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* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
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.
1. Herstellung von Lösungen und Materialien (siehe Materialtabelle)
2. Vorbeschichtung von kryokonserviertem HiPSC-CM zur Reifung (Abbildung 1)
HINWEIS: Dieser Abschnitt ist zum Auftauen und Kultivieren von HiPSC-CMs gedacht,die mit der feederfreien Monolayer-Methode 3,16 und cryopreserved in flüssigem Stickstoff 10 Tage nach der Differenzierung bei 1-2 Millionen Zellen/Durchstechflasche unterschieden wurden. Zellen aus einer Durchstechflasche werden in zwei substratbeschichtete Brunnen einer 6-Well-Gewebekulturplatte plattiert. Cardiomyozyten neigen dazu, sich an der Unterseite des Rohres zu setzen, so dass sanftes Mischen zum Zeitpunkt der Vorbeschichtung wichtig ist, um eine gleichmäßige Zelldichte über Brunnen hinweg zu erreichen.
3. Multiwell MEA Plattensterilisation und Beschichtung (Abbildung 2 und Abbildung 3)
HINWEIS: Das hier beschriebene Protokoll dient zur Vorbereitung von 24-Well-MEA-Platten mit 12 Mikrogold-PEDOT-beschichteten Elektroden auf Glas für die hiPSC-CM-Beschichtung. Vermeiden Sie das Berühren des Bodens der Platte, da dies die Elektroden beschädigen kann.
4. hiPSC-CM-Dissoziation und Beschichtung auf Multiwell MEA-Platte (Abbildung 3)
HINWEIS: Starten Sie diesen Schritt etwa 1 h, bevor die MeA-Fibronectin-Inkubation abgeschlossen ist. Stellen Sie sicher, dass die Zelldissoziationslösung bei 37 °C und das iPSC-CM Auftaumedium bei Raumtemperatur liegt. Dissoziationsmethoden wurden für 30 Tage nach der Differenzierung von HiPSC-CMs optimiert, die auf substratbeschichteten 6-Well-Platten kultiviert wurden (siehe Schritt 2), um etwa 90 % lebensfähige CMs für die MEA-Beschichtung zu erhalten. Es sollte darauf geachtet werden, keine Luftblasen während der Trituration einzuführen, um den Zelltod zu verhindern.
5. hiPSC-CM Elektroporation und Signalerfassung (Abbildungen 4 – 6)
HINWEIS: Dieses Protokoll dient der gleichzeitigen Aufzeichnung von Elektrodensignalen mit hohem Durchsatz (12 Standorte für jeden der 24 Brunnen). Das 24-Well-Multiwell-MEA-System wird mit der Erfassungssoftware verwendet (siehe Tabelle der Materialien). Alle MEA-Aufnahmen werden bei 37 °C durchgeführt.
6. Multiwell MEA Plattenreinigung zur Wiederverwendung
7. Datendateikonvertierung und -export
HINWEIS: Für jede Aufzeichnung werden vier Datendateien generiert: MWR-, MWC-, MWD- und MWS-Dateien. Mit der Konverter-Software kann die MWD-Datei zur nachfolgenden Analyse mit einem benutzerdefinierten Skript in eine H5-Datei konvertiert werden (siehe Zusatzdatei 1).
8. Datensegmentierung und -analyse (Abbildungen 8-10)
HINWEIS: Matlab-basierte benutzerdefinierte Software wird verwendet, um verschiedene FP- und AP-Datenparameter zu segmentieren und zu extrahieren. Software ist auf Anfrage verfügbar.
Die Lebensfähigkeit und Beschichtungsdichte von post-getobten HiPSC-CMs ist entscheidend für die Multiwell-MEA-Kultur. Die Vorbeschichtung von 1-2 Millionen HiPSC-CMs/Fläschchen in zwei Brunnen einer 6-Well-Gewebekulturplatte mit 50% oder mehr Lebensfähigkeit erzeugt eine gesunde Monolayer-Kultur mit spontanem Schlagen bei 48 h. Schlechte Lebensfähigkeit von CMs führt zu Kulturen mit einem hohen Anteil an Nicht-Myozytenpopulationen. Diese Monolayer, wenn sie für Multiwell-MEA-Beschichtungen dissoziiert werden, führen in der Regel zu inkonsistenten Ergebnissen und schlechten Qualitätssignalen und sollten daher verworfen werden. Abbildung 1 zeigt Beispiele für optimale vs. suboptimale HiPSC-CMs-Kulturen bei 48 h-Postplating. Das Auftauen der CMs auf substratbeschichteten Gewebekulturplatten statt direkt auf Multiwell-MEAs ermöglicht die Zellrückgewinnung und Reifung3. Eine direkte Beschichtung von kryokonservierten CMs auf dem Array wird nicht empfohlen, da sie zu inkonsistenten Ergebnissen führt.
Neben der Qualität der dissoziierten CMs ist die Zellanhaftung auf Multiwell-MEA stark von der Zelldichte und der Fibronectin-Beschichtungstechnik abhängig. Die Größe des Fibronectin-Tröpfchens ist entscheidend, da die CMs den Grenzen des Fibronectin-beschichteten Bereichs entsprechen. Aus diesem Grund werden nur 5 l der Fibronectin-Lösung direkt über den Elektroden-Array-Bereich abgegeben. Damit sich das Tröpfchen nicht verteilt, muss die Brunnenoberfläche zum Zeitpunkt der Beschichtung vollständig trocken sein. Abbildung 2 zeigt das Layout der Multiwell-MEA-Platte mit Schaltplänen der Schritt-für-Schritt-Vorbehandlung für eine optimale Vorbereitung. Um zu verhindern, dass das Fibronectin austrocknet, müssen die Multiwell-MEA-Platten während der Inkubationszeit, die nicht länger als 3 h dauert, in einer Befeuchtungskammer platziert werden (siehe Schritt 3.8). Sobald die Inkubationszeit abgeschlossen ist, ist es wichtig, das Fibronectin Tröpfchen aus jedem Brunnen kurz vor der CM-Beschichtung zu entfernen und erst dann mit der nächsten gut plattieren. Schnelles und sorgfältiges Dosieren der CMs ist der Schlüssel zu einer erfolgreichen Zellanhaftung.
hiPSC-CM-Kulturen nach 30 Tagen nach der Differenzierung werden für die Multiwell-MEA-Beschichtung mit der enzymatischen Zelldissoziationsmethode dissoziiert (siehe Schritt 4). CMs werden um 3 h an den fibronectinbeschichteten MEA-Oberflächen befestigt und eine Monoschicht, die die Arrays bedeckt, wird nach 24 h Nachbeschichtung sichtbar sein (Abbildung 3). Synchrones Schlagen der Monoschicht wird bei 24-48 h beobachtet. Zelltröpfchendispersion wirkt sich auf die Kulturdichte aus oder führt sogar zum Trocknen und Zelltod. Eine präzise Zellplatzierung direkt auf dem Array ist von größter Bedeutung und daher muss die Technik für eine optimale Beschichtung geübt werden. Die Zellhaftung an der Referenzelektrode behindert die elektrische Signalproduktion. Siehe Abbildung 3 für Bilder von optimaler CM-Platzierung und Kultur nach 24 h.
Die CMs, die auf Multiwell-MEAs kultiviert werden, werden einer Qualitätsprüfung für elektrische Aktivität bei 48 h Postplating unterzogen. Typischerweise erhöht sich die FP-Signalamplitude von 'V-Bereich zu mV in ca. 4 Tagen3. Wenn 50 % der Elektroden innerhalb eines Netzes und 70 % der gesamten Netze keine FP-Signale erzeugen, dann sind das Netz oder die Kultur suboptimal und sollten verworfen werden. Für die FP- und AP-Analyse werden nur Kulturen verarbeitet, die die Qualitätsprüfung bestehen. Abbildung 6 zeigt Beispiele für gute und unternormige FP-Signale.
Elektroporationsvermittelte AP-Aufnahmen können mehrfach aus Kulturen 48 h post-MEA-Beschichtung erhalten werden. Mit Elektroporation erhielten wir intrazellulären Zugang zu rekordhochauflösenden APs aus mehreren hiPSC-abgeleiteten Kardiomyozytennetzwerken. Niederspannungsimpulse (1 V, 1 ms, 1 Hz) für 30 s wurden für die transiente, reversible Umwandlung von FP in AP geliefert. Die Elektroporation ermöglicht einen erfolgreichen intrazellulären Zugang zur AP-Messung in ca. 75% der Elektroden. Elektrische Signale werden für 2 min aufgezeichnet, die 30 s Vorelektroporation, 30 s während und 1 min Nachelektroporation umfassen. Ein Zug von 10 s AP-Wellenformen 10 s Post-Elektroporation werden an allen Standorten für Signalqualität und Analyse ausgewertet. Jede Spur, die nicht dem reinen AP-Signal entspricht, wird verworfen. Um zu untersuchen, ob AP-Amplituden mit dem FP-Signal korrelieren, haben wir alle 288 Standorte elektropoiert, um gleichzeitig Wellenformen aufzuzeichnen. Repräsentative FP- und AP-Signale, die von der gleichen Zellstelle von zwei verschiedenen Elektroden aufgezeichnet wurden, sind in Abbildung 11Adargestellt. Wir beobachteten keine Korrelation zwischen FP-Amplituden und AP-Amplituden nach der Elektroporation, die von derselben Zellstelle aufgezeichnet wurden. Darüber hinaus hatten mehrere Elektroporationen derselben Zellstelle bei 0, 24, 48, 72 und 96 h keine signifikanten Auswirkungen auf die AP-Form im Laufe der Zeit (Abbildung11B).
Angesichts des hohen Durchsatzcharakters des Systems ist eine manuelle Technik zur Extraktion und Quantifizierung von Sehenswürdigkeiten wie RR-Intervall, momentaner Frequenz und Differentialwirkungspotenzialdauer ineffizient und zeitaufwändig. Ein maßgeschneidertes MATLAB-Skript, das der Forschungsgemeinschaft auf Anfrage zur Verfügung steht, wird verwendet, um Wellenformmessungen mit einer Auflösung von 1 s durchzuführen. Elektroporationszeitpunkte werden mit dem extrahierten Signal überlagert, um 10 s AP-Nachelektroporation zu identifizieren, um Signalextraktions-, Qualitätssicherungs- und Segmentierungs-Workflows durchzuführen (Abbildung 8, Abbildung 9, Abbildung 10). Die Benutzeroberfläche ermöglicht die Auswahl des gewünschten Segments unter Verwendung der überlagerten Elektroporationsanzeigen als Leitfaden. Die segmentierte Wellenform wird von Unterroutinen verarbeitet, um einzelne AP-Wellenformen weiter zu identifizieren. Dies wird durch Peak-Erkennung abgeschlossen, bei der die höchste und niedrigste Spannung für jeden Zyklus identifiziert wird. Sobald dieser Prozess abgeschlossen ist, werden die Amplituden normalisiert, und die assoziierenden Zeitvektoren werden verschoben, um die Zeit Null bei einem Spitzenwert von 1 zu definieren. Die Interpolation von Schnittpunkten entlang der einzelnen Zyklen wurde verwendet, um APD-Messungen zu bestimmen. So ermöglicht der partielle Automatisierungsworkflow für die AP-Wellenformsegmentierung eine effiziente Datenanalyse für verschiedene APD-Parameter über mehrere Batches von Kulturen in kurzer Zeit hinweg. Weitere Automatisierung der Inklusions- und Ausschlusskriterien für FPs und APs ist für die Echtzeit-Datenanalyse im Gange.
Ein wesentlicher Vorteil der Multiwell-MEA-Platte ist, dass sie mehrfach wiederverwendet werden kann. Diese Wiederherstellung ermöglicht sich wiederholende elektrophysiologische Studien für eine kostengünstige und konsistente Datenerfassung. Aufnahmen von APs aus demselben Array nach 6 Wiederherstellungen sind in Abbildung 12dargestellt. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist bei mehreren Wiederverwendungen ähnlich. Um die Zuverlässigkeit des Arrays für sich wiederholende elektrophysiologische Studien zu demonstrieren, werden insgesamt 3815 AP-Wellenformen aus drei Restaurationschargen gepoolt und AP-Dauerdaten extrahiert, um die Wiederholbarkeit der Ergebnisse zu untersuchen. Angezeigt werden Verteilungsdiagramme für die einzelnen Wellenformen APD30, APD80, Triangulation (APD80—APD30) und Fraktionverkürzung ((APD80—APD30)/(APD80)) (Abbildung 13).
Abbildung 1: Vorbeschichtung von kryokonserviertem HiPSC-CM für die Reifung. (A) Zellverarbeitung zur Vorbeschichtung 1 Durchstechflasche von 10 Tagen nach der Differenzierung kryokonservierte hiPSC-CMs. (B) Phasenkontrastbilder erfolgreicher (links) und erfolgloser (rechts) hiPSC Kulturen. Maßstabsleiste: 275 m. Siehe Video 1 und Video 2 für erfolgreiche 14 und 24 Tage Nachdifferenzierungskulturbeispiele. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Multiwell MEA Plattenaufbau und -vorbereitung. (A) Multiwell MEA Plattenschemata: Die Platte besteht aus 24 Bohrungen (A1 bis D6), die jeweils 12 Mikroelektroden-Arrays und 4 periphere Referenzelektroden enthalten. Elektrodendurchmesser: 30 m / Zwischenelektrodenabstand: 300 m. Aufnahmen können gleichzeitig von den 288 Elektroden erhalten werden. (B) Sterilisations- und hydrophile Behandlungsschritte, die vor der HiPSC-CM-Beschichtung durchzuführen sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: hiPSC-CM-Dissoziation und Beschichtung auf Multiwell MEA-Platte. (A) Schemata der hiPSC-CM MEA-Beschichtungsschritte für jeden Brunnen. (B) Mikroskopisches Bild zur Veranschaulichung der korrekten Zelltröpfchenplatzierung, das alle 12 Elektroden abdeckt, ohne sich auf die 4 Referenzelektroden auszubreiten. (C) Phasenkontrast mikroskopische Bilder einer beispielhaften (links) und suboptimalen (rechts) hiPSC-CM-Platte auf MEA bei 24 h Nachplattung. Skala bar= 275 'm. Siehe Video 3 für erfolgreiches MEA-Beschichtungsbeispiel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Multiwell-Screen-Erfassungssoftware. Pfeile zeigen die Position der wichtigsten Features und Funktionen an, auf die im Text verwiesen wird: Temperaturregelung (1) ermöglicht eine Echtzeit-Temperaturüberwachung während des gesamten Experiments. Insert/Eject (2) drücken Sie die Multiwell MEA-Platte ein und lösen Sie sie los. Die Funktion Experimental Flow (3) definieren ermöglicht es dem Benutzer, die Dauer der Aufzeichnung festzulegen. Die Funktion Data Acquisition Setup (4) ermöglicht es dem Benutzer, die Einstellungen für die Abtastrate und den Erfassungsfilter festzulegen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: hiPSC-CM Elektroporation und Signalerfassung . Stimulus Definition Registerkarte ermöglicht es dem Benutzer, die elektroporating Pulsparameter zu definieren. Stimulation Elektroden Registerkarte ermöglicht es dem Benutzer, die Elektroporating-Elektroden zu wählen. Eine beliebige Kombination der 288 Elektroden kann ausgewählt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: Qualitätsprüfung von Multiwell-MEAs für elektrische Aktivitäten. Multiwell - Bildschirmerfassungssoftware mit Rohdatenfenstern mit repräsentativen Beispielen für optimale (A) und sub-standard (B) FP-Signale. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7: FP- und AP-Signale aus dem neuen und wiederhergestellten Array. Multiwell MEA enzymatische Reinigungsschritte (A). Das Basissignal des neuen Arrays zeigt ein minimales Signal-Rausch-Verhältnis (B) und FP-Signale zeigen die elektrische Aktivität des Netzwerks (C). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 8: Datensegmentierung und -analyse. Ansicht des Hauptfensters der GUI für die Wellenformanalyse. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 9: Datensegmentierung und -analyse. Initialisieren Sie die Schaltfläche Wellenformen, um AP-Wellenformen für die Segmentierung zu identifizieren und zu extrahieren und um die vorläufige Verarbeitung zu starten, indem Sie den Aktionspotenzialbereich vergrößern und auswählen. Rote Kreise sind die Elektroporationsindikatoren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 10: Datensegmentierung und -analyse. Für jede Wellenform werden Peaks (rot 'x') und Tröge (gelbe Kreise) erkannt und die normalisierten APs für eine Qualitätsprüfung der Wellenformen überlagert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 11: AP-Amplitudenabhängigkeit vom FP-Signal für mehrere Aufnahmen von derselben Zellenstelle. DIE FP-Amplitude in den BereichenA, oben links) oder mV -Bereichen (A , oberes rechtes Panel), die von zwei unabhängigen Elektroden aufgezeichnet werden, erzeugen AP-Amplitude im mV-Bereich (A , unten links und rechts), die keine Korrelation zwischen FP-Amplituden und AP-Amplituden nach der Elektroporation. Die normalisierten AP-Wellenformen für jede Aufnahme werden wie für jede Aufnahme gezeigt überlagert. Mehrere Elektroporationen der gleichen Zellstelle bei 0 bis 96 h erzeugten hochwertige AP-Wellenformen, die die Verfolgung der Membranelektrodynamik ermöglichten (B). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 12: AP-Aufnahmen nach sechs Restaurationen. AP-Wellenformen, die gleichzeitig 10 s Nachelektroporation über 12 Elektroden aus dem gleichen Brunnen aufgezeichnet werden, werden angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 13: APD-Parameterhistogramme aus mehreren Restaurationen. Verteilungsdiagramme für die einzelnen Wellenformen APD30 (A), APD80 (B), Triangulation (APD80—APD30) (C) und Fraktionverkürzung ((APD80—APD30)/(APD80)) (D) angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Dateien. Videos 1-3. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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.
Die Autoren haben nichts zu verraten.
nichts
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
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