasalahan lain, seperti proses penanaman sel pada jantung yang sulit dengan tingkat keberhasilan yang buruk. Untuk mengatasi permasalahan ini, para peneliti mengembangkan Cell Sheet Technology (CTS). CTS memungkinkan para peneliti untuk mengkultur lapisan sel yang saling terhubung satu sama lain sehingga dapat mengikuti struktur seperti jaringan atau organ target. Teknologi ini diproses menggunakan polimer poly (N-isopropylacrylamide) (PIPAAm) yang responsif terhadap perubahan temperatur. (Gambar 1).

Gambar 1. Ilustrasi lapisan sel poly (N-isopropylacrylamide) (PIPAAm) (a) pada suhu 37 C, sel menempel pada permukaan PIPAAm yang telah didehidrasi. (b) pada suhu 20 C, sel-sel yang saling bersambungan terlepas dari PIPAAM yang di dihidrasi, yang membentuk lapisan sel utuh. Sumber: (Tang, Zhonglan, et al; 2012)

Pada penelitian ini, Masumoto, et al. ingin mengembangkan strategi Cardiac Tissue Sheets (CTSs) ke arah klinis dengan mempergunakan kultur lapisan sel yang berasal dari human induced pluripotent stem cells (hiPSC-derived cell sheets). Hipotesis yang diberikan adalah bahwa hiPSCS-CTSs dapat menunjukkan potensi yang tinggi dalam memperbaiki disfungsi jantung yang menyebabkan serangan jantung (myocardial infarction).Hasil pertama yang diperoleh dari penelitian ini menunjukkan bahwa induksi secara simultan pada hiPSCs dapat menginduksi sel untuk berdiferensiasi menjadi sel otot jantung (cardiomyocytes) dan sel vascular (sel endotelial dan sel mural) dengan mempergunakan protokol diferensiasi sel yang dimodifikasi.

Gambar 2. (a) protokol diferensiasi sel yang dimodifikasi dan (b) diagram diferensiasi sel dengan protokol diferensaisi sel yang dimodifikasi. (Sumber: Masumoto, Hidetoshi, et al; 2014)

Dalam ptotokol ini, penambahan Dkk1 selama hari ke-5 sampai hari ke-7 dapat meningkatkan diferensiasi mesoderm menjadi eksklusif sel otot jantung (Gambar 2a, kiri). Ketika sel mesoderm diinduksi dengan VEGF tanpa Dkk1 selama hari ke-5 sampai hari ke-15, populasi sel berdiferensiasi menjadi sel otot jantung, sel endotelial dan sel mural (Gambar 2a, kanan). Hasil ini mengindikasikan bahwa modifikasi yang dilakukan dapat mengontrol arah diferensiasi dari eksklusif hanya sel otot jantung menjadi sel otot jantung plus sel vascular. Penelitian ini juga mengkonfirmasi bahwa selama protokol diferensiasi, hiPSCs yang tidak berdiferensiasi menyusut pada hari ke-15 (Gambar 2b). Selanjutnya Masumoto, et al. mengkultur lapisan sel dari hiPSCs untuk memperoleh sel-sel kardiovaskular. Proses kultur sel dilakukan selama 15 hari sebelum mendapatkan lapisan sel utuh dengan sedikit kontaminasi dari hiPSCs yang tidak terdiferensiasi. Kultur sel kemudian dipindahkan ke dalam 12 plate yang responsif terhadap perubahan temperatur dan di rekultur selama 4 hari (Gambar 3a). Penurunan temperatur dengan sukses menghasilkan CTSs. CTSs yang dihasilkan terdiri atas 3-4 lapis dengan struktur berlapis utuh yang dibatasi oleh kolagen (Gambar 3b).

Gambar 3. (a) Proses kultur hiPSC untuk memperoleh lapisan utuh sel jantung (b) kiri atas: Analisis histologi dengan Hematoxylin-Eosin (HE) staining. Kanan atas: Sirius-red staining (merah). Bawah: cTnT (CMs, merah), dan DAPI (nukleus, biru). (Sumber: Masumoto, Hidetoshi, et al; 2014)

Mekanisme selanjutnya adalah transplantasi lapisan sel jantung untuk memperbaiki disfungsi jantung pada tikus model athymic nude sub-akut myocardial infraction. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa seluruh tikus (n = 19 untuk tiap grup) dapat bertahan hidup setelah 8 minggu pasca-operasi, tanpa pembentukan tumor. Transplantasi ini secara drastis mengembalikan kontraksi dinding anterior, secara signifikan meningkatkan parameter sistolik pada ventrikel kiri dan juga secara signifikan memulihkan penebalan sistolik dari dinding jantung yang terinfarksi. Pengecatan dengan Sirius Red menunjukkan bahwa transplantasi lapisan sel jantung dari hiPSCs menghambat fibrosis pada 4 minggu pasca-transplantasi. Proses terakhir merupakan penanaman hiPSC-CTSs dan observasi formasi neovascularization. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa terjadi proses angiogenesis yang secara signifikan meningkatkan densitas kapiler didalam area infarksi pada Tx-d28. Selanjutnya peneliti mengidentifikasi pembentukan vaskular pada area yang ditanami lapisan sel jantung pada Tx-d28 (Gambar 4a). Meskipun penulis belum dapat mengkonfirmasi asal pembentukan vascular, penulis menemukan struktur luminar dari recipien vaskular (vWF+/HNA-) yang mempenetrasi kluster sel yang ditanam (Gambar 4b).

Gambar 4. (a) jaringan yang ditanami lapisa sel jantung Tx-d28 dan (b) Double staining untuk vWF (ECs, hijau) dan HNA(human cell nuclei, merah), dan DAPI. (Sumber: Masumoto, Hidetoshi, et al; 2014)

Kesimpulan yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah bahwa protokol baru untuk menginduksi secara simultan sel otot jantung dan sel vascular (sel endotelial dan sel mural) serta menghasilkan lapisan jaringan jantung yang utuh yang direkayasa dengan human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) menunjukkan efek terapi yang unggul pada infarksi jantung. Dengan protokol ini, Masumoto, et al. berhasil membuat cardiac tissue sheets (CTSs) dari hiPSCs yang terintegrasi secara fisik. Transplantasi hiPSCs-CTSs pada model tikus dengan infarksi jantung secara signifikan mampu meningkatkan fungsi jantung. Selain itu juga terjadi pembentukan neovascularization yang dikonfirmasi dari keberhasilan penanaman CTSs yang terdiri atas sel-sel otot jantung dan sel vascular. Jadi, hiPSC-CTSs menunjukkan terapi penyakit jantung regeneratif yang menjanjikan.

3