יישומים טכניים של מערך מיקרו-אלקטרודות והקלטות מהדקי טלאים על קרדיומיוציטים שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים על-ידי בני אדם
Summary
קרדיומיוציטים שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים על ידי בני אדם (hiPSC-CMs) התגלו כמודל מבטיח במבחנה לבדיקת קרדיוטוקסיות הנגרמת על ידי תרופות ומידול מחלות. כאן אנו מפרטים פרוטוקול למדידת התכווצות ואלקטרופיזיולוגיה של hiPSC-CMs.
Abstract
קרדיוטוקסיות הנגרמת על ידי תרופות היא הגורם המוביל להתשה של תרופות ולגמילה מהשוק. לכן, שימוש במודלים מתאימים להערכת בטיחות הלב הפרה-קלינית הוא צעד קריטי במהלך פיתוח תרופות. נכון לעכשיו, הערכת בטיחות הלב עדיין תלויה מאוד במחקרים בבעלי חיים. עם זאת, מודלים של בעלי חיים סובלים מספציפיות ירודה של בני אדם בשל הבדלים ספציפיים למינים, במיוחד במונחים של מאפיינים אלקטרופיזיולוגיים לבביים. לפיכך, יש צורך דחוף לפתח מודל אמין, יעיל ומבוסס אדם להערכת בטיחות לב פרה-קלינית. קרדיומיוציטים שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים על-ידי בני אדם (hiPSC-CMs) התגלו כמודל חוץ-גופי שלא יסולא בפז לבדיקת קרדיוטוקסיות הנגרמת על-ידי תרופות ולמידול מחלות. ניתן לקבל hiPSC-CMs מאנשים עם רקע גנטי מגוון ומצבים חולים שונים, מה שהופך אותם לפונדקאית אידיאלית להערכת קרדיוטוקסיות הנגרמת על ידי תרופות בנפרד. לכן, מתודולוגיות כדי לחקור באופן מקיף את המאפיינים הפונקציונליים של hiPSC-CMs צריך להיות מבוסס. בפרוטוקול זה אנו מפרטים מבחנים פונקציונליים שונים שניתן להעריך ב- hiPSC-CMs, כולל מדידת התכווצות, פוטנציאל שדה, פוטנציאל פעולה וטיפול בסידן. באופן כללי, לשילוב של hiPSC-CMs בהערכת בטיחות לב פרה-קלינית יש פוטנציאל לחולל מהפכה בפיתוח תרופות.
Introduction
פיתוח תרופות הוא תהליך ארוך ויקר. מחקר של תרופות טיפוליות חדשות שאושרו על ידי מנהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA) בין השנים 2009 ל-2018 דיווח כי העלות החציונית המשוערת של מחקרים וניסויים קליניים מהוונים הייתה 985 מיליון דולר למוצר1. קרדיוטוקסיות הנגרמת על ידי תרופות היא הגורם המוביל להתשה של תרופות ולגמילה מהשוק2. יש לציין כי קרדיוטוקסיות מדווחת בקרב סוגים רבים של תרופות טיפוליות3. לכן, הערכת בטיחות הלב היא מרכיב מכריע בתהליך פיתוח התרופה. הפרדיגמה הנוכחית להערכת בטיחות הלב עדיין תלויה מאוד במודלים של בעלי חיים. עם זאת, הבדלים בין מינים מהשימוש במודלים של בעלי חיים מוכרים יותר ויותר כגורם עיקרי לתחזיות לא מדויקות עבור קרדיוטוקסיות הנגרמות על ידי תרופות בחולים אנושיים4. לדוגמה, המורפולוגיה של פוטנציאל הפעולה הלבבית שונה באופן מהותי בין בני אדם לעכברים בשל התרומות של זרמי רפולריזציה שונים5. בנוסף, איזופורמים דיפרנציאליים של מיוזין לב ורנ”א מעגלי שיכולים להשפיע על הפיזיולוגיה של הלב תועדו היטב בקרב מינים 6,7. כדי לגשר על פערים אלה, חובה לבסס מודל אמין, יעיל ומבוסס אדם להערכת בטיחות לב פרה-קלינית.
ההמצאה פורצת הדרך של טכנולוגיית תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים (iPSC) יצרה פלטפורמות חסרות תקדים לבדיקת תרופות ומידול מחלות. במהלך העשור האחרון, שיטות ליצירת קרדיומיוציטים פלוריפוטנטיים הנגרמים על ידי האדם (hiPSC-CMs) הפכו מבוססות היטב 8,9. hiPSC-CMs משכו עניין רב ביישומים הפוטנציאליים שלהם במידול מחלות, בדיקת קרדיוטוקסיות הנגרמת על ידי תרופות ורפואה מדויקת. לדוגמה, hiPSC-CMs שימשו למודל הפנוטיפים הפתולוגיים של מחלות לב הנגרמות על ידי ירושה גנטית, כגון תסמונת QT ארוכה10, קרדיומיופתיה היפרטרופית 11,12, וקרדיומיופתיה מורחבת13,14,15. כתוצאה מכך, זוהו מסלולי איתות מרכזיים המעורבים בפתוגנזה של מחלות לב, מה שיכול לשפוך אור על אסטרטגיות טיפוליות פוטנציאליות לטיפול יעיל. יתר על כן, hiPSC-CMs שימשו לבדיקת קרדיוטוקסיות הנגרמת על ידי תרופות הקשורות לסוכנים אנטי סרטניים, כולל דוקסורוביצין, טרסטוזומאב ומעכבי טירוזין קינאז16,17,18; אסטרטגיות להפחתת קרדיוטוקסיות כתוצאה מכך נמצאות בחקירה. לבסוף, המידע הגנטי שנשמר ב- hiPSC-CMs מאפשר סריקה וחיזוי של קרדיוטוקסיות הנגרמות על ידי תרופות הן ברמת הפרט והן ברמת האוכלוסייה19,20. באופן קולקטיבי, hiPSC-CMs הוכיחו את עצמם ככלי רב ערך לחיזוי בטיחות לב מותאם אישית.
המטרה הכוללת של פרוטוקול זה היא לבסס מתודולוגיות כדי לחקור באופן מקיף ויעיל את המאפיינים הפונקציונליים של hiPSC-CMs, שהם בעלי חשיבות רבה ביישום hiPSC-CMs לקראת מודלים של מחלות, בדיקת קרדיוטוקסיות הנגרמת על ידי תרופות ורפואה מדויקת. כאן אנו מפרטים מערך של מבחנים פונקציונליים כדי להעריך את התכונות הפונקציונליות של hiPSC-CMs, כולל מדידת התכווצות, פוטנציאל שדה, פוטנציאל פעולה וטיפול בסידן (Ca2+) (איור 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
טכנולוגיית iPSC אנושית התפתחה כפלטפורמה רבת עוצמה למידול מחלות ובדיקת תרופות. כאן נתאר פרוטוקול מפורט למדידת התכווצות hiPSC-CM, פוטנציאל שדה, פוטנציאל פעולה ו-Ca2+ חולף. פרוטוקול זה מספק אפיון מקיף של התכווצות hiPSC-CM ואלקטרופיזיולוגיה. מבחנים פונקציונליים אלה יושמו בפרסומים מרובים מהקבוצה ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לבלייק וו על הגהת כתב היד. עבודה זו נתמכה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (NIH) R01 HL113006, R01 HL141371, R01 HL163680, R01 HL141851, U01FD005978, ונאס”א NNX16A069A (JCW), ו 872244 מלגת פוסט-דוקטורט של AHA (GMP).
Materials
| 35 mm glass bottom dish with 20 mm micro-well #1.5 cover glass | Cellvis | D35-20-1.5-N | Patch clamp |
| 50x B27 supplements | Life Technologies | 17504-044 | hiPSC-CM culture medium |
| 6-well culture plate | E & K Scientific | EK-27160 | hiPSC-CM culture |
| 96-well flat clear bottom black polystyrene TC-treated microplates | Corning | 3603 | Contraction motion measurement |
| Accutase | Sigma-Aldrich | A6964 | Enzymatic dissociation |
| Axion's Integrated Studio (AxIS) | Axion Biosystems | navigator software | |
| Borosilicate glass capillaries | Harvard Apparatus | BF 100-50-10, | Patch clamp |
| CaCl2 1 M in H2O | Sigma-Aldrich | 21115 | Tyrode’s solution |
| Cell counting chamber slides | ThermoFisher Scientific | C10228 | Cell counting |
| CytoView 48-well MEA plates | Axion Biosystems | M768-tMEA-48B | MEA |
| DMEM/F12 | Gibco/Life Technologies | 12634028 | Extracellular matrix medium |
| DPBS, no calcium, no magnesium | Fisher Scientific | 14-190-250 | |
| EGTA | Sigma-Aldrich | E3889 | Intracellular pipette solution |
| EPC 10 USB patch clamp amplifier | Warner Instruments | 89-5000 | Patch clamp |
| Fura-2, AM, cell permeant | ThermoFisher Scientific | F1221 | Ca2+ transient measurement |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | Tyrode’s solution |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | Tyrode’s solution |
| hiPSCs | Stanford Cardiovascular Institute iPSC Biobank | ||
| KCl | Sigma-Aldrich | 529552 | Tyrode’s solution |
| KnockOut Serum Replacement | ThermoFisher Scientific | 10828-028 | hiPSC-CM seeding medium |
| KOH 8 M | Sigma-Aldrich | P4494 | Intracellular pipette solution |
| Lambda DG 4 | Sutter Instrument Company | Ca2+ transient measurement; ultra-high-speed wavelength switching light source | |
| Luna-FL automated fluorescence cell counter | WISBIOMED | LB-L20001 | Cell counting |
| Maestro Pro MEA system | Axion Biosystems | MEA | |
| Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix | Corning | 356231 | Extracellular matrix medium |
| MgATP | Sigma-Aldrich | A9187 | Intracellular pipette solution |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | M8266 | Tyrode’s solution |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | Tyrode’s solution |
| NaOH 10 M | Sigma-Aldrich | 72068 | Tyrode’s solution |
| NIS Elements AR | |||
| Pluronic F-127 (20% Solution in DMSO) | ThermoFisher Scientific | P3000MP | Ca2+ transient measurement |
| RPMI 1640 medium | Life Technologies | 11875-119 | hiPSC-CM culture medium |
| Sony SI8000 Cell Motion Imaging System | Sony Biotechnology | Contraction motion measurement | |
| Sutter Micropipette puller | Sutter Instruments | P-97 | Patch clamp |
| Trypan blue stain | Life Technologies | T10282 | Cell counting |
Riferimenti
- Wouters, O. J., McKee, M., Luyten, J. Estimated research and development investment needed to bring a new medicine to market, 2009-2018. Journal of the American Medical Association. 323 (9), 844-853 (2020).
- Pang, L., et al. Workshop report: FDA workshop on improving cardiotoxicity assessment with human-relevant platforms. Circulation Research. 125 (9), 855-867 (2019).
- Mamoshina, P., Rodriguez, B., Bueno-Orovio, A. Toward a broader view of mechanisms of drug cardiotoxicity. Cell Reports Medicine. 2 (3), 100216 (2021).
- Paik, D. T., Chandy, M., Wu, J. C. Patient and disease-specific induced pluripotent stem cells for discovery of personalized cardiovascular drugs and therapeutics. Pharmacological Reviews. 72 (1), 320-342 (2020).
- Kaese, S., Verheule, S. Cardiac electrophysiology in mice: a matter of size. Frontiers in Physiology. 3, 345 (2012).
- Clark, W. A., Chizzonite, R. A., Everett, A. W., Rabinowitz, M., Zak, R. Species correlations between cardiac isomyosins. A comparison of electrophoretic and immunological properties. Journal of Biological Chemistry. 257 (10), 5449-5454 (1982).
- Werfel, S., et al. Characterization of circular RNAs in human, mouse, and rat hearts. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 98, 103-107 (2016).
- Burridge, P. W., et al. Chemically defined generation of human cardiomyocytes. Nature Methods. 11 (8), 855-860 (2014).
- Sharma, A., et al. Derivation of highly purified cardiomyocytes from human induced pluripotent stem cells using small molecule-modulated differentiation and subsequent glucose starvation. Journal of Visualized Experiments. (97), e52628 (2015).
- Itzhaki, I., et al. Modelling the long QT syndrome with induced pluripotent stem cells. Nature. 471 (7337), 225-229 (2011).
- Lan, F., et al. Abnormal calcium handling properties underlie familial hypertrophic cardiomyopathy pathology in patient-specific induced pluripotent stem cells. Cell Stem Cell. 12 (1), 101-113 (2013).
- Wu, H., et al. Modelling diastolic dysfunction in induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes from hypertrophic cardiomyopathy patients. European Heart Journal. 40 (45), 3685-3695 (2019).
- Lee, J., et al. Activation of PDGF pathway links LMNA mutation to dilated cardiomyopathy. Nature. 572 (7769), 335-340 (2019).
- Sun, N., et al. Patient-specific induced pluripotent stem cells as a model for familial dilated cardiomyopathy. Science Translational Medicine. 4 (130), (2012).
- Chen, S. N., et al. Activation of PDGFRA signaling contributes to filamin C-related arrhythmogenic cardiomyopathy. Science Advances. 8 (8), (2022).
- Sharma, A., et al. High-throughput screening of tyrosine kinase inhibitor cardiotoxicity with human induced pluripotent stem cells. Science Translational Medicine. 9 (377), (2017).
- Burridge, P. W., et al. Human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes recapitulate the predilection of breast cancer patients to doxorubicin-induced cardiotoxicity. Nature Medicine. 22 (5), 547-556 (2016).
- Kitani, T., et al. Human-induced pluripotent stem cell model of trastuzumab-induced cardiac dysfunction in patients with breast cancer. Circulation. 139 (21), 2451-2465 (2019).
- Matsa, E., et al. Transcriptome profiling of patient-specific human iPSC-cardiomyocytes predicts individual drug safety and efficacy responses in vitro. Cell Stem Cell. 19 (3), 311-325 (2016).
- Stillitano, F., et al. Modeling susceptibility to drug-induced long QT with a panel of subject-specific induced pluripotent stem cells. Elife. 6, (2017).
- Zhang, J. Z., et al. Protocol to measure contraction, calcium, and action potential in human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. STAR Protocols. 2 (4), 100859 (2021).
- Blinova, K., et al. International multisite study of human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes for drug proarrhythmic potential assessment. Cell Reports. 24 (13), 3582-3592 (2018).
- Greensmith, D. J. Ca analysis: an Excel based program for the analysis of intracellular calcium transients including multiple, simultaneous regression analysis. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 113 (1), 241-250 (2014).
- Ma, N., et al. Determining the pathogenicity of a genomic variant of uncertain significance using CRISPR/Cas9 and human-induced pluripotent stem cells. Circulation. 138 (23), 2666-2681 (2018).
- Lam, C. K., et al. Identifying the transcriptome signatures of calcium channel blockers in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Circulation Research. 125 (2), 212-222 (2019).
- Seeger, T., et al. A premature termination codon mutation in MYBPC3 causes hypertrophic cardiomyopathy via chronic activation of nonsense-mediated decay. Circulation. 139 (6), 799-811 (2019).
- Zhang, J. Z., et al. Effects of cryopreservation on human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes for assessing drug safety response profiles. Stem Cell Reports. 16 (1), 168-181 (2021).
- Yu, B., Zhao, S. R., Yan, C. D., Zhang, M., Wu, J. C. Deconvoluting the cells of the human heart with iPSC technology: cell types, protocols, and uses. Current Cardiology Reports. 24 (5), 487-496 (2022).
- Thomas, D., Cunningham, N. J., Shenoy, S., Wu, J. C. Human-induced pluripotent stem cells in cardiovascular research: current approaches in cardiac differentiation, maturation strategies, and scalable production. Cardiovascular Research. 118 (1), 20-36 (2022).
- Zhu, R., et al. Physical developmental cues for the maturation of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Stem Cell Research & Therapy. 5 (5), 117 (2014).
- Feyen, D. A. M., et al. Metabolic maturation media improve physiological function of human iPSC-derived cardiomyocytes. Cell Reports. 32 (3), 107925 (2020).
- Gintant, G., et al. Use of human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes in preclinical cancer drug cardiotoxicity testing: a scientific statement from the American Heart Association. Circulation Research. 125 (10), 75-92 (2019).
- Kussauer, S., David, R., Lemcke, H. hiPSCs Derived cardiac cells for drug and toxicity screening and disease modeling: what micro- electrode-array analyses can tell us. Cells. 8 (11), (2019).
- Ng, C. A., et al. High-throughput phenotyping of heteromeric human ether-a-go-go-related gene potassium channel variants can discriminate pathogenic from rare benign variants. Heart Rhythm. 17 (3), 492-500 (2020).
- Obergrussberger, A., Friis, S., Bruggemann, A., Fertig, N. Automated patch clamp in drug discovery: major breakthroughs and innovation in the last decade. Expert Opinion on Drug Discovery. 16 (1), 1-5 (2021).
- Kozek, K. A., et al. High-throughput discovery of trafficking-deficient variants in the cardiac potassium channel KV11.1. Heart Rhythm. 17 (12), 2180-2189 (2020).
- Heyne, H. O., et al. Predicting functional effects of missense variants in voltage-gated sodium and calcium channels. Science Translational Medicine. 12 (556), (2020).
- Li, W., et al. Establishment of an automated patch-clamp platform for electrophysiological and pharmacological evaluation of hiPSC-CMs. Stem Cell Research. 41, 101662 (2019).
- Li, W., Luo, X., Ulbricht, Y., Guan, K. Blebbistatin protects iPSC-CMs from hypercontraction and facilitates automated patch-clamp based electrophysiological study. Stem Cell Research. 56, 102565 (2021).
- Milligan, C. J., Möller, C., Gamper, N. . Ion Channels: Methods and Protocols. , 171-187 (2013).
