Preklinik Kardiyak Risk Değerlendirmesi için İnsan iPSC Kaynaklı Kardiyomiyositlerin Yapısal ve Kasılma Değişikliklerini Değerlendirmek için Hibrit Hücre Analiz Sistemi
Summary
İnsan iPSC kaynaklı kardiyomiyositlerin kasılma fonksiyonlarındaki ve hücresel bütünlüğündeki değişikliklerin analizi, klinik olmayan ilaç gelişimi için büyük önem taşımaktadır. Hibrit bir 96 kuyucuklu hücre analiz sistemi, klinik aşamalara güvenli bir geçiş için gerekli olan güvenilir, insanla ilgili sonuçlar için her iki parametreyi de gerçek zamanlı ve fizyolojik bir şekilde ele alır.
Abstract
Kardiyak kontraktilitenin değerlendirilmesi, yeni terapötiklerin geliştirilmesi ve klinik aşamalara güvenli geçişi için büyük önem taşımaktadır. İnsan kaynaklı pluripotent kök hücre kaynaklı kardiyomiyositler (hiPSC-CM’ler), ilaç keşfi ve güvenlik farmakolojisinin klinik öncesi aşamalarında insanla ilgili bir model olarak hizmet etme sözü verirken, olgunlukları bilimsel toplulukta hala tartışmalıdır ve sürekli gelişme halindedir. Hibrit kontraktilite ve empedans/hücre dışı alan potansiyeli (EFP) teknolojisi sunarak endüstri standardı 96 kuyucuklu bir platforma önemli pro-olgunlaşma özellikleri ekliyoruz.
Empedans/EFP sistemi, hücresel işlevselliği gerçek zamanlı olarak izler. Kasılma hücrelerinin vuruş hızının yanı sıra, elektriksel empedans spektroskopisi okumaları, hücre yoğunluğu ve hücresel tek katmanın bütünlüğü gibi bileşiğin neden olduğu morfolojik değişiklikleri tespit eder. Hibrit hücre analiz sisteminin diğer bileşeninde, hücreler gerçek kalp dokusunun mekanik ortamını taklit eden biyo-uyumlu membranlar üzerinde kültürlenir. Bu fizyolojik ortam, hiPSC-CM’lerin in vitro olgunlaşmasını destekler ve izoproterenol, S-Bay K8644 veya omecamtiv mekarbil ile tedaviden sonra pozitif inotropik etkiler de dahil olmak üzere daha yetişkin benzeri kontraktil yanıtlara yol açar. Kasılma kuvvetinin genliği (mN /mm2) ve atma süresi gibi parametreler, elektrofizyolojik özellikler ve kalsiyum kullanımı üzerinde etkisi olan bileşiklerin aşağı akış etkilerini de ortaya koymaktadır.
Hibrit sistem, bütünsel hücre analizi için ideal bir araç sağlar ve insanla ilgili hücre bazlı testlerin mevcut perspektiflerinin ötesinde klinik öncesi kardiyak risk değerlendirmesine izin verir.
Introduction
Modern ilaç geliştirmenin ana hedeflerinden biri, ilaç keşif boru hattındaki yeni terapötiklerin tezgahtan başucuna başarı oranının iyileştirilmesidir. Bu yeni ilaçların güvenli farmakolojik testleri genellikle kardiyovasküler sistem üzerinde preklinik aşamalarda ilaç yıpranma oranının neredeyse dörtte birini oluşturan advers ilaç reaksiyonlarını ortaya koymaktadır1. Yeni yaklaşım metodolojilerinin (NAM’lar) geliştirilmesi ve entegrasyonu, klinik öncesi değerlendirmenin, özellikle de kalp gibi çekirdek pil organlarının modernizasyonunda kilit bir rol oynamaktadır. Bu metodolojiler hayvansız yaklaşımlar olduğundan, indüklenmiş pluripotent kök hücre (iPSC) kökenli kardiyomiyositler (CM’ler) gibi insan bazlı hücre modellerinin kullanılması, son on yılda güvenlik farmakolojik ve toksikolojik konularının modern değerlendirmesi için iş gücü haline gelmiştir2. Bu tür araştırmalar için yaygın olarak kullanılan tahlil sistemleri mikroelektrot dizisi (MEA) ve voltaja duyarlı boya bazlı deneysel yaklaşımlardır3.
Bununla birlikte, bu hücre tipinin iddia edilen fenotipik ve fonksiyonel olgunlaşmamışlığı, klinik olmayan ve klinik çalışmalar arasındaki translasyonel boşlukları azaltma potansiyeli olan ideal bir insan tabanlı hücre modelinin önüne engeller koymaktadır4.
İma edilen olgunlaşmamış fenotipin nedenini anlamak ve insan iPSC-CM’lerinin olgunlaşma sürecini in vitro olarak zorlamanın yollarını bulmak için yıllar boyunca muazzam araştırmalar yapılmıştır.
Uzun hücre kültürü süreleri, civardaki diğer hücre tiplerinin yokluğu veya hormonal stimülasyon eksikliği gibi kardiyak olgunlaşma ipuçlarının eksikliğinin olgunlaşma sürecini etkilediği gösterilmiştir5. Ayrıca, düzenli hücre kültürü plakalarının fizyolojik olmayan ortamı, doğal insan kalbinin eksik fizyolojik substrat sertliği nedeniyle insan iPSC-CM’lerinin olgunlaşmasını engelleyen önemli bir neden olarak tanımlanmıştır 5,6.
Bu sorunun üstesinden gelmek için, hücrelerin tipik iki boyutlu hücre kültürleri yerine doğal kardiyak mimariye benzeyecek şekilde üç boyutlu olarak hizalandığı 3D hücre kültürü sistemleri de dahil olmak üzere doğal fizyolojik koşullara odaklanan farklı tahlil sistemleri geliştirilmiştir7. Her ne kadar 3D analizlerle daha iyi olgunlaşma elde edilse de, vasıflı bir işgücüne duyulan ihtiyaç ve bu sistemlerin düşük verimi, ilaç geliştirme sürecinde bunun bol miktarda kullanılmasını engellemektedir, çünkü zaman ve maliyet, yeni terapötiklerin finansal düzeyde değerlendirilmesinde temel bir rol oynamaktadır8.
Yeni terapötiklerin güvenlik farmakolojik ve toksikolojik değerlendirmesi için önemli okumalar, insan iPSC-CM’lerinin fonksiyonel ve yapısal özelliklerindeki değişikliklerdir, çünkü kardiyovasküler sistemin bileşiğe bağlı advers ilaç reaksiyonları genellikle bu özelliklerden birini veya her ikisini de etkiler 1,9. Bu kadar geniş advers reaksiyonların iyi bilinen örnekleri, antrasiklin ailesinin anti-kanser ilaçlarıdır. Burada, kardiyovasküler sistem üzerindeki tehlikeli fonksiyonel ve olumsuz yapısal etkiler, hastalarda kanser tedavisi sırasında ve sonrasında ve ayrıca in vitro hücre bazlı tahlillerde yaygın olarak bildirilmektedir10,11.
Bu çalışmada, hiPSC-CM’ler üzerindeki hem fonksiyonel hem de yapısal bileşik yan etkilerinin değerlendirilmesi için kapsamlı bir metodoloji açıklanmaktadır. Metodoloji, kardiyomiyosit kontraktil kuvvetinin analizini ve empedans/Hücre Dışı Alan Potansiyeli (EFP) analizini içerir. Kasılma kuvveti, fizyolojik mekanik koşullar altında, doğal insan kalp dokusunun mekanik ortamını yansıtan yumuşak (33 kPa) silikon substratlar üzerinde kültürlenmiş hücrelerle ölçülür.
Sistem, klinik öncesi kardiyak güvenlik farmakolojik ve toksikolojik çalışmaları için insan iPSC-CM’lerinin yüksek verimli analizi için 96 kuyucuklu plakalarla donatılmıştır ve bu nedenle Langendorff kalp veya kalp dilimleri12,13 gibi şu anda kullanılan 3D yaklaşımlara avantaj sağlar.
Ayrıntılı olarak, hibrid sistem, fizyolojik koşullar altında kardiyak kontraktilitenin değerlendirilmesi veya gerçek zamanlı hücresel yapısal toksisitenin analizi için iki modülden oluşur 6,14. Her iki modül de hızlı ve uygun maliyetli veri toplama için özel yüksek verimli 96 delikli plakalarla çalışır.
Bir 3D yapıya ihtiyaç duymadan, kontraktilite modülü, normal hücre kültürü plakalarının genellikle içerdiği sert cam veya plastik yerine, hücreler için substrat olarak esnek silikon membranlar içeren özel plakalar kullanır. Membranlar tipik insan biyomekanik kalp özelliklerini yansıtır ve bu nedenle in vivo koşulları yüksek verimle taklit eder. İnsan iPSC-CM’leri genellikle diğer hücre bazlı tahlillerde bileşik kaynaklı pozitif inotropi ile ilgili yetişkin kardiyomiyosit davranışını gösteremezken, hücreler kontraktilite modülünün plakaları üzerinde kültürlendiğinde daha yetişkin benzeri bir reaksiyon değerlendirilebilir. Önceki çalışmalarda, iPSC-CM’lerin izoproterenol, S-Bay K8644 veya omecamtiv mecarbil 6,15 gibi bileşiklerle tedavi üzerine pozitif inotropik etkiler gösterdiği gösterilmiştir. Burada, kasılma kuvvetinin genliği (mN/mm2), vuruş süresi ve vuruş hızı gibi birincil parametrelerin yanı sıra eğrinin altındaki alan, kasılma ve gevşeme eğimleri, vuruş hızı değişimleri ve aritmiler gibi büzülme döngüsünün ikincil parametreleri gibi çoklu kontraktilite parametreleri değerlendirilebilir (Ek Şekil 1)16 . Tüm parametrelerdeki ilaca bağlı değişiklikler, kapasitif mesafe algılaması ile non-invaziv olarak değerlendirilir. Ham veriler daha sonra özel yazılımlar tarafından analiz edilir.
Yapısal toksisite modülü, yapısal hücresel toksisite ve elektrofizyolojik özelliklerin analizi için bir okuma olarak benzersiz empedans ve EFP parametrelerini ekler17,18. Elektriksel empedans spektroskopisi teknolojisi, bilinen kardiyotoksik bileşiklerle muamele edilmiş insan iPSC-CM’lerinde gösterildiği gibi, gerçek zamanlı olarak izlenen hücre yoğunluğunda veya hücre ve tek katmanlı bütünlükte bileşiğin neden olduğu değişiklikleri ortaya koymaktadır13. Farklı frekanslarda (1-100 kHz) empedans okumaları ile fizyolojik bir yanıtı daha da incelemek mümkündür ve böylece membran topografyasındaki, hücre-hücre veya hücre-matris kavşaklarındaki değişiklikleri ortaya çıkarmak mümkündür. İnsan iPSC-CM’lerinin ek EFP kaydı, CiPA çalışması17,19’un ışığında gösterildiği gibi, bileşik işlemle ortaya çıkan elektrofizyolojik etkilerin analizini de sağlar.
Bu çalışmada, her ikisi de kardiyotoksik antrasiklinler olarak iyi tanımlanan epirubisin ve doksorubisin ve oldukça düşük kardiyovasküler toksisite riski olan bir tirozin kinaz inhibitörü (TKI) olan erlotinib ile tedavi edilen insan iPSC-CM’leri kullanılmıştır. Epirubisin, doksorubisin ve erlotinib ile kronik değerlendirme 5 gün boyunca yapıldı. Sonuç, hücreler erlotinib ile tedavi edildiğinde kontraktilitede ve baz empedansında küçük değişiklikler gösterir, ancak sırasıyla epirubisin ve doksorubisin ile tedavi edildiğinde kasılma genliği ve baz empedansında zaman ve doza bağlı toksik bir azalma gösterir. Kalsiyum kanal blokeri nifedipin ile akut ölçümler yapıldı ve kasılma genliğinde, alan potansiyel süresinde ve baz empedansında azalma göstererek bu bileşiğin fonksiyonel ve yapısal seviyeler üzerindeki kardiyotoksik yan etkilerini gösterdi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Empedans/EFP/kontraktiliteli hibrid sistem, klinik öncesi ilaç geliştirme için kardiyak yükümlülüklerin yüksek verim güvenliği farmakolojik ve toksikolojik değerlendirmesi için kapsamlı bir metodolojidir. Hayvan modelleri kullanılmadan klinik öncesi güvenlik testleri için modern bir yaklaşım sağlar, ancak zaman ve maliyetleri önemli ölçüde azaltan daha yüksek verim yetenekleri ile. Bu sistem, Langendorff Kalbi ve klinik öncesi fonksiyonel ve yapısal toksisite değerlendirmesi için diğer hayv…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Alman Federal Ekonomik İşler ve İklim Eylemi Bakanlığı (ZIM) ve Alman Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı’ndan (KMUinnovativ) gelen hibelerle desteklenmiştir. Bu çalışmada kullanılan kardiyomiyositleri nazik bir şekilde sağladığı için FUJIFILM Cellular Dynamics, Inc.’e (Madison, WI, ABD) ve kardiyomiyositleri nazik bir şekilde sağladığı için Ncardia B.V.’ye (Leiden, Hollanda) teşekkür ederiz.
Materials
| Commercial human iPSC-derived cardiomyocytes | Fujifilm Cellular Dynamics International (FCDI) | R1059 | |
| Centrifuge (50 mL tubes) | Thermo Fisher Scientific | 15878722 | |
| 12-channel adjustable pipette (100-1250 μL) | Integra Biosciences | 4634 | |
| DPBS with Ca2+ and Mg2+ | GE Healthcare HyClone | SH304264.01 | |
| 96 deep well plate | Thermo Fisher Scientific | A43075 | |
| EHS gel | Extracellular Matrix Gel | ||
| FLEXcyte 96/CardioExcyte hybrid device | Nanion Technologies | 19 1004 1005 | Hybrid cell analysis system |
| FLX-96 FLEXcyte Sensor Plates | Nanion Technologies | 20 1010 | |
| Fibronectin stock solution (Optional to Geltrex) | Sigma Aldrich | F1141 | |
| Geltrex hESC-Qualified, Ready-To-Use, Reduced Growth Factor Basement Membrane Matrix | ThermoFischer Scientific | A1569601 | |
| Human iPSC-derived cardiomyocytes plating and maintenance medium | FCDI | R1059 | |
| Incubator (37 °C, 5% CO2) | Thermo Fisher Scientific | 51023121 | |
| Laminar Flow Hood | Thermo Fisher Scientific | 51032678 | |
| NSP-96 CardioExcyte 96 Sensor Plates 2.0 mm transparent | Nanion Technologies | 20 1011 | |
| Pipette tips (1250µL) | Integra Biosciences | 94420813 | |
| Reagent Reservoir | Integra Biosciences | 8096-11 | |
| Serological pipette (e.g. 25 mL) | Thermo Fisher Scientific | 16440901 | |
| Single channel adjustable pipette (e.g. 100-1000 μL) | Eppendorf | 3123000063 | |
| Vacuum aspiration system | Thermo Fisher Scientific | 15567479 | |
| Optional: VIAFLO ASSIST | Integra Biosciences | 4500 | Lab automation Robot |
| Water bath (37 °C) | Thermo Fisher Scientific | 15365877 |
References
- Weaver, R. J., Valentin, J. -. P. Today’s challenges to de-risk and predict drug safety in human "mind-the-gap". Toxicological Sciences. 167 (2), 307-321 (2019).
- Burnett, S. D., Blanchette, A. D., Chiu, W. A., Rusyn, I. Human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cardiomyocytes as an in vitro model in toxicology: strengths and weaknesses for hazard identification and risk characterization. Expert Opinion on Drug Metabolism Toxicology. 17 (8), 887-902 (2021).
- Gintant, G., et al. Repolarization studies using human stem cell-derived cardiomyocytes: Validation studies and best practice recommendations. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 117, 104756 (2020).
- Pang, L. Toxicity testing in the era of induced pluripotent stem cells: A perspective regarding the use of patient-specific induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes for cardiac safety evaluation. Current Opinion in Toxicology. 23, 50-55 (2020).
- Ahmed, R. E., Anzai, T., Chanthra, N., Uosaki, H. A brief review of current maturation methods for human induced pluripotent stem cells-derived cardiomyocytes. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 178 (2020).
- Gossmann, M., et al. Integration of mechanical conditioning into a high throughput contractility assay for cardiac safety assessment. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 105, 106892 (2020).
- Hansen, A., et al. Development of a drug screening platform based on engineered heart tissue. New Methods in Cardiovascular Biology. 107 (1), 35-44 (2010).
- Zuppinger, C. 3D Cardiac cell culture: a critical review of current technologies and applications. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 6, 87 (2019).
- Laverty, H. G., et al. How can we improve our understanding of cardiovascular safety liabilities to develop safer medicines. British Journal of Pharmacology. 163 (4), 675-693 (2011).
- Volkova, M., Russel, R. Anthracycline cardiotoxicity: prevalence, pathogenesis and treatment. Current Cardiology Reviews. 7 (4), 214-220 (2011).
- Bozza, W., et al. Anthracycline-induced cardiotoxicity: molecular insights obtained from human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs). The AAPS Journal. 23 (2), (2021).
- Sutherland, F. J., Hearse, D. J. The isolated blood and perfusion fluid perfused heart. Pharmacological Research. 41 (6), 613-627 (2000).
- Brown, G. E., Khetani, S. R. Microfabrication of liver and heart tissues for drug development. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 373 (1750), 20170225 (2018).
- Scott, C. W., et al. An impedance-based cellular assay using human iPSC-derived cardiomyocytes to quantify modulators of cardiac contractility. Toxicological Sciences. 142 (2), 313-338 (2014).
- Gossmann, M., et al. Mechano-pharmacological characterization of cardiomyocytes derived from human induced pluripotent stem cells. Cellular Physiology and Biochemistry. 38 (3), 1182-1198 (2016).
- Rappaz, B., et al. Automated multi-parameter measurement of cardiomyocytes dynamics with digital holographic microscopy. Optics Express. 23 (10), 13333-13347 (2015).
- Doerr, L., et al. New easy-to-use hybrid system for extracellular potential and impedance recordings. Journal of Laboratory Automation. 20 (2), 175-188 (2014).
- Obergrussberger, A., et al. Safety pharmacology studies using EFP and impedance. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 81, 223-232 (2016).
- Bot, C., et al. Cross-site comparison of excitation-contraction coupling using impedance and field potential recordings in hiPSC cardiomyocytes. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 93, 46-58 (2018).
- Pang, L., et al. Workshop report: FDA workshop on improving cardiotoxicity assessment with human-relevant platforms. Circulation Research. 125 (9), 855-867 (2019).
- Edwards, S. L., et al. A multiwell cardiac µGMEA platform for action potential recordings from human iPSC-derived cardiomyocyte constructs. Stem Cell Reports. 11 (2), 522-536 (2018).
- Zlochiver, V., Kroboth, S., Beal, C. R., Cook, J. A., Joshi-Mukherjee, R. R.Human iPSC-derived cardiomyocyte networks on multiwell micro-electrode arrays for recurrent action potential recordings. Journal of Visualized Experiments. (149), e59906 (2019).
