用于评估人iPSC来源心肌细胞结构和收缩变化的杂交细胞分析系统，用于临床前心脏风险评估

摘要

分析人iPSC来源的心肌细胞的收缩功能和细胞完整性的变化对于非临床药物开发具有重要意义。混合 96 孔细胞分析系统以实时和生理方式处理这两个参数，以获得可靠的、与人类相关的结果，这是安全过渡到临床阶段所必需的。

摘要

心脏收缩力评估对于新疗法的开发及其安全过渡到临床阶段非常重要。虽然人类诱导的多能干细胞衍生心肌细胞（hiPSC-CMs）有望在药物发现和安全药理学的临床前阶段作为人类相关模型，但它们的成熟度在科学界仍然存在争议，并且正在不断发展。我们提出了一种混合收缩性和阻抗/细胞外场电位（EFP）技术，为行业标准的96孔平台增加了重要的促成熟特征。

阻抗/EFP 系统实时监控蜂窝功能。除了收缩细胞的搏动率外，电阻抗谱读数还可以检测化合物诱导的形态变化，如细胞密度和细胞单层的完整性。在杂交细胞分析系统的另一个组件中，细胞在模拟真实心脏组织的机械环境的生物顺应性膜上培养。这种生理环境支持hiPSC-CMs在 体外成熟，导致更多的成人样收缩反应，包括用异丙肾上腺素，S-Bay K8644或奥卡替夫美卡比治疗后的正性肌力作用。收缩力振幅（mN/^{mm 2}）和搏动持续时间等参数也揭示了化合物对电生理性能和钙处理影响的下游效应。

该混合系统为整体细胞分析提供了理想的工具，允许临床前心脏风险评估超越当前人类相关细胞测定的视角。

引言

现代药物开发的主要目标之一是提高药物发现管道中新疗法从实验室到床边的成功率。这些新药的安全性药理学测试通常揭示心血管系统的药物不良反应，几乎占临床前阶段^药物损耗率的四分之一1。新方法（NAM）的开发和整合在临床前评估的现代化中发挥着关键作用，特别是心脏等核心电池器官。由于这些方法是无动物方法，因此在过去十年中，使用基于人类的细胞模型（如诱导多能干细胞（iPSC）来源的心肌细胞（CMs））成为现代评估安全性药理学和毒理^{学问题的主}力2。用于此类研究的广泛使用的测定系统是微电极阵列（MEA）和基于电压敏感染料的实验方法³。

然而，这种细胞类型声称的表型和功能不成熟性为理想的基于人类的细胞模型设置了障碍，有可能减少非临床和临床研究之间的翻译差距⁴。

多年来进行了大量研究，以了解隐含的未成熟表型的原因，并找到在 体外推动人类iPSC-CMs成熟过程的方法。

缺乏心脏成熟线索，例如延长的细胞培养时间，附近没有其他细胞类型或缺乏激素刺激，已被证明会影响成熟过程⁵。此外，由于天然人心脏缺少生理底物硬度，常规细胞培养板的非生理环境被确定为阻碍人类iPSC-CMs成熟的重要原因5^，6。

为了解决这个问题，开发了专注于天然生理条件的不同测定系统，包括3D细胞培养系统，其中细胞在三维上排列以类似于天然心脏结构而不是典型的二维细胞培养物⁷。尽管通过3D测定可以提高成熟度，但对熟练劳动力的需求和这些系统的低通量阻碍了其在药物开发过程中的大量使用，因为时间和成本在^{财务层面评估}新疗法中起着根本作用8。

新疗法的安全性药理学和毒理学评估的重要读数是人iPSC-CMs的功能和结构特征的变化，因为化合物诱导的心血管系统不良药物反应通常会影响^{这些特性中的一个}或两个1^，9。这种广泛不良反应的著名例子是蒽环类药物家族的抗癌药物。在这里，在患者癌症治疗期间和之后以及体外基于细胞的测定中，对心血管系统的危险功能和不良结构影响被广泛报道^10，11。

在本研究中，我们描述了一种评估hiPSC-CMs的功能和结构化合物副作用的综合方法。该方法包括心肌细胞收缩力和阻抗/细胞外场电位（EFP）的分析。收缩力是在生理机械条件下测量的，细胞培养在柔软（33kPa）硅胶基质上，反映了天然人类心脏组织的机械环境。

该系统配备了 96 孔板，用于对人 iPSC-CM 进行高通量分析，用于临床前心脏安全性药理学和毒理学研究，因此为目前使用的 3D 方法（如 Langendorff 心脏或心脏切片^12，13）提供了优势。

详细地说，混合系统由两个模块组成，用于评估生理条件下的心脏收缩力或实时细胞结构毒性分析6^，14。两个模块均与专用的高通量 96 孔板配合使用，可实现快速且经济高效的数据采集。

无需3D结构，收缩性模块采用包含柔性有机硅膜的特殊板作为细胞基板，而不是常规细胞培养板通常由硬玻璃或塑料组成。这些膜反映了典型的人类生物力学心脏特性，因此以高通量的方式模拟 体内 条件。虽然人iPSC-CMs在其他基于细胞的测定中通常无法显示成人心肌细胞对化合物诱导的正性肌力的行为¹⁴，但当细胞在收缩模块的平板上培养时，可以评估更像成人的反应。在以前的研究中，已经证明iPSC-CMs在使用异丙肾上腺素，S-Bay K8644或奥卡替夫美卡比^6，15等化合物处理时表现出积极的正性肌力作用。在这里，可以评估多个收缩力参数，例如收缩力振幅 （mN/^{mm 2}）、搏动持续时间和搏动率等主要参数，以及收缩周期的次要参数，如曲线下面积、收缩和松弛斜率、搏动率变化和心律失常（补充图 1）¹⁶.通过电容式距离传感非侵入性评估药物诱导的所有参数的变化。原始数据随后由专门的软件进行分析。

结构毒性模块添加了其独特的阻抗和EFP参数，作为结构细胞毒性和电生理特性分析的读数^17，18。电阻抗谱技术揭示了化合物诱导的细胞密度变化或实时监测的细胞和单层完整性，如用已知心脏毒性化合物处理的人 iPSC-CM 所示¹³。通过不同频率（1-100 kHz）的阻抗读数，可以进一步剖析生理反应，从而揭示膜形貌、细胞间或细胞-基质连接的变化。正如CiPA研究¹⁷，¹⁹所示^，人iPSC-CMs的额外EFP记录进一步能够分析复合治疗引起的电生理效应。

在本研究中，使用人iPSC-CMs，用表柔比星和多柔比星（两者都被描述为心脏毒性蒽环类药物）和厄洛替尼（一种酪氨酸激酶抑制剂（TKI））治疗，心血管毒性风险相当低。使用表柔比星、多柔比星和厄洛替尼进行 5 天的慢性评估。结果显示，当细胞用厄洛替尼处理时，收缩力和碱基阻抗有微小变化，但分别用表柔比星和多柔比星处理时，收缩幅度和碱基阻抗的时间和剂量依赖性毒性降低。使用钙通道阻滞剂硝苯地平进行急性测量，显示收缩幅度、场电位持续时间和碱基阻抗降低，表明该化合物对功能和结构水平的心脏毒性副作用。

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研究方案

注意:收缩性和阻抗/EFP 测量的工作流程在 补充图 2 中给出。

1. 板材涂层

1. 打开真空密封包装，取出96孔板。两个模块的96孔板的处理程序相同。让收缩板被额外提供的膜护罩覆盖，直到在收缩力模块中进行测量。
2. 涂覆用于接种心肌细胞的柔性 96 孔板。
   1. 通过在无菌离心管中转移 2.75 mL EHS 凝胶即用型溶液来制备稀释的 EHS 凝胶包衣溶液。然后加入 8.25 mL 含有 Ca 2+ 和 Mg²⁺ 的 DPBS。仔细混合溶液。
      注意:纤连蛋白也可用于包衣孔:在无菌离心管中制备 13 mL 纤连蛋白包衣溶液，方法是将 650 μL 纤连蛋白储备溶液 （1 μg/mL） 稀释在 13 mL DPBS 中，含^Ca 2+ 和 Mg²⁺，得到 50 μg/mL 工作溶液。仔细混合溶液。
3. 将包衣溶液转移到放置在实验室自动化机器人中的无菌试剂储液槽中。
4. 使用实验室自动化机器人使用程序"ADD100μL"每孔添加 100 μL 包衣溶液。将盖子放回96孔板上，并在37°C下孵育3小时。
   注意:实验室自动化机器人的程序需要事先手动预设。

2. 将人 iPSC 来源的心肌细胞接种到灵活的 96 孔板中（第 0 天）

1. 根据制造商的指南解冻细胞。
2. 使用手动计数室对细胞进行计数，并根据细胞制造商的说明（例如，1 x 10⁵ 个细胞/孔）调整推荐电镀介质中的细胞，从而产生 11 x 10⁶ 个细胞/11 mL 用于接种整个 96 孔板。
3. 使用实验室自动化机器人使用程序"REMOVE100μL"从孔中取出EHS凝胶溶液。从机器人上取出含有分配包衣溶液的试剂储液槽。
4. 将细胞悬液（总共 11 mL）转移到放置在实验室自动化机器人中的无菌试剂储液槽中，并使用程序"CELLS_ADD100 μL"用 100 μL/孔接种细胞。
5. 细胞接种后，立即将灵活的96孔板转移到培养箱中（37°C，5%CO₂，湿度控制），让细胞沉降过夜。

3. 柔性 96 孔板的培养基更换（第 1 天）

1. 接种板后18-24小时，在50mL离心管中将每板至少22mL心肌细胞维持培养基加热至37°C。
2. 将新鲜培养基（至少 22 mL）转移到无菌试剂储液槽中，并将其放在实验室自动化机器人旁边。在机器人中放置一个空的试剂储液槽，并使用程序"REMOVE100μL"进行培养基去除。之后，将含有废培养基的试剂储液槽与含有新鲜培养基的试剂储液槽交换，并使用程序"ADD100μL"每孔分配200μL新鲜培养基。执行此步骤两次以达到 200 μL/孔。
3. 更换培养基后，立即将板转移回培养箱中。
4. 每隔一天进行一次培养基更换（200 μL/孔），直到加入化合物。

4. 化合物添加前的最终培养基交换（第 5-7 天）

1. 在加入化合物前4-6小时进行最终培养基更换。
2. 为一个灵活的 96 孔板加热至少 22 mL 的测定缓冲液。测定缓冲液由维持培养基或其衍生物（例如，低/无血清培养基、无酚红培养基或其他等渗缓冲液）组成。
3. 将新鲜培养基转移到无菌试剂储液槽中，并将其放在实验室自动化机器人旁边。在机器人中放置一个空的试剂储液槽并执行培养基去除。然后，将含有废培养基的试剂储液槽与含有新鲜培养基的试剂储液槽交换，并分配200μL/孔的新鲜培养基。
4. 更换培养基后，立即将柔性板转移回培养箱中。

5. 化合物添加和数据记录（第5-7天）

注意: 补充图3给出了实验的示例测量计划。

1. 使用无菌规则 96 深孔板在层流罩中制备 4x 浓度的每种化合物的工作溶液。复合溶液基于步骤4中使用的测定缓冲液。将含有复合溶液的96深孔板转移到培养箱中至少1小时，以将其调整到与柔性板相同的条件。
   注意:用于每个实验的每种药物的1x浓度在图例中提供。
2. 在执行基线测量之前1小时将板转移到相应的测量设备上。
3. 在控制软件（混合细胞分析系统的一部分）中打开 编辑协议 ，然后选择相应的测量模式收缩 性或阻抗/EFP。
4. 定义扫描持续时间（一次测量的长度;例如，30 秒）和重复间隔（测量之间的时间;例如，5 分钟）并保存协议编号。
5. 选择 "启动协议">"继续 "并填写所需的字段。
6. 最后，选择 开始测量。在化合物添加前不久，每隔 5 分钟至少进行三次基线测量（扫描）。
   注意:添加化合物之前使用收缩性模块进行收缩性基线测量的示例数据如补充图4所示
7. 从每个孔中取出 50 μL 的测定缓冲液，而无需从测量装置上取下柔性 96 孔板。
8. 根据测量计划，将 50 μL 的 4x 浓缩化合物溶液添加到板的每个孔中。
9. 选择添加 区域标记 并定义化合物板布局和化合物添加后化合物溶液的体积。
10. 最后，根据实验计划选择" 继续进行标准 测量"或 "继续进行测量系列 "。

6. 数据分析

1. 使用记录软件，测量扫描，其长度和重复间隔由用户定义。
2. 使用分析软件，通过自动读取幅度、拍频、脉冲宽度等参数来捕获信号的形状。
   注意:包括标准偏差（即所谓的平均心跳）在内的平均信号是根据一次扫描的数据自动计算的。用户可以定义软件计算和显示的收缩性/ IMP / EFP参数。
3. 使用分析软件计算每种化合物的剂量反应曲线和IC50 / EC50。
   注意:使用分析软件生成的原始数据和分析结果可以轻松导出为各种格式。最后，自动生成数据报告，对实验结果进行汇总和存档。 ¹⁷ 中讨论了对 EFP 信号测量的内容和方式的全面描述。

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结果

激酶抑制剂厄洛替尼对hiPSC-CMs收缩力的影响如图 1所示。用浓度范围为10nM至10μM的细胞处理5天，并每天记录搏动参数。厄洛替尼是一种EGFR（表皮生长因子受体）和酪氨酸激酶抑制剂，具有相对较低的心脏毒性风险，仅在微摩尔范围内的浓度下对hiPSC-CMs具有小剂量和时间依赖性影响。在最低浓度（10nM）下，厄洛替尼在化合物施用后（1小时）的第一次测量中诱导了统计学上不?...

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讨论

阻抗/EFP/收缩力混合系统是一种综合方法，用于临床前药物开发的心脏负债的高通量安全性药理学和毒理学评估。它提供了一种现代的临床前安全性测试方法，无需使用动物模型，但具有更高的通量能力，可显着减少时间和成本。该系统有可能用作Langendorff心脏和其他动物模型的补充方法，用于临床前功能和结构毒性评估。

作为一种无动物的方法，人类iPSC-CMs被用于杂交系统

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Commercial human iPSC-derived cardiomyocytes	Fujifilm Cellular Dynamics International (FCDI)	R1059
Centrifuge (50 mL tubes)	Thermo Fisher Scientific	15878722
12-channel adjustable pipette (100-1250 μL)	Integra Biosciences	4634
DPBS with Ca2+ and Mg2+	GE Healthcare HyClone	SH304264.01
96 deep well plate	Thermo Fisher Scientific	A43075
EHS gel			Extracellular Matrix Gel
FLEXcyte 96/CardioExcyte hybrid device	Nanion Technologies	19 1004 1005	Hybrid cell analysis system
FLX-96 FLEXcyte Sensor Plates	Nanion Technologies	20 1010
Fibronectin stock solution (Optional to Geltrex)	Sigma Aldrich	F1141
Geltrex hESC-Qualified, Ready-To-Use, Reduced Growth Factor Basement Membrane Matrix	ThermoFischer Scientific	A1569601
Human iPSC-derived cardiomyocytes plating and maintenance medium	FCDI	R1059
Incubator (37 °C, 5% CO2)	Thermo Fisher Scientific	51023121
Laminar Flow Hood	Thermo Fisher Scientific	51032678
NSP-96 CardioExcyte 96 Sensor Plates 2.0 mm transparent	Nanion Technologies	20 1011
Pipette tips (1250µL)	Integra Biosciences	94420813
Reagent Reservoir	Integra Biosciences	8096-11
Serological pipette (e.g. 25 mL)	Thermo Fisher Scientific	16440901
Single channel adjustable pipette (e.g. 100-1000 μL)	Eppendorf	3123000063
Vacuum aspiration system	Thermo Fisher Scientific	15567479
Optional: VIAFLO ASSIST	Integra Biosciences	4500	Lab automation Robot
Water bath (37 °C)	Thermo Fisher Scientific	15365877