Dieser Artikel enthält eine Reihe von Protokollen für die Entwicklung von humaninduzierten pluripotenten Stammzell-abgeleiteten Kardiomyozyten (hiPSC-CM) Netzwerken, die auf Multiwell-MEA-Platten kultiviert werden, um die Zellmembran für Aktionspotenzialmessungen reversibel zu elektroporatieren. Hochdurchsatzaufzeichnungen werden von denselben Zellstandorten wiederholt über Tage hinweg abgerufen.
Das Kardiale Sicherheitsscreening ist für die Entdeckung von Arzneimitteln und Therapeutika von größter Bedeutung. Daher ist die Entwicklung neuer elektrophysiologischer Hochdurchsatzansätze für hiPSC-abgeleitete Kardiomyozytenpräparate (hiPSC-CM) für effiziente Arzneimitteltests dringend erforderlich. Obwohl Multielektroden-Arrays (MEAs) häufig für Feldpotenzialmessungen von erregbaren Zellen eingesetzt werden, wurde in einer kürzlich veröffentlichten Veröffentlichung von Joshi-Mukherjee und Kollegen die Anwendung für wiederholte Aktionspotenzialaufnahmen (AP) beschrieben und validiert. aus der gleichen hiPSC-CM-Vorbereitung über Tage. Ziel ist es, detaillierte Schritt-für-Schritt-Methoden zum Säen von CMs und zur Messung von AP-Wellenformen mittels Elektroporation mit hoher Präzision und einer zeitlichen Auflösung von 1 s bereitzustellen. Dieser Ansatz behebt den Mangel an einfach zu bedienenden Methoden, um intrazellulären Zugang für AP-Messungen mit hohem Durchsatz für zuverlässige elektrophysiologische Untersuchungen zu erhalten. Ein detaillierter Arbeitsablauf und Methoden zur Beschichtung von HiPSC-CMs auf Multiwell-MEA-Platten werden diskutiert, wobei kritische Schritte, wo immer relevant, hervorgehoben werden. Darüber hinaus wird ein maßgeschneidertes MATLAB-Skript für die schnelle Datenverarbeitung, -extraktion und -analyse für eine umfassende Untersuchung der Wellenformanalyse gemeldet, um subtile Unterschiede in der Morphologie für verschiedene AP-Dauerparameter zu quantifizieren, die in Arrhythmie und Kardiotoxizität.
Humaninduzierte pluripotente Stammzell-abgeleitete Kardiomyozyten (hiPSC-CMs) sind der Goldstandard für eine wachsende Anzahl von Laboratorien1,2,3,4,5,6 ,7,8,9,10. Schlagen embryoide Körper11,12,13 und monolayer3,7,10,11,12, 13,14,15,16,17 Differenzierung sind die bevorzugten Methoden für die Kardiomyozytenproduktion und das Multielektroden-Array (MEA) ist zu einer gemeinsamen Modalität geworden zur Überwachung der Elektrodynamik dieser Netze18,19,20. Während Parameter, die aus Feldpotentialen (FPs) extrahiert werden können, wie Schlaggeschwindigkeit, Amplitude, Dauer und RR-Intervalle, sind elektrophysiologische Ausgangsreaktionen spontan schlagender Monolayer18,21, 22,23, die diesen extrazellulären FP-Signalen zugrunde liegenden Aktionspotentialkomponenten (AP) sind schwer zu extrapolieren24. Unsere kürzlich erschienene Veröffentlichung über die Entdeckung einer Anwendung von MEAs für direkte wiederkehrende AP-Messungen liefert einen Beweis für die Methodik beispielhafter intrazellulärer AP-Auslesungen mit einer umfassenden Wellenformanalyse in verschiedenen Repolarisationsphasen über mehrere Chargen von hiPSC-abgeleiteten Cardiomyozytennetzwerken3. In der Studie haben wir gezeigt, dass die Abgabe von elektroporatingen Impulsen an Netzwerke von hiPSC-abgeleiteten Kardiomyozyten den intrazellulären Zugriff für AP-Aufnahmen ermöglicht. Diese transienten AP-Aufnahmen sind abhängig von transmembranpotenziellen Wiederherstellungen, die durch die Verletzungsstelle3,25,26beobachtet werden. Wellenformen, die in unserer Studie über MEA und Patch-Klemme aufgezeichnet wurden, zeigten ähnliche AP-Morphologien, wodurch die Zuverlässigkeit des Ansatzes3validiert wurde.
Einige Laboratorien haben berichtet, dass APs aus verschiedenen elektrogenen Zellen mit maßgeschneiderten MEAs18,21,26,27,28,29 , 30, aber die Zuverlässigkeit der Verwendung von MEAs für konsistente und wiederkehrende AP-Messungen wurde nicht bewertet. Derzeit ist die Goldstandard-Patch-Clamp-Technik auf Klemmenaufnahmen7,31 beschränkt, während MEA-basierte AP-Messungen transient sind und daher mehrfach an derselben Zelle durchgeführt werden können. Wir zeigen auch, dass man problemlos hochwertige AP-Signale im Millivolt-Bereich aufnehmen kann, die eine minimale Filterung erfordern. Forscher können daher nicht nur akute, sondern auch chronische Arzneimittelstudien in den gleichen Präparaten mit MEAs durchführen. Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie die gleichzeitige FP/AP-Messung, die elektrobiome Bibliotheken in kurzer Zeit erzeugt. Angesichts der zunehmenden Betonung der Arrhythmie-Vorhersage und der medikamentösen Kardiotoxizität24,32,33,34,35, Integration von AP-Messung Arzneimittelsicherheits- und Wirksamkeitsbewertungen verbessern.
Hier stellen wir Protokolle für 1) Vorbeschichtung von kryokonservierten hiPSC-CMs zur Reifung, 2) Dissoziierung und Beschichtung von hiPSC-CMs auf Multiwell-MEAs, 3) Aufzeichnung von FPs und APs aus hiPSC-CM-Netzwerken, 4) Segmentierung und Extraktion der Daten für die Analyse und 5) vor. Wiederherstellen der Arrays für die mehrfache Wiederverwendung. Jeder Schritt wurde optimiert und betont kritische Schritte, wo immer relevant. Anforderungen an die Zellanhaftung, um sicherzustellen, dass eine schlagende synzytiale Monoschicht diskutiert und Verfahren für die Multiwell-MEA-Wiederherstellung für sich wiederholende elektrophysiologische Studien erläutert werden. Schließlich wird eine im Labor entwickelte benutzerdefinierte GUI für den AP-Signalextraktions-, Qualitätssicherungs- und Segmentierungsworkflow zur Quantifizierung und Analyse von AP-Parametern vorgestellt.
Im Laufe der Jahre beschränkte sich die Anwendung von MEAs auf die Durchführung von FP-Messungen von erregbaren Zellen, um ihre elektrophysiologischen Eigenschaften zu untersuchen36,37,38,39. Nur wenige Gruppen haben AP-Spuren von elektrogenen Zellen mit benutzerdefinierter MEA-basierter Technologie18,29,30gemeldet. Diese Ansätze wurden jedoch nicht auf wiederholte Aufnahmen von denselben Präparaten untersucht. Wir haben eine innovative und genaue Methodik entwickelt, um APs von der gleichen Zelle über Tage in mehreren hiPSC-CM-Netzwerken gleichzeitig zu untersuchen3. In unserer veröffentlichten Studie wurde eine multiwell Micro-Gold MEA-Plattform eingesetzt, um AP-Wellenformbibliotheken aus mehreren Chargen von hiPSC-CM-Kulturen mit hoher Präzision und einer zeitlichen Auflösung von 1 s zu generieren. Das hier beschriebene Protokoll erklärt das Seeding von hiPSC-CMs auf dem Array für die effiziente Entwicklung von synzytialen CM-Netzwerken für AP-Aufnahmen mit hohem Durchsatz. Mehrere kritische Schritte im Protokoll sind: 1) Herstellung mehrerer hochreiner Chargen von qualitätskontrollierten CMs für das Kryokonservierungsbanking, 2) hochwertig nach tauende CMs zur Vorbeschichtung und Reifung, 3) Behandlung der Multiwell-MEA-Platte für CM Saat, 4) hiPSC-CM-Kulturdissoziation nach 30 Tagen nach der Differenzierung für die MEA-Beschichtung und 5) Wiederherstellung der MEAs für die mehrfache Wiederverwendung.
Es ist wichtig zu beachten, dass Batch-zu-Batch-Variation in der HiPSC-Differenzierung experimentelle Ergebnisse beeinflussen könnte. Die monolayer Differenzierungsmethode wurde intern für eine hohe Prozent-Kardiomyozytenproduktionoptimiert 3,40. Die FACS-Analyse von MLC2v- und TNNT2-Markern unserer Kulturen zeigt einen 90% ventrikulären Phänotyp3. Diese qualitätskontrollierten Kulturen sind für experimentelle Studien kryokonserviert. Die aktuellen Differenzierungsansätze ergeben eine heterogene Mischung aus Knoten-, Atrial- und Ventrikel-ähnlichen Zellen3,16,17,41. Daher können Strategien zur Anreicherung der CM-Subtyppopulation die Spezifität der Kulturen weiter verbessern. Darüber hinaus können Gewebe-Engineering-Ansätze eingesetzt werden, um ihre Reifung zu verbessern. Die hier vorgeschlagenen Methoden können leicht für andere CM-Quellen implementiert werden.
Die mit MEA aufgezeichneten AP-Wellenformen ähnelten denen, die von Netzwerken von Kardiomyozyten durch optische Kartierung42,43, komplementärmetalloxid-Halbleiter-basierte MEA18,21und simulierte AP aufgezeichnet wurden. mit FP-Aufnahmen20. Um den Mechanismus der AP-Messungen über MEA Hai und Spira25 anzugehen, zeigte sich, dass die Elektroporen-Elektroden-Schnittstelle die etablierte scharfe Glasmikroelektrodentechnik imitiert. Das Ruhende Membranpotential und die wahren Amplitudenwerte in unserer Studie können jedoch nicht nachgewiesen werden, da die Elektroporen-Elektroden-Schnittstelle in MEA-Systemen nicht kalibriert ist und die Amplitude eine Funktion der Empfindlichkeit und Auflösung der technik. Unser Ansatz hat ähnliche Einschränkungen wie das optische Mapping, wenn es um AP-Amplitude geht.
Die hier berichteten FP/AP-Auslesungen auf MEA-Basis eröffnen neue Möglichkeiten für die Beurteilung der Arzneimittelsicherheit. Obwohl spontan, schlagen diese hiPSC-CM-Monolayer mit konstanten Raten. Die Analyse von APD-Parametern über mehrere Netzwerke hinweg liefert Einblicke in die elektrische Heterogenität (Abbildung 13). Umfassende APD-Restitutionsanalysen müssen jedoch vorhergehende diastolische Intervalle umfassen. Darüber hinaus sind hochwertige AP-Wellenformen, die von der gleichen Zellstelle über 96 h aufgezeichnet wurden (Abbildung 11B) der erste Bericht, der die Membranelektrodynamik im Laufe der Zeit verfolgt, die für die Entwicklung und die Krankheit von Wert sein wird.
Das hier beschriebene Protokoll zur Quantifizierung von AP-Parametern kann verwendet werden, um Dosis-Wirkungs-Kurven zu Testverbindungen zu erzeugen. Wie vor kurzem von Edwards et al.3berichtet, Dosis-Reaktion von Noradrenalin, Isoproterenol und E 4031 werden für APD in verschiedenen Repolarisationsphasen geplottet. Die veröffentlichte Studie zeigte die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Ansatzes zur Identifizierung der dosisabhängigen subtilen Veränderungen in den AP-Wellenformen in Echtzeit. Diese Technik könnte leicht für andere Verbindungen oder kleine Molekülbibliotheken erweitert werden, um verschiedene elektrophysiologische Reaktionen zu verstehen.
Der in dieser Studie vorgestellte MEA-basierte Ansatz für AP-Messungen wird nicht nur für Elektrophysiologen, sondern auch für Zellbiologen und In-Silico-Modellierer von Interesse sein. Darüber hinaus werden FP/AP-Aufnahmen von derselben Zellsite auf hiPSC-CMs es Forschern ermöglichen, innerhalb kurzer Zeit bioelektrische Datenbibliotheken mit einer Vielzahl von erregbaren Mobilfunknetzen zu erstellen. Die Verfügbarkeit dieser Ressourcen wird für Die Entdeckung von Arzneimitteln und die Modellierung von Krankheiten von Nutzen sein.
The authors have nothing to disclose.
nichts
Accutase | Sigma Aldrich | A6964-100ML | cell dissociation solution |
Acquisition software | Multichannel Systems | Multiwell-Screen v 1.9.2.0 | |
B27 Supplement | ThermoFisher | 17504-044 | CM media supplement |
Converter software | Multichannel Systems | MultiChannel DataManager | |
DMEM/F12 | ThermoFisher | 11330-032 | |
D-PBS | ThermoFisher | 14190-250 | |
FBS | Fisher Scientific | SH3007103HI | |
Fibronectin | Sigma Aldrich | F1141-5MG | |
Geltrex | ThermoFisher | A1413202 | coating substrate |
Interface board | Multichannel Systems | MCS-IFB 3.0 Multiboot Interface Board | |
Multiwell MEA Plate | Multichannel Systems | 24W300/30G-288 | |
RPMI 1640 | ThermoFisher | 11875-093 | CM base medium |
Terg-a-zyme | Sigma Aldrich | Z273287-1EA | enzymatic detergent |
Transfer pipettes, individually wrapped | Fisher Scientific | 1371148 | |
Trypan Blue | Sigma Aldrich | T8154-100ML | |
Ultrapure sterile water | ThermoFisher | 10977-023 | |
6-well tissue-culture treated plates | Fisher Scientific | 08-772-1B |