前臨床心臓リスク評価のためのヒトiPS細胞由来心筋細胞の構造・収縮変化評価のためのハイブリッド細胞解析システム
Summary
ヒトiPS細胞由来心筋細胞の収縮機能や細胞完全性の変化の解析は、非臨床医薬品開発にとって非常に重要です。ハイブリッド96ウェル細胞解析システムは、両方のパラメータをリアルタイムかつ生理学的な方法で処理し、臨床段階への安全な移行に必要な信頼性の高いヒト関連の結果を実現します。
Abstract
心臓収縮性の評価は、新しい治療法の開発と臨床段階への安全な移行にとって非常に重要です。ヒト人工多能性幹細胞由来心筋細胞(hiPSC-CM)は、創薬および安全性薬理学の前臨床段階においてヒト関連モデルとして機能することが期待されていますが、その成熟度は科学界で依然として議論の余地があり、絶えず開発されています。収縮性とインピーダンス/細胞外電界電位(EFP)のハイブリッド技術を紹介し、業界標準の96ウェルプラットフォームに重要な成熟促進機能を追加します。
インピーダンス/EFPシステムは、セルラー機能をリアルタイムで監視します。収縮細胞の拍動速度に加えて、電気インピーダンス分光法の読み出しは、細胞密度や細胞単層の完全性などの化合物誘発形態学的変化を検出します。ハイブリッド細胞分析システムの他のコンポーネントでは、細胞は、実際の心臓組織の機械的環境を模倣する生体準拠膜上で培養されます。この生理学的環境は、 in vitroでのhiPSC-CMの成熟をサポートし、イソプロテレノール、S-Bay K8644、またはomecamtiv mecarbilによる治療後の陽性変力効果を含む、より成人のような収縮反応をもたらします。収縮力の振幅(mN/mm2)や拍動持続時間などのパラメータも、電気生理学的特性とカルシウム処理に影響を与える化合物の下流効果を明らかにします。
ハイブリッドシステムは、全体的な細胞分析に理想的なツールを提供し、ヒトに関連する細胞ベースのアッセイの現在の視点を超えた前臨床心臓リスク評価を可能にします。
Introduction
現代の医薬品開発の主要な目標の1つは、創薬パイプラインにおける新しい治療法のベンチからベッドサイドまでの成功率の向上です。これらの新薬の安全性薬理学的試験では、前臨床段階での薬物減少率のほぼ4分の1を占める心血管系への副作用が明らかになることがよくあります1。新しいアプローチ方法論(NAM)の開発と統合は、前臨床評価、特に心臓などのコアバッテリー器官の近代化において重要な役割を果たします。これらの方法論は動物を使用しないアプローチであるため、人工多能性幹細胞(iPSC)起源の心筋細胞(CM)のようなヒトベースの細胞モデルの使用は、安全性の薬理学的および毒物学的問題の最新の評価のための過去10年間の主力製品になりました2。このような研究に広く使用されているアッセイシステムは、微小電極アレイ(MEA)および電位感受性色素ベースの実験アプローチです3。
それにもかかわらず、この細胞型の表現型および機能的未熟さが主張されていることは、理想的なヒトベースの細胞モデルの障害となり、非臨床試験と臨床試験の間の翻訳ギャップを減らす可能性があります4。
暗黙の未熟な表現型の理由を理解し、ヒトiPSC-CMの成熟プロセスを in vitroで推進する方法を見つけるために、長年にわたって多大な研究が行われてきました。
細胞培養時間の延長、近傍に他の細胞型がない、ホルモン刺激の欠如などの心臓成熟の手がかりの欠如は、成熟プロセスに影響を与えることが示されました5。また、通常の細胞培養プレートの非生理学的環境は、天然のヒト心臓の生理的基質剛性の欠如に起因して、ヒトiPSC-CMの成熟を妨げる重大な原因として同定された5,6。
この問題に取り組むために、典型的な2次元細胞培養の代わりに、細胞が天然の心臓構造に似せて3次元的に整列される3D細胞培養システムを含む、天然の生理学的条件に焦点を当てたさまざまなアッセイシステムが開発されました7。3Dアッセイでは成熟度が向上しますが、熟練した労働力の必要性とこれらのシステムのスループットの低さは、時間とコストが財務レベルでの新しい治療法の評価において基本的な役割を果たすため、医薬品開発プロセスでのこれの豊富な使用を妨げます8。
新しい治療法の安全性薬理学的および毒物学的評価のための重要な読み出しは、心血管系の化合物誘発性副作用が通常これらの特性の一方または両方に影響を与えるため、ヒトiPSC-CMの機能的および構造的特性の変化です1,9。そのような広範な有害反応のよく知られた例は、アントラサイクリンファミリーの抗癌剤である。ここで、心血管系に対する危険な機能的および有害な構造的影響は、患者における癌治療中および治療後、ならびにin vitro細胞ベースのアッセイを用いて広く報告されている10、11。
本研究では、hiPSC-CMに対する機能性および構造的化合物の両方の副作用を評価するための包括的な方法論について説明します。この方法論には、心筋細胞の収縮力の分析とインピーダンス/細胞外電界電位(EFP)分析が含まれます。収縮力は生理学的機械的条件下で測定され、細胞は柔らかい(33 kPa)シリコーン基板上で培養され、天然のヒト心臓組織の機械的環境を反映しています。
このシステムには、前臨床心臓安全性薬理学的および毒物学的研究のためのヒトiPSC-CMのハイスループット分析用の96ウェルプレートが装備されているため、ランゲンドルフ心臓や心臓スライス12,13などの現在使用されている3Dアプローチに利点を提供します。
詳細には、ハイブリッドシステムは、生理学的条件下での心収縮性の評価またはリアルタイムの細胞構造毒性の分析のいずれかのための2つのモジュールで構成されています6,14。どちらのモジュールも、特殊なハイスループット96ウェルプレートで動作し、高速で費用対効果の高いデータ収集を実現します。
3D構造を必要とせずに、収縮性モジュールは、通常の細胞培養プレートが通常構成する硬いガラスやプラスチックの代わりに、細胞の基板として柔軟なシリコーン膜を含む特別なプレートを採用しています。膜は典型的なヒトの生体力学的心臓特性を反映しているため、in vivo条件をハイスループット方式で模倣します。ヒトiPSC-CMは、他の細胞ベースのアッセイでは、化合物誘発陽性変力性に関して成体心筋細胞の挙動を示さないことが多いが14、細胞を収縮性モジュールのプレート上で培養すると、より成体様反応を評価することができる。以前の研究では、iPSC-CMは、イソプロテレノール、S-Bay K8644、またはomecamtiv mecarbil6,15などの化合物で処理すると、正の変力効果を示すことが実証されています。ここでは、収縮力の振幅(mN/mm2)、拍動持続時間、拍動速度などの一次パラメータと、曲線下面積、収縮、緩和勾配、拍動率変動、不整脈などの収縮サイクルの二次パラメータなど、複数の収縮性パラメータを評価することができます(補足図1)16。.すべてのパラメータにおける薬物誘発性の変化は、容量性距離センシングによって非侵襲的に評価される。生データは、その後、専用のソフトウェアによって分析されます。
構造毒性モジュールは、構造細胞毒性および電気生理学的特性の分析の読み出しとして、独自のインピーダンスおよびEFPパラメータを追加します17,18。電気インピーダンス分光法技術は、既知の心毒性化合物で処理されたヒトiPSC-CMで示されているように、細胞密度の化合物誘発性変化または細胞および単層の完全性をリアルタイムで監視します13。異なる周波数(1〜100kHz)でのインピーダンス読み出しにより、生理学的応答をさらに解剖することが可能であり、したがって、膜トポグラフィー、細胞間、または細胞-マトリックス接合部の変化を明らかにすることが達成可能である。ヒトiPSC-CMの追加のEFP記録は、CiPA研究17,19に照らして示されたように、化合物処理によって誘発される電気生理学的効果の分析をさらに可能にします。
本研究では、ヒトiPSC-CMを使用し、心毒性アントラサイクリンとしてよく知られているエピルビシンとドキソルビシン、および心血管毒性のリスクがかなり低いチロシンキナーゼ阻害剤(TKI)であるエルロチニブで処理しました。エピルビシン、ドキソルビシン、およびエルロチニブによる慢性評価を5日間行った。結果は、細胞をエルロチニブで処理した場合の収縮性と塩基インピーダンスのわずかな変化を示していますが、エピルビシンとドキソルビシンで処理した場合の収縮振幅と塩基インピーダンスの時間および用量依存的な毒性の減少を示しています。カルシウムチャネル遮断薬ニフェジピンを用いて急性測定を行い、収縮振幅、電界電位持続時間、および塩基インピーダンスの減少を示し、機能レベルおよび構造レベルに対するこの化合物の心毒性副作用を示した。
Protocol
Representative Results
Discussion
インピーダンス/EFP/収縮性ハイブリッドシステムは、前臨床医薬品開発のための心臓負債のハイスループット安全性薬理学的および毒物学的評価のための包括的な方法論です。動物モデルを使用せずに前臨床安全性試験のための最新のアプローチを提供しますが、時間とコストを大幅に削減するより高いスループット機能を備えています。このシステムは、前臨床の機能的および構造的毒性?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作業は、ドイツ連邦経済気候行動省(ZIM)およびドイツ連邦教育研究省(KMUinnovativ)からの助成金によって支援されました。本研究で使用した心筋細胞を提供してくださった富士フイルムセルラーダイナミクス社(米国ウィスコンシン州マディソン)と心筋細胞を提供してくださったNcardia B.V.(オランダ、ライデン)に感謝します。
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 |
Referências
- 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).
