Mikro kompartmanlı In Vitro kültür sistemleri kullanılarak nöron ve kardiyomiyosit etkileşimlerinin araştırılması
Investigating neuron and cardiomyocyte interactions using mixed and compartmentalized In Vitro culture systems
Yazar: GİZEM YÖRÜKOĞLU
Danışman: PROF. DR. ESRA ÇAĞAVİ
İstanbul Medipol Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Tıbbi Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyoloji = Biology ; Tıbbi Biyoloji = Medical Biology
Dizin: Duyu sinirleri = Sensory neurons ; Mikroakışkan aygıt = Microfluidic device ; Miyosit-kardiyak = Myocytes-cardiac ; Pluripotent kök hücreler = Pluripotent stem cells

Özet:
Nöro-kardiyak etkileşimlerin hücresel ve moleküler temellerini araştırmak kardiyak fizyoloji ve patolojilerini sistemik mekanizmalarını anlamak için önemlidir. Duyusal verileri kalpten beyne iletilmesinde rol oynayan duyu nöronları otonom nöronlara düzenleyici geri bildirim sağlar. Literatürde insan duyu nöronu ve kalp hücresi etkileşimlerini inceleyen in vitro çalışma bulunmamaktadır. Bu tez çalışmasında, tezin desteklendiği proje kapsamında üretilen ve temin edilen çoklu elektrot dizisi (MEA) entegre edilmiş kompartmentalize mikroakışkan sistemlerde uyarılmış pluripotent kök (uPK) hücre kökenli duyu nöronları ve kardiyomiyositler arasındaki etkileşim araştırıldı. Sağlıklı uPK hücreleri duyu nöronları ve kardiyomiyositlere farklılaştırılarak moleküler doğrulaması nöronal TUJ1, VGLUT2 ve kardiyak cTnT immün boyaması ile belirlendi. Duyu nöronları ve kardiyomiyositlerin fonksiyonel karakterizasyonu Fluo-4 AM Ca+2 görüntüleme ile gerçekleştirildi. Karakterizasyon sonrası duyu nöronu ve kardiyomiyositler mikrosistemde karşılıklı kanallara ekilerek canlılıkları Calcein-AM boyaması ile doğrulandı. Önemli olarak, uPK hücre kökenli duyu nöronlarının mikrokanallardan geçen aksonlar aracılığıyla kardiyomiyositlerle sinaptik etkileşim kurduğu Sinaptofizin immün boyaması ve taramalı elektron mikroskobu ile gösterildi. Duyu nöronlarında sıcaklık artışıyla ortalama ateşleme frekanslarında ve ateşleme sayılarında istatiksel anlamlı artışlar tespit edilirken, kapsaisin, mentol ve α, β-metilen ATP uyaranlarına yanıtlarda varyasyon tespit edildi. Kardiyomiyositlerin ışık mikroskobu gözlemleri ile tutarlı elektriksel aktiviteleri gözlendi. MEA kayıtlarının analizleri ile insan uPK hücre kökenli kardiyomiyositler ve duyu nöronlarının eş zamanlı elektriksel aktiviteleri gösterildi. Sonuç olarak, tez kapsamında MEA entegre kompartmentalize mikrosistemde insan uPK hücre kökenli duyu nöronu ve kardiyomiyositler arasındaki hücresel ve fonksiyonel etkileşim ilk kez in vitro olarak gösterildi.

Abstract:
Investigating the cellular and molecular basis of neuro-cardiac interactions is vital for understanding the systemic mechanisms in cardiac physiology and pathology. Sensory neurons, which transmit sensory information from the heart to the brain, provide regulatory feedback to autonomic neurons in homeostasis. Human sensory neuron and cardiomyocyte interactions in vitro were not reported in the literature. In this thesis study, the interactions between sensory neurons and cardiomyocytes derived from human induced pluripotent stem cells (iPSCs) were investigated using self-fabricated and commercial multielectrode array (MEA) integrated compartmentalized microchips. Healthy iPSC-derived sensory neurons and cardiomyocytes were characterized at the molecular level by neuronal TUJ1, VGLUT2, and cardiac cTnT immunostaining. Functional characterization of sensory neurons and cardiomyocytes was performed using Fluo-4 AM Ca2+ imaging. After characterization, sensory neurons and cardiomyocytes were seeded in opposite channels in the microsystem, and their viability was confirmed by Calcein-AM staining. The axons of sensory neurons were connected with cardiomyocytes through the microchannels, as demonstrated by Synaptophysin immunostaining and scanning electron microscopy (SEM). Relative mean firing rates and spike numbers statistically significantly increased with temperature in sensory neurons; however, variation was observed in the responses to capsaicin, menthol, and α, β-methylene ATP stimuli. The cardiomyocytes displayed spontaneous rhythmic firings consistent with their beatings. Functionally, the simultaneous electrical activities of human iPSC-derived cardiomyocytes and sensory neurons were demonstrated through the analysis of MEA recordings. In conclusion, cellular and functional interaction between human iPSC-derived sensory neurons and cardiomyocytes was demonstrated in vitro for the first time using MEA-integrated compartmentalized microchips.