Contraenti spontaneamente sincizi di cardiomiociti derivati da pluripotenti indotte dall’uomo le cellule staminali sono utili modelli di farmacologia e fisiologia cardiaca umana. Qui presentiamo un sistema di high throughput screening per quantificare gli effetti di composti esogeni battendo frequenza, utilizzando un colorante fluorescente Ca-sensibile e un lettore di piastre multi-pozzetto imaging e temperatura controllata.
Contraenti spontaneamente sincizi di cardiomiociti derivati da pluripotenti indotte dall’uomo le cellule staminali (hiPSC CM) sono un modello utile di farmacologia e fisiologia cardiaca umana. Vari metodi sono stati proposti per registrare questa attività spontanea e per valutare gli effetti della droga, ma molti di questi metodi soffrono di throughput limitato e/o rilevanza fisiologica. Abbiamo sviluppato un sistema di screening ad alta resa per quantificare gli effetti di composti esogeni sulla frequenza di battito di hiPSC CM, utilizzando un colorante fluorescente Ca-sensibile e un lettore di piastre multi-pozzetto imaging e temperatura controllata. Descriviamo come preparare le piastre della cella e il composto e come eseguire il test automatizzato per ottenere alta sensibilità e riproducibilità. Inoltre descriviamo come trasformare e analizzare i dati di fluorescenza per fornire affidabili misure degli effetti della droga sul ritmo spontaneo. Questa analisi può essere usata nei programmi di scoperta della droga per guida Ottimizzazione chimica, o allontanarlo, composti che interessano la funzione cardiaca umana.
Il presente protocollo descrive un metodo per misurare gli effetti della droga sulla frequenza spontanea pestaggio di sincizi di hiPSC-CM a ritmi fisiologicamente rilevanti. Cellule staminali pluripotenti indotte dall’uomo possono differenziare in cardiomiociti funzionali che instaurano spontaneamente battendo sincizi in vitro1,2,3,4. Questi hiPSC-CM può essere ottenuto in gran numero attraverso i fornitori commerciali o produzione in laboratorio, e sono un’utile fonte di cellule per generare modelli di farmacologia e fisiologia cardiaca umana. In particolare, può essere utilizzati per prevedere che per caratterizzare gli effetti cardiaci che possono verificarsi quando un farmaco viene somministrato a esseri umani5.
La frequenza di battito di sincizi hiPSC-CM può essere misurata in condizioni fisiologiche mediante matrici di microelettrodi o impedenza1di rilevamento: queste tecniche non invasive forniscono informazioni molto dettagliate sugli effetti della droga, ma sono piuttosto bassa produttività ed essi non consentono testing grandi biblioteche composti all’interno di tempo realistico e vincoli di bilancio. Un sistema più efficace può essere elaborato utilizzando un lettore di piastre di imaging di fluorescenza di 384 pozzetti e un Ca-sensibile tingere6, ma i lettori di micropiastre classica sono ostacolati da frequenza di acquisizione e controllo di temperatura non ottimali. Queste limitazioni sono illustrate da pestaggio DAergici tariffe (~ 15 bpm, rispetto ai 35 – 55 bpm in ambienti controllati1) e scarsa risoluzione del segnale di Ca (una frequenza di acquisizione di 8 Hz è al limite inferiore alla velocità di registrazione che può raggiungere i 120 bpm in condizioni di stimolata, e non è possibile estrarre informazioni come pendenza o durata). Il metodo qui descritto combina la registrazione di battendo modelli a ritmi fisiologici e a risoluzione sufficiente per escludere queste preoccupazioni.
Sul lato positivo, questo metodo è semplice, affidabile e ad alta velocità di trasmissione, che permette il test rapido di un gran numero di composti a costi ragionevoli. Il lato negativo, questo metodo richiede un lettore veloce con controllo di temperatura effettiva, che è un investimento costoso, e fornisce informazioni poco meccanicistici sugli effetti di droga osservato, che potrebbero richiedere ulteriori test con maggiori informazioni metodi.
Approssimativamente 6 x 106 hiPSC-CM sono necessari per una misurazione in una piastra 384 pozzetti. hiPSC-CM sono solitamente forniti commercialmente come aliquote congelate di ~ 4 x 106 cellule in 1 mL. Pertanto, è conveniente preparare due piastre di cellulari con tre aliquote congelate. Nella maggior parte dei casi, a causa della bassa variabilità di questo test, è sufficiente eseguire misurazioni duplicati dei composti della prova e, in ogni piatto di cella, quadruplicare misurazioni dei controlli positivi (forskolin, N6-ciclopentil-adenosina ed E-4031), e 20-plicatio misurazioni di controllo negativo (DMSO da solo). Di conseguenza, un massimo di 352 composto/concentrazione coppie può essere valutato con due piastre da 384 pozzetti delle cellule. Il seguente protocollo ritiene tale esperimento eseguito con 352 sostanze da testare, due piastre di cellulari e 12 milioni le celle fornite come tre aliquote congelate; può essere facilmente su vasta scala se sono necessari ulteriori punti dati.
Due aspetti sono più critici per il successo registrazione di battere le frequenze. Il primo è quello di esercitare cautela con placcatura di cella e la cultura. In particolare, è importante cercare di evitare di graffiare lo strato delle cellule presso il fondo dei pozzetti quando il mezzo di scambio. È accettabile per toccare il fondo dei pozzetti con le pipette, ma lo stesso angolo dovrebbe essere usato ogni volta, producendo quindi solo un piccolo graffio nello strato delle cellule e non compromettere le prestazioni del test. Il secondo aspetto critico di ottenere ritmi omogenei riproducibili è quello di fornire il buon controllo della temperatura a 37 ° C su tutta la piastra cellulare per tutta la durata della misurazione. Non potremmo ottenere questa omogeneità utilizzando dispositivi diversi dal lettore della piastra usato qui, ma può essere fattibile con particolari modifiche per la regolazione della temperatura: renderebbe il protocollo presentato qui più largamente utilizzabile di là di un unico marchio di piastra lettore. Per raggiungere la stabilità di temperatura per tutta la durata dell’esperimento con il dispositivo utilizzato qui, è stato necessario interrompere ogni registrazione prima che si è conclusa; in caso contrario, il robot avrebbe espellere la piastra delle cellule misurata. Questo problema tecnico potrebbe scomparire con la prossima release del software reader piastra, ma rimane critica per ora. Se un piatto di cella erroneamente viene trasferito all’esterno lettore della piastra, deve essere caricato più velocemente possibile tornare all’interno. Tuttavia, la qualità dell’esperimento si deteriora, perché temperatura cambiamenti incidono sul tasso di pestaggio estremamente rapidamente.
Alcuni altri aspetti, che non sono stati testati accuratamente, possono essere meno importante. Ad esempio, hiPSC-CM i produttori raccomandano di piastre di coltura cellulare di rivestimento prima della semina delle cellule, ma in questo test specifico, rivestimento non è stato utilizzato, perché le cellule aderiscono abbastanza facilmente su varie superfici, e risulta molto difficile correttamente cappotto 384 pozzetti piatti. Eppure, rivestimento cella piatto può ancora essere consentita, o può anche migliorare la qualità di analisi. Abbiamo provato anche mai se solventi diversi da DMSO sarebbe accettabile, ma ci si aspetta dall’esperienza con altre tecnologie di registrazione che simili concentrazioni di EtOH o MeOH sarebbe tollerabile. Generalmente usiamo hiPSC-CMs dello stesso produttore, e le cellule da un solo fornitore ulteriore sono state testate, che sembrava funzionare in modo simile. Allo stesso modo, abbiamo usato solo un piccolo numero di lotti diversi di hiPSC-CMs che sono stati selezionati da precontrollando li per verificare che si sono comportati allo stesso modo alla partita iniziale. Uno o due lotti sono stati ritenuti inadeguati perché loro sincizi avevano scarsa stabilità o riproducibilità sotto le condizioni di coltura utilizzato qui. In caso contrario, la farmacologia è apparso molto simile in batch durante il test un pannello limitato di composti “tipici” (forskolin, N6-ciclopentil-adenosina ed E-4031, come pure dell’endotelina, isoproterenolo, amlodipina e ponesimod). Abbiamo usato solo hiPSC-CM derivati da donatori sani. Può essere utile per valutare se hiPSC-CM derivate da pazienti con malattia cardiaca fornirebbe risultati diversi, anche se nessuna differenza tra donatori sani e pazienti è stata osservata quando si valuta la cardiotossicità di inibitori della tirosina chinasi 12. Infine, aspettiamo normalmente 22 – 28 giorni nella cultura prima di misurare gli effetti della droga: nella nostra esperienza con le registrazioni di impedenza delle stesse cellule, uno stato di costante per rallentare impedenza (un indicatore di stabilità di strato delle cellule) e veloce impedenza (un indicatore di battendo la frequenza) viene raggiunto dopo 12–15 giorni nella cultura. Tuttavia, abbiamo deciso di aspettare 22–28 giorni, perché questo è il momento quando il profilo di espressione di canali cardiaci e marcatori di maturazione ha stabilizzato13. Non si è esaminato se risultati comparabili si otterrebbe se le cellule sono state usate prima o poi.
Il protocollo descritto qui utilizza una misura molto semplice del tasso spontaneo pestaggio di hiPSC-CM per valutare potenziali effetti della droga sull’elettrofisiologia cardiaca umana. Suoi principali vantaggi rispetto ad altre metodologie sono che i) è favorevole a un ambiente di high throughput screening, ii) registra l’attività dei cardiomiociti e gli effetti delle droghe a temperature fisiologiche, e iii) non richiede ed elettrofisiologiche per l’esecuzione o per la valutazione dei risultati.
In uno studio di convalida eseguito con molti farmaci approvati per uso umano, abbiamo mostrato che il test reagisce ai farmaci utilizzati in medicina umana come predetto da esistenti dati clinici5. Poiché questo metodo considera tutti i potenziali effetti sul ritmo cardiaco, essa integra la completa in vitro Proarrhythmic assay (CiPA) iniziativa14 che valuta in particolare potenziale pro-aritmici.
In futuro, questo metodo potrebbe fornire un’ulteriore comprensione della modalità di azione delle droghe indicate per influenzare il tasso di pestaggio spontanea. È probabile che ulteriori informazioni meccanicistiche sono presente nelle registrazioni di fluorescenza di transienti di Ca (ad es., nella loro ampiezza o forma). Se vengono eseguite le registrazioni di fluorescenza a tassi più elevati di acquisizione (ad esempio, 30 Hz), questi parametri vengono estratti facilmente oltre a battere il tasso, e può essere interessante correlare le modifiche a questi parametri con i noti effetti di droghe usate clinicamente.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori non hanno nessun ringraziamenti.
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 |