Beating rate analysis of hiPSC derived cardiomyocytes for ischemia disease modeling

Abstract

Hapenpuutteesta johtuvat sydänsairaudet (iskeemiset sydänsairaudet) ovat maailmanlaajuinen ongelma kuolevuuden kannalta, joista sydäninfarkti on kaikista yleisin. Tällä hetkellä ei vielä ole paljon käytettävissä olevia menetelmiä, joiden avulla voitaisiin parantaa potilaiden iskeemistä sydänkudosta. Sydänkudos voidaan hapettaa uudelleen, mutta tämän on silti havaittu aiheuttavan lisävahinkoa sydämen toiminnassa reperfuusiovaurion muodossa ja siksi uusien terapeuttisten menetelmien kehittäminen iskeemisen kudoksen pelastamiseksi on tärkeää. Sydäninfarktissa verenkiertoa rajoittaa sepelvaltimotukos, joka estää hapen virtauksen sekä ravinteiden kulkeutumisen sydänlihakseen. Tämä rajoitus aiheuttaa edelleen matalan happitilan eli hypoksian sydänlihassoluissa, mikä puolestaan johtaa sydänlihassolujen vialliseen supistumiseen, elektrofysiologisiin häiriöihin ja lopulta solukuolemaan. Koska sydäninfarktin patofysiologisia mekanismeja ei vielä tunneta yksityiskohtaisesti, ihmisperäisten in vitro -solumallien tarve hapen puutteen vaikutusten tutkimiseen sydänkudoksessa on lisääntynyt. Tässä tutkimuksessa pyrittiin määrittämään hypoksian vaikutuksia ihmisen indusoiduista pluripotenteista kantasoluista (hiPSC) erilaistettujen sydänlihassolujen sykenopeuteen. Mekaanista sykkimisaktiivisuutta tutkittiin modulaarisella alustalla, joka mahdollistaa samanaikaisen videomikroskopian, elektrofysiologian räätälöidyn mikroelektrodijärjestelmän avulla ja hapen mittaamisen fluoresoivalla laserilla kontrolloiduissa viljelyolosuhteissa. Alkiokantasolukeräymätekniikalla erilaistetut sydänlihassoluryppäät altistettiin pitkittyneelle 8 tunnin hypoksiajaksolle ja hapetettiin sen jälkeen uudelleen. Tulosten mukaan hapen puute sydänlihassoluissa muuttaa sykkimisaktiivisuutta vähentämällä sykkeen määrää huomattavasti. Hapen osapaineen ja sykenopeuden välinen lineaarinen korrelaatioanalyysi näytti myös, että sykenopeuden muutos on suoraan verrannollinen happipitoisuuden vähenemiseen. Lisäksi, koska happea havaitseva materiaali on todetusti myrkytön soluille, sydänlihassolujen toiminnallisia ominaisuuksia voidaan arvioida turvallisesti ja tarkasti kyseisillä menetelmillä.

Ischemic heart disease is one of the major reasons of deaths and morbidity in the world, myocardial infarction being the most common one. Nowadays, there are not much available methods to rescue the ischemic tissue in patients. The ischemic tissue can be reoxygenated, but still this has been found out to cause further damage on the cardiac tissue in the form of reperfusion-injury. Therefore, the development of new therapeutic approaches concerning this matter are urgent. In myocardial infarction the coronary blood flow is restricted by occlusion, thus preventing oxygen flow as well as nutrient delivery to the myocardium. This restriction further causes a low oxygen state called hypoxia inside cardiomyocytes, which in turn leads to failures in cardiomyocyte contraction, disturbances in electrophysiology and eventually cell death. As the pathophysiological mechanisms of myocardial infarction are not known in detail, there is a need of human based in vitro models to clarify more the effects of oxygen deprivation in the cardiac tissue. Here, the study aimed to determine effects of hypoxia on the beating rate of human induced pluripotent stem cell (hiPSC) derived cardiomyocytes. The mechanical beating activity was studied with a modular platform that enables simultaneous video microscopy, electrophysiology via a custom-made micro electrode array and fluorescent oxygen measuring in controlled culture conditions. Embryoid body differentiated cardiomyocyte clusters were exposed to a prolonged hypoxia period of 8 h and reoxygenated after that. According to the results, oxygen deprivation in cardiomyocytes alters the beating activity by decreasing the beating rate significantly. A linear correlation analysis between oxygen partial pressure and the beating rate also suggested that the change in beating rate is directly proportional with the decrease in oxygen concentration. In addition, as the oxygen sensing material was found to be non-toxic for the cells, the functional characteristics of cardiomyocytes can be safely and precisely assessed with these methods.