Technische toepassingen van micro-elektrode array en patchklemopnamen op door mensen geïnduceerde pluripotente stamcel-afgeleide cardiomyocyten
Summary
Door de mens geïnduceerde pluripotente van stamcellen afgeleide cardiomyocyten (hiPSC-CM’s) zijn naar voren gekomen als een veelbelovend in vitro model voor door geneesmiddelen geïnduceerde cardiotoxiciteitsscreening en ziektemodellering. Hier beschrijven we een protocol voor het meten van de contractiliteit en elektrofysiologie van hiPSC-CM’s.
Abstract
Geneesmiddel-geïnduceerde cardiotoxiciteit is de belangrijkste oorzaak van drugsverloop en terugtrekking uit de markt. Daarom is het gebruik van geschikte preklinische cardiale veiligheidsbeoordelingsmodellen een cruciale stap tijdens de ontwikkeling van geneesmiddelen. Momenteel is de beoordeling van de cardiale veiligheid nog steeds sterk afhankelijk van dierstudies. Diermodellen worden echter geplaagd door een slechte translationele specificiteit voor mensen als gevolg van soortspecifieke verschillen, met name in termen van cardiale elektrofysiologische kenmerken. Er is dus dringend behoefte aan de ontwikkeling van een betrouwbaar, efficiënt en op mensen gebaseerd model voor preklinische cardiale veiligheidsbeoordeling. Door de mens geïnduceerde pluripotente van stamcellen afgeleide cardiomyocyten (hiPSC-CMs) zijn naar voren gekomen als een waardevol in vitro model voor door geneesmiddelen geïnduceerde cardiotoxiciteitsscreening en ziektemodellering. hiPSC-CMs kunnen worden verkregen van personen met verschillende genetische achtergronden en verschillende zieke aandoeningen, waardoor ze een ideaal surrogaat zijn om door geneesmiddelen geïnduceerde cardiotoxiciteit individueel te beoordelen. Daarom moeten methodologieën worden vastgesteld om de functionele kenmerken van hiPSC-CMs uitgebreid te onderzoeken. In dit protocol beschrijven we verschillende functionele assays die kunnen worden beoordeeld op hiPSC-CM’s, waaronder de meting van contractiliteit, veldpotentiaal, actiepotentiaal en calciumbehandeling. Over het algemeen heeft de integratie van hiPSC-CM’s in preklinische cardiale veiligheidsbeoordeling het potentieel om een revolutie teweeg te brengen in de ontwikkeling van geneesmiddelen.
Introduction
De ontwikkeling van geneesmiddelen is een lang en duur proces. Een studie van nieuwe therapeutische geneesmiddelen goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) tussen 2009 en 2018 meldde dat de geschatte mediane kosten van gekapitaliseerd onderzoek en klinische proeven $ 985 miljoen per productbedroegen 1. Geneesmiddel-geïnduceerde cardiotoxiciteit is de belangrijkste oorzaak van drugsverloop en terugtrekking uit de markt2. Met name cardiotoxiciteit wordt gemeld onder meerdere klassen van therapeutische geneesmiddelen3. Daarom is cardiale veiligheidsbeoordeling een cruciaal onderdeel tijdens het ontwikkelingsproces van geneesmiddelen. Het huidige paradigma voor cardiale veiligheidsbeoordeling is nog steeds sterk afhankelijk van diermodellen. Soortverschillen met het gebruik van diermodellen worden echter steeds meer erkend als een primaire oorzaak van onnauwkeurige voorspellingen voor door geneesmiddelen geïnduceerde cardiotoxiciteit bij menselijke patiënten4. De morfologie van cardiale actiepotentiaal verschilt bijvoorbeeld aanzienlijk tussen mensen en muizen vanwege de bijdragen van verschillende repolariserende stromen5. Bovendien zijn differentiële isovormen van cardiale myosine en circulaire RNA’s die de hartfysiologie kunnen beïnvloeden goed gedocumenteerd bij soort 6,7. Om deze lacunes te overbruggen, is het noodzakelijk om een betrouwbaar, efficiënt en op mensen gebaseerd model op te stellen voor preklinische cardiale veiligheidsbeoordeling.
De baanbrekende uitvinding van geïnduceerde pluripotente stamceltechnologie (iPSC) heeft ongekende platforms voor geneesmiddelenscreening en ziektemodellering gegenereerd. In het afgelopen decennium zijn methoden om door de mens geïnduceerde pluripotente van stamcellen afgeleide cardiomyocyten (hiPSC-CMs) te genereren, goed ingeburgerdgeworden 8,9. hiPSC-CMs hebben grote belangstelling getrokken voor hun potentiële toepassingen in ziektemodellering, door geneesmiddelen geïnduceerde cardiotoxiciteitsscreening en precisiegeneeskunde. HiPSC-CM’s zijn bijvoorbeeld gebruikt om de pathologische fenotypen van hartaandoeningen veroorzaakt door genetische overerving te modelleren, zoals lange QT-syndroom10, hypertrofische cardiomyopathie11,12 en gedilateerde cardiomyopathie 13,14,15. Bijgevolg zijn belangrijke signaalroutes geïdentificeerd die betrokken zijn bij de pathogenese van hartaandoeningen, die licht kunnen werpen op potentiële therapeutische strategieën voor een effectieve behandeling. Bovendien zijn hiPSC-CM’s gebruikt om door geneesmiddelen geïnduceerde cardiotoxiciteit geassocieerd met middelen tegen kanker te screenen, waaronder doxorubicine, trastuzumab en tyrosinekinaseremmers 16,17,18; strategieën om de resulterende cardiotoxiciteit te verminderen worden onderzocht. Ten slotte maakt de genetische informatie die wordt bewaard in hiPSC-CMs de screening en voorspelling van door geneesmiddelen geïnduceerde cardiotoxiciteit mogelijk op zowel individueel als populatieniveau19,20. Gezamenlijk hebben hiPSC-CMs bewezen een waardevol hulpmiddel te zijn voor gepersonaliseerde cardiale veiligheidsvoorspelling.
Het algemene doel van dit protocol is om methodologieën vast te stellen om de functionele kenmerken van hiPSC-CMs uitgebreid en efficiënt te onderzoeken, die van groot belang zijn bij het toepassen van hiPSC-CM’s voor ziektemodellering, door geneesmiddelen geïnduceerde cardiotoxiciteitsscreening en precisiegeneeskunde. Hier beschrijven we een reeks functionele testen om de functionele eigenschappen van hiPSC-CM’s te beoordelen, inclusief de meting van contractiliteit, veldpotentiaal, actiepotentiaal en calcium (Ca2 +) handling (figuur 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Menselijke iPSC-technologie is naar voren gekomen als een krachtig platform voor ziektemodellering en medicijnscreening. Hier beschrijven we een gedetailleerd protocol voor het meten van hiPSC-CM contractiliteit, veldpotentiaal, actiepotentiaal en Ca2+ transiënt. Dit protocol biedt een uitgebreide karakterisering van hiPSC-CM contractiliteit en elektrofysiologie. Deze functionele assays zijn toegepast in meerdere publicaties van onze groep 12,13,18,24,25,26,27.<sup class="xr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We bedanken Blake Wu voor het proeflezen van het manuscript. Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (NIH) R01 HL113006, R01 HL141371, R01 HL163680, R01 HL141851, U01FD005978 en NASA NNX16A069A (JCW) en AHA Postdoctoral Fellowship 872244 (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 |
References
- 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).
