Contractant spontanément syncytiums de cardiomyocytes dérivés de pluripotentes induites par l’homme les cellules souches sont des modèles utiles de la physiologie cardiaque humaine et de la pharmacologie. Nous présentons ici un système de criblage à haut débit afin de quantifier les effets des composés exogènes sur les coups de fréquence, à l’aide d’un colorant fluorescent Ca sensible et un lecteur de plaque multipuits imagerie thermorégulées.
Contractant spontanément syncytiums de cardiomyocytes dérivés de pluripotentes induites par l’homme des cellules souches (hiPSC CM) sont un modèle intéressant de la physiologie cardiaque humaine et de la pharmacologie. Diverses méthodes ont été proposées pour enregistrer cette activité spontanée et pour évaluer les effets des médicaments, mais beaucoup de ces méthodes souffrent d’un débit limité et/ou pertinence physiologique. Nous avons développé un système de criblage à haut débit afin de quantifier les effets des composés exogènes à la fréquence de battement de hiPSC CM, à l’aide d’un colorant fluorescent Ca sensible et un lecteur de plaque multipuits imagerie thermorégulées. Nous décrivons comment préparer les plaques de la cellule et les plaques composés et comment faire pour exécuter le test automatisé pour atteindre la reproductibilité et sensibilité élevée. Nous décrivons également comment transformer et analyser les données de fluorescence pour fournir une mesure fiable des effets de la drogue sur le rythme spontané. Ce test peut être utilisé dans les programmes de recherche pour guider optimisation chimique loin de, ou vers, composés qui affectent la fonction cardiaque humaine.
Le présent protocole décrit une méthode pour mesurer les effets des médicaments sur la fréquence de battement spontanée de syncytiums de hiPSC CM à rythmes physiologiquement pertinents. Les cellules souches pluripotentes induites par l’homme peuvent se différencier en cardiomyocytes fonctionnelles qui établissent spontanément battant syncytiums in vitro1,2,3,4. Ces hiPSC-CM peut être obtenus en grand nombre par le biais de fournisseurs commerciaux ou production en laboratoire, et elles constituent une source utile de cellules pour produire des modèles de la physiologie cardiaque humaine et de la pharmacologie. En particulier, il peuvent servir à prévoir ou à caractériser les effets cardiaques qui peuvent survenir lorsqu’un médicament est administré à l’homme5.
La fréquence de battement de syncytiums hiPSC-CM peut être mesurée dans des conditions physiologiques, à l’aide de matrices de microélectrodes ou impédance détection1: ces techniques non invasives des renseignements très détaillés sur les effets des médicaments, mais ils sont plutôt bas-débit et ils ne permettent pas de grandes bibliothèques composés le test dans les temps réaliste et contraintes budgétaires. Un système plus efficace peut être élaboré à l’aide d’une fluorescence de 384 puits lecteur de plaques d’imagerie et un sensible Ca teindre6, mais lecteurs de plaques classiques sont gênées par fréquence de commande et acquisition de température sous-optimale. Ces limitations sont illustrées par des taux de battement non (~ 15 bpm, comparativement à 35 – 55 bpm dans des environnements contrôlés1) et la mauvaise résolution de signal Ca (une fréquence d’acquisition de 8 Hz est à la limite inférieure aux taux Records pouvant atteindre 120 bpm dans des conditions stimulées, et il ne peut pas extraire les informations telles que la pente ou la durée). La méthode décrite ici combine l’enregistrement de battre les patrons à rythmes physiologiques et à une résolution suffisante pour empêcher ces préoccupations.
Du côté positif, cette méthode est simple, fiable et haut débit, qui permet l’essai rapide d’un grand nombre de composés à des coûts raisonnables. Sur le plan négatif, cette méthode nécessite un lecteur de plaque rapide avec contrôle de température effective, ce qui représente un investissement coûteux, et il fournit des informations peu mécanistes sur les effets des médicaments observés, qui peuvent nécessiter d’autres essais avec plus détaillées Méthodes.
Environ 6 x 10 hiPSC6 CM sont nécessaires pour une mesure dans une plaque de 384 puits cellulaire. hiPSC-CM sont habituellement fournis dans le commerce comme des aliquotes congelés du ~ 4 x 106 cellules dans 1 mL. Par conséquent, il convient de préparer deux plaques cellulaires avec trois aliquotes congelées. Dans la plupart des cas, en raison de la faible variabilité de ce test, il suffit de réaliser des mesures en double des composés d’essai et, dans chaque plaque cellulaire, quatre mesures de contrôle positif (la forskoline, N6-cyclopentyl-adénosine et E-4031), et mesures 20-plissées de contrôle négatif (DMSO uniquement). Par conséquent, un maximum de 352 paires composé/concentration peut être évalué avec deux plaques de 384 puits cellulaires. Le protocole suivant estime qu’une telle expérience avec 352 composés d’essai, deux plaques de la cellule et 12 millions de cellules fournies comme trois aliquotes congelées ; Il peut être facilement mis à l’échelle en place si les points de données supplémentaires sont nécessaires.
Deux aspects sont plus critiques pour l’enregistrement réussi d’avoir battu des fréquences. La première consiste à faire preuve de prudence avec l’électrodéposition de cellule et de la culture. En particulier, il est important d’essayer de ne pas rayer la couche de cellules au fond des puits lors de l’échange du milieu. Il est acceptable de toucher le fond du puits avec les pipettes, mais le même angle doit être utilisé à chaque fois, ce qui produit seulement une petite égratignure dans la couche de cellules et sans incidence sur les performances du test. Le deuxième aspect critique d’obtention reproductibles rythmes homogènes est de fournir le bon contrôle de température à 37 ° C dans l’ensemble de la plaque cellulaire pendant la durée de la mesure. Nous ne pourrions pas obtenir cette homogénéité à l’aide de dispositifs autres que le lecteur utilisé ici, mais il peut être possible avec des modifications de la régulation de la température : il rendrait le protocole présenté ici plus largement utilisable au-delà d’une seule marque de plaque lecteur. Pour atteindre une stabilité de température pendant la durée de l’expérience avec le dispositif utilisé ici, il fallait arrêter chaque enregistrement avant que ça s’est terminé ; dans le cas contraire, le robot serait éjecter la plaque cellulaire mesurée. Ce problème technique peut disparaître avec la prochaine version du logiciel lecteur plaque, mais il demeure critique pour l’instant. Si une plaque de cellules est transférée par erreur en dehors du lecteur de plaque, il doit être chargé à l’intérieur aussi vite que possible. Néanmoins, la qualité de l’expérience se détériorera, parce que les changements de température affectent la fréquence des battements très rapidement.
D’autres aspects, qui n’ont pas été testés à fond, peut-être moins importants. Par exemple, hiPSC-CM fabricants recommandent de plaques de culture cellulaire enduit avant d’ensemencer les cellules, mais dans ce test spécifique, revêtement non utilisée, parce que les cellules adhèrent facilement sur diverses surfaces, et il est très difficile pour bien enrober 384 puits plaques. Pourtant, revêtement plaque cellulaire peut toujours être admissible, ou il peut même améliorer la qualité de l’analyse. Nous avons vérifié également jamais si des solvants autres que le DMSO serait acceptables, mais de l’expérience avec d’autres technologies d’enregistrement, il est prévu que des concentrations similaires de EtOH ou MeOH serait aussi tolérables. Nous utilisons généralement hiPSC-CMs provenant du même fabricant, et les cellules d’un seul fournisseur supplémentaire ont été testés, qui semblait fonctionner d’une manière similaire. De même, nous avons utilisé seulement un petit nombre de lots différents de hiPSC-CMs qui ont été choisis par eux vérifie pour vérifier qu’ils se sont comportés de la même façon pour le premier lot. Un ou deux lots ont été jugées inappropriées parce que leurs syncytiums eu faible stabilité ou reproductibilité dans les conditions de culture utilisées ici. Dans le cas contraire, la pharmacologie apparaît très semblable à travers des lots lors du test d’un groupe limité de composés « typiques » (la forskoline, N6-cyclopentyl-adénosine et E-4031, ainsi que l’endothéline, isoprotérénol, amlodipine et ponesimod). Nous avons utilisé seulement hiPSC-CM provenant de donneurs sains. Il peut être utile d’évaluer si hiPSC-CM provenant de patients atteints de cardiopathie donnerait des résultats différents, bien qu’aucune différence entre donneurs sains et des patients a été observée lors de l’évaluation de la cardiotoxicité des inhibiteurs de tyrosine kinase 12. Enfin, nous avons normalement attendre 22 – 28 jours de culture avant de mesurer les effets des médicaments : dans notre expérience avec des enregistrements d’impédance des mêmes cellules, un état d’équilibre pour ralentir impédance (un indicateur de stabilité de couche de cellules) et l’impédance rapide (un indicateur de battre la fréquence) est atteint après 12–15 jours de culture. Cependant, nous avons décidé d’attendre 22–28 jours, parce que c’est le moment où le profil d’expression des canaux cardiaque et marqueurs maturation s’est stabilisée à13. Il n’a pas examiné si des résultats comparables seraient obtenus si les cellules ont été utilisés plus tôt ou plus tard.
Le protocole décrit ici utilise une mesure très simple de la fréquence des battements spontanée de hiPSC CM pour évaluer les éventuels effets des médicaments sur l’électrophysiologie cardiaque humaine. Ses principaux avantages par rapport aux autres méthodologies sont que i) elle se prête à un environnement de criblage à haut débit, ii) il enregistre l’activité des cardiomyocytes et les effets des médicaments à température physiologique, et iii) il ne nécessite pas expertise électrophysiologique pour l’exécution ou pour une évaluation des résultats.
Dans une étude de validation réalisée avec beaucoup de médicaments approuvés pour usage humain, nous avons montré que le test réagit aux médicaments utilisés en médecine humaine tel que prédit par les données cliniques5. Parce que cette méthode tient compte de tous les effets potentiels sur le rythme cardiaque, il complète le complète en vitro proarythmiques assay (CiPA) initiative14 qui évalue spécifiquement potentiel pro-arythmique.
À l’avenir, cette méthode pourrait fournir un mieux comprendre le mode d’action des médicaments montré d’influer sur la fréquence des battements spontanée. Il est probable qu’adicionais mécanistes sont présents dans les enregistrements de la fluorescence des transitoires de Ca (p. ex., dans leur forme ou leur amplitude). Si les enregistrements de fluorescence sont effectuées au taux d’acquisition plus élevés (p. ex., 30 Hz), ces paramètres sont facilement extraits en plus de battre des taux, et il peut être intéressant de corréler les variations de ces paramètres avec les effets connus du sur le plan clinique consommé de la drogue.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs n’ont aucuns accusés de réception.
FDSS7000 fluorescent plate reader | Hamamatsu Photonics (Massy, France) |
not a catalog item | |
FDSS7000 Fluo-3/Fluo-4/Fluo-8 fluorescence filter kit | Hamamatsu Photonics (Massy, France) |
installed initially in the device |
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FDSS7000 temperature control | Hamamatsu Photonics (Massy, France) |
A10118-09 | |
FDSS7000 150-W Excitation Light Source Unit | Hamamatsu Photonics (Massy, France) |
C11653-11 | |
FDSS7000 pipet tips for 384-well plates | Hamamatsu Photonics (Massy, France) |
A8687-62 | |
Waveform Analysis Software for Cardiomyocytes | Hamamatsu Photonics (Massy, France) |
U8524-12 | optional alternative to the Igor Pro software |
Igor Pro data analysis software | Wavemetrics (Portland, Oregon, USA) |
Latest version | |
iCell-Cardiomyocytes Kit | Cellular Dynamics International (Madison, WI) | R1106 | includes cells, plating and maintenance media |
Cor.4U Cardiomyocyte Kit | Ncardia Germany (Cologne, Germany) |
Ax-B-HC02-4M | includes cells, plating and maintenance media alternative to the iCell-Cardiomyocytes |
384-well cell culture plates | Greiner-Bio-One (Frickenhausen, Germany) | 781091 | |
384-well compound plates | Greiner-Bio-One (Frickenhausen, Germany) | 781280 | |
FLIPR Calcium 4 Assay Kit | Molecular Devices (Sunnyvale, California) |
R8142 | |
Forskolin | Sigma-Aldrich (Buchs, Switzerland) |
F6886 | |
N6-cyclopentyl-adenosine | Sigma-Aldrich (Buchs, Switzerland) |
C8031 | |
E-4031 | Enzo Life Sciences (Lausen, Switzerland) |
BML-KC158 | |
Penicillin-Streptomycin solution | Gibco/ThermoFisher (Reinach, Switzerland) |
15140-122 | |
Trypan Blue Solution, 0.4% | Gibco/ThermoFisher (Reinach, Switzerland) |
15250061 |