Name: technical applications of microelectrode array and patch clamp recordings on human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes
Uploaded: 2022-08-04T14:45:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Technical Applications of Microelectrode Array and Patch Clamp Recordings on Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes at JoVE.com

Ringraziamo Blake Wu per aver revisionato il manoscritto. Questo lavoro è stato supportato dal National Institutes of Health (NIH) R01 HL113006, R01 HL141371, R01 HL163680, R01 HL141851, U01FD005978 e NASA NNX16A069A (JCW) e AHA Postdoctoral Fellowship 872244 (GMP).

1. Preparazione di supporti e soluzioni
<ol><li>Preparare il mezzo di mantenimento hiPSC-CM mescolando un flacone da 10 ml di supplemento 50x B27 e 500 mL di mezzo RPMI 1640. Conservare il mezzo a 4 °C e utilizzarlo entro un mese. Equilibrare il mezzo a temperatura ambiente (RT) prima dell'uso.</li>
	<li>Preparare il terreno di semina hiPSC-CM miscelando 20 mL di siero sostitutivo e 180 mL di terreno di mantenimento hiPSC-CM (diluizione al 10%, v/v). Mentre si preferisce il terreno di semina appena pr...

<ol>
	<li>Wouters, O. J., McKee, M., Luyten, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimated+research+and+development+investment+needed+to+bring+a+new+medicine+to+market,+2009-2018.">Estimated research and development investment needed to bring a new medicine to market, 2009-2018.</a> Journal of the American Medical Association. 323 (9), 844-853 (2020).</li><li>Pang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Workshop+report:+FDA+workshop+on+improving+cardiotoxicity+assessment+with+human-relevant+platforms.">Workshop report: FDA workshop on improving cardiotoxicity assessment with human-relevant platforms.</a> Circulation Research. 125 (9), 855-867 (2019).</li><li>Mamoshina, P., Rodriguez, B., Bueno-Orovio, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+a+broader+view+of+mechanisms+of+drug+cardiotoxicity.">Toward a broader view of mechanisms of drug cardiotoxicity.</a> Cell Reports Medicine. 2 (3), 100216 (2021).</li><li>Paik, D. T., Chandy, M., Wu, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patient+and+disease-specific+induced+pluripotent+stem+cells+for+discovery+of+personalized+cardiovascular+drugs+and+therapeutics.">Patient and disease-specific induced pluripotent stem cells for discovery of personalized cardiovascular drugs and therapeutics.</a> Pharmacological Reviews. 72 (1), 320-342 (2020).</li><li>Kaese, S., Verheule, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cardiac+electrophysiology+in+mice:+a+matter+of+size.">Cardiac electrophysiology in mice: a matter of size.</a> Frontiers in Physiology. 3, 345 (2012).</li><li>Clark, W. A., Chizzonite, R. A., Everett, A. W., Rabinowitz, M., Zak, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Species+correlations+between+cardiac+isomyosins.+A+comparison+of+electrophoretic+and+immunological+properties.">Species correlations between cardiac isomyosins. A comparison of electrophoretic and immunological properties.</a> Journal of Biological Chemistry. 257 (10), 5449-5454 (1982).</li><li>Werfel, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+circular+RNAs+in+human,+mouse,+and+rat+hearts.">Characterization of circular RNAs in human, mouse, and rat hearts.</a> Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 98, 103-107 (2016).</li><li>Burridge, P. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemically+defined+generation+of+human+cardiomyocytes.">Chemically defined generation of human cardiomyocytes.</a> Nature Methods. 11 (8), 855-860 (2014).</li><li>Sharma, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Derivation+of+highly+purified+cardiomyocytes+from+human+induced+pluripotent+stem+cells+using+small+molecule-modulated+differentiation+and+subsequent+glucose+starvation.">Derivation of highly purified cardiomyocytes from human induced pluripotent stem cells using small molecule-modulated differentiation and subsequent glucose starvation.</a> Journal of Visualized Experiments. (97), e52628 (2015).</li><li>Itzhaki, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+the+long+QT+syndrome+with+induced+pluripotent+stem+cells.">Modelling the long QT syndrome with induced pluripotent stem cells.</a> Nature. 471 (7337), 225-229 (2011).</li><li>Lan, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Abnormal+calcium+handling+properties+underlie+familial+hypertrophic+cardiomyopathy+pathology+in+patient-specific+induced+pluripotent+stem+cells.">Abnormal calcium handling properties underlie familial hypertrophic cardiomyopathy pathology in patient-specific induced pluripotent stem cells.</a> Cell Stem Cell. 12 (1), 101-113 (2013).</li><li>Wu, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+diastolic+dysfunction+in+induced+pluripotent+stem+cell-derived+cardiomyocytes+from+hypertrophic+cardiomyopathy+patients.">Modelling diastolic dysfunction in induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes from hypertrophic cardiomyopathy patients.</a> European Heart Journal. 40 (45), 3685-3695 (2019).</li><li>Lee, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Activation+of+PDGF+pathway+links+LMNA+mutation+to+dilated+cardiomyopathy.">Activation of PDGF pathway links LMNA mutation to dilated cardiomyopathy.</a> Nature. 572 (7769), 335-340 (2019).</li><li>Sun, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patient-specific+induced+pluripotent+stem+cells+as+a+model+for+familial+dilated+cardiomyopathy.">Patient-specific induced pluripotent stem cells as a model for familial dilated cardiomyopathy.</a> Science Translational Medicine. 4 (130), (2012).</li><li>Chen, S. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Activation+of+PDGFRA+signaling+contributes+to+filamin+C-related+arrhythmogenic+cardiomyopathy.">Activation of PDGFRA signaling contributes to filamin C-related arrhythmogenic cardiomyopathy.</a> Science Advances. 8 (8), (2022).</li><li>Sharma, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-throughput+screening+of+tyrosine+kinase+inhibitor+cardiotoxicity+with+human+induced+pluripotent+stem+cells.">High-throughput screening of tyrosine kinase inhibitor cardiotoxicity with human induced pluripotent stem cells.</a> Science Translational Medicine. 9 (377), (2017).</li><li>Burridge, P. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+induced+pluripotent+stem+cell-derived+cardiomyocytes+recapitulate+the+predilection+of+breast+cancer+patients+to+doxorubicin-induced+cardiotoxicity.">Human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes recapitulate the predilection of breast cancer patients to doxorubicin-induced cardiotoxicity.</a> Nature Medicine. 22 (5), 547-556 (2016).</li><li>Kitani, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human-induced+pluripotent+stem+cell+model+of+trastuzumab-induced+cardiac+dysfunction+in+patients+with+breast+cancer.">Human-induced pluripotent stem cell model of trastuzumab-induced cardiac dysfunction in patients with breast cancer.</a> Circulation. 139 (21), 2451-2465 (2019).</li><li>Matsa, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcriptome+profiling+of+patient-specific+human+iPSC-cardiomyocytes+predicts+individual+drug+safety+and+efficacy+responses+in+vitro.">Transcriptome profiling of patient-specific human iPSC-cardiomyocytes predicts individual drug safety and efficacy responses in vitro.</a> Cell Stem Cell. 19 (3), 311-325 (2016).</li><li>Stillitano, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+susceptibility+to+drug-induced+long+QT+with+a+panel+of+subject-specific+induced+pluripotent+stem+cells.">Modeling susceptibility to drug-induced long QT with a panel of subject-specific induced pluripotent stem cells.</a> Elife. 6, (2017).</li><li>Zhang, J. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protocol+to+measure+contraction,+calcium,+and+action+potential+in+human-induced+pluripotent+stem+cell-derived+cardiomyocytes.">Protocol to measure contraction, calcium, and action potential in human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes.</a> STAR Protocols. 2 (4), 100859 (2021).</li><li>Blinova, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=International+multisite+study+of+human-induced+pluripotent+stem+cell-derived+cardiomyocytes+for+drug+proarrhythmic+potential+assessment.">International multisite study of human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes for drug proarrhythmic potential assessment.</a> Cell Reports. 24 (13), 3582-3592 (2018).</li><li>Greensmith, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ca+analysis:+an+Excel+based+program+for+the+analysis+of+intracellular+calcium+transients+including+multiple,+simultaneous+regression+analysis.">Ca analysis: an Excel based program for the analysis of intracellular calcium transients including multiple, simultaneous regression analysis.</a> Computer Methods and Programs in Biomedicine. 113 (1), 241-250 (2014).</li><li>Ma, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determining+the+pathogenicity+of+a+genomic+variant+of+uncertain+significance+using+CRISPR/Cas9+and+human-induced+pluripotent+stem+cells.">Determining the pathogenicity of a genomic variant of uncertain significance using CRISPR/Cas9 and human-induced pluripotent stem cells.</a> Circulation. 138 (23), 2666-2681 (2018).</li><li>Lam, C. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identifying+the+transcriptome+signatures+of+calcium+channel+blockers+in+human+induced+pluripotent+stem+cell-derived+cardiomyocytes.">Identifying the transcriptome signatures of calcium channel blockers in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes.</a> Circulation Research. 125 (2), 212-222 (2019).</li><li>Seeger, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+premature+termination+codon+mutation+in+MYBPC3+causes+hypertrophic+cardiomyopathy+via+chronic+activation+of+nonsense-mediated+decay.">A premature termination codon mutation in MYBPC3 causes hypertrophic cardiomyopathy via chronic activation of nonsense-mediated decay.</a> Circulation. 139 (6), 799-811 (2019).</li><li>Zhang, J. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+cryopreservation+on+human+induced+pluripotent+stem+cell-derived+cardiomyocytes+for+assessing+drug+safety+response+profiles.">Effects of cryopreservation on human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes for assessing drug safety response profiles.</a> Stem Cell Reports. 16 (1), 168-181 (2021).</li><li>Yu, B., Zhao, S. R., Yan, C. D., Zhang, M., Wu, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deconvoluting+the+cells+of+the+human+heart+with+iPSC+technology:+cell+types,+protocols,+and+uses.">Deconvoluting the cells of the human heart with iPSC technology: cell types, protocols, and uses.</a> Current Cardiology Reports. 24 (5), 487-496 (2022).</li><li>Thomas, D., Cunningham, N. J., Shenoy, S., Wu, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human-induced+pluripotent+stem+cells+in+cardiovascular+research:+current+approaches+in+cardiac+differentiation,+maturation+strategies,+and+scalable+production.">Human-induced pluripotent stem cells in cardiovascular research: current approaches in cardiac differentiation, maturation strategies, and scalable production.</a> Cardiovascular Research. 118 (1), 20-36 (2022).</li><li>Zhu, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+developmental+cues+for+the+maturation+of+human+pluripotent+stem+cell-derived+cardiomyocytes.">Physical developmental cues for the maturation of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes.</a> Stem Cell Research &amp; Therapy. 5 (5), 117 (2014).</li><li>Feyen, D. A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metabolic+maturation+media+improve+physiological+function+of+human+iPSC-derived+cardiomyocytes.">Metabolic maturation media improve physiological function of human iPSC-derived cardiomyocytes.</a> Cell Reports. 32 (3), 107925 (2020).</li><li>Gintant, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+human+induced+pluripotent+stem+cell-derived+cardiomyocytes+in+preclinical+cancer+drug+cardiotoxicity+testing:+a+scientific+statement+from+the+American+Heart+Association.">Use of human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes in preclinical cancer drug cardiotoxicity testing: a scientific statement from the American Heart Association.</a> Circulation Research. 125 (10), 75-92 (2019).</li><li>Kussauer, S., David, R., Lemcke, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=hiPSCs+Derived+cardiac+cells+for+drug+and+toxicity+screening+and+disease+modeling:+what+micro-+electrode-array+analyses+can+tell+us.">hiPSCs Derived cardiac cells for drug and toxicity screening and disease modeling: what micro- electrode-array analyses can tell us.</a> Cells. 8 (11), (2019).</li><li>Ng, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-throughput+phenotyping+of+heteromeric+human+ether-a-go-go-related+gene+potassium+channel+variants+can+discriminate+pathogenic+from+rare+benign+variants.">High-throughput phenotyping of heteromeric human ether-a-go-go-related gene potassium channel variants can discriminate pathogenic from rare benign variants.</a> Heart Rhythm. 17 (3), 492-500 (2020).</li><li>Obergrussberger, A., Friis, S., Bruggemann, A., Fertig, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+patch+clamp+in+drug+discovery:+major+breakthroughs+and+innovation+in+the+last+decade.">Automated patch clamp in drug discovery: major breakthroughs and innovation in the last decade.</a> Expert Opinion on Drug Discovery. 16 (1), 1-5 (2021).</li><li>Kozek, K. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-throughput+discovery+of+trafficking-deficient+variants+in+the+cardiac+potassium+channel+KV11.1.">High-throughput discovery of trafficking-deficient variants in the cardiac potassium channel KV11.1.</a> Heart Rhythm. 17 (12), 2180-2189 (2020).</li><li>Heyne, H. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Predicting+functional+effects+of+missense+variants+in+voltage-gated+sodium+and+calcium+channels.">Predicting functional effects of missense variants in voltage-gated sodium and calcium channels.</a> Science Translational Medicine. 12 (556), (2020).</li><li>Li, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Establishment+of+an+automated+patch-clamp+platform+for+electrophysiological+and+pharmacological+evaluation+of+hiPSC-CMs.">Establishment of an automated patch-clamp platform for electrophysiological and pharmacological evaluation of hiPSC-CMs.</a> Stem Cell Research. 41, 101662 (2019).</li><li>Li, W., Luo, X., Ulbricht, Y., Guan, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blebbistatin+protects+iPSC-CMs+from+hypercontraction+and+facilitates+automated+patch-clamp+based+electrophysiological+study.">Blebbistatin protects iPSC-CMs from hypercontraction and facilitates automated patch-clamp based electrophysiological study.</a> Stem Cell Research. 56, 102565 (2021).</li><li>Milligan, C. J., M&#246;ller, C., Gamper, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Ion Channels: Methods and Protocols. , 171-187 (2013).</li></ol>

La tecnologia iPSC umana è emersa come una potente piattaforma per la modellazione delle malattie e lo screening dei farmaci. Qui, descriviamo un protocollo dettagliato per misurare la contrattilità hiPSC-CM, il potenziale di campo, il potenziale d'azione e il transitorio Ca2+. Questo protocollo fornisce una caratterizzazione completa della contrattilità e dell'elettrofisiologia hiPSC-CM. Questi saggi funzionali sono stati applicati in più pubblicazioni del nostro gruppo 12,13,18,24,25,26,27.<sup class="xr...

Lo sviluppo di farmaci è un processo lungo e costoso. Uno studio su nuovi farmaci terapeutici approvati dalla Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti tra il 2009 e il 2018 ha riportato che il costo medio stimato della ricerca capitalizzata e degli studi clinici è stato di $ 985 milioni per prodotto1. La cardiotossicità indotta da farmaci è la principale causa di logoramento e ritiro dal mercato2. In particolare, la cardiotossicità è riportata tra più classi di farmaci terapeutici3. Pertanto, la valutazione della sicurezza cardiaca è una componente cruciale durante il processo di sviluppo del farmaco. L'attuale paradigma per la valutazione della sicurezza cardiaca dipende ancora fortemente dai modelli animali. Tuttavia, le differenze di specie rispetto all'uso di modelli animali sono sempre più riconosciute come causa primaria di previsioni imprecise per la cardiotossicità indotta da farmaci nei pazienti umani4. Ad esempio, la morfologia del potenziale d'azione cardiaco differisce sostanzialmente tra esseri umani e topi a causa dei contributi di diverse correnti ripolarizzanti5. Inoltre, isoforme differenziali di miosina cardiaca e RNA circolari che possono avere un impatto sulla fisiologia cardiaca sono state ben documentate tra le specie 6,7. Per colmare queste lacune, è imperativo stabilire un modello affidabile, efficiente e basato sull'uomo per la valutazione preclinica della sicurezza cardiaca.
L'invenzione rivoluzionaria della tecnologia delle cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) ha generato piattaforme di screening farmacologico e di modellazione delle malattie senza precedenti. Negli ultimi dieci anni, i metodi per generare cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti indotte dall'uomo (hiPSC-CMs) sono diventati ben consolidati 8,9. Le hiPSC-CM hanno suscitato grande interesse nelle loro potenziali applicazioni nella modellizzazione delle malattie, nello screening cardiotossicologico indotto da farmaci e nella medicina di precisione. Ad esempio, le hiPSC-CM sono state utilizzate per modellare i fenotipi patologici delle malattie cardiache causate dall'eredità genetica, come la sindrome del QT lungo10, la cardiomiopatia ipertrofica 11,12 e la cardiomiopatia dilatativa13,14,15. Di conseguenza, sono state identificate le principali vie di segnalazione implicate nella patogenesi delle malattie cardiache, che possono far luce su potenziali strategie terapeutiche per un trattamento efficace. Inoltre, le hiPSC-CM sono state utilizzate per lo screening della cardiotossicità indotta da farmaci associata ad agenti antitumorali, tra cui doxorubicina, trastuzumab e inibitori della tirosin-chinasi16,17,18; Sono allo studio strategie per mitigare la cardiotossicità risultante. Infine, le informazioni genetiche conservate nelle hiPSC-CM consentono lo screening e la previsione della cardiotossicità indotta da farmaci sia a livello individuale che di popolazione19,20. Collettivamente, le hiPSC-CM hanno dimostrato di essere uno strumento inestimabile per la previsione personalizzata della sicurezza cardiaca.
L'obiettivo generale di questo protocollo è quello di stabilire metodologie per studiare in modo completo ed efficiente le caratteristiche funzionali delle hiPSC-CM, che sono di grande importanza nell'applicazione delle hiPSC-CM verso la modellizzazione della malattia, lo screening della cardiotossicità indotta da farmaci e la medicina di precisione. Qui, descriviamo in dettaglio una serie di saggi funzionali per valutare le proprietà funzionali delle hiPSC-CM, tra cui la misurazione della contrattilità, del potenziale di campo, del potenziale d'azione e della manipolazione del calcio (Ca2+) (Figura 1).

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>35 mm glass bottom dish with 20 mm micro-well #1.5 cover glass</td>
			<td>Cellvis</td>
			<td>D35-20-1.5-N</td>
			<td>Patch clamp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>50x B27 supplements</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td>17504-044</td>
			<td>hiPSC-CM culture medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6-well culture plate</td>
			<td>E &#38; K Scientific</td>
			<td>EK-27160</td>
			<td>hiPSC-CM culture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96-well flat clear bottom black polystyrene TC-treated microplates</td>
			<td>Corning</td>
			<td>3603</td>
			<td>Contraction motion measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Accutase</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A6964</td>
			<td>Enzymatic dissociation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Axion&#39;s Integrated Studio (AxIS)</td>
			<td>Axion Biosystems</td>
			<td></td>
			<td>navigator software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Borosilicate glass capillaries</td>
			<td>Harvard Apparatus</td>
			<td>BF 100-50-10,</td>
			<td>Patch clamp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CaCl2 1 M in H2O</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>21115</td>
			<td>Tyrode&#8217;s solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cell counting chamber slides</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>C10228</td>
			<td>Cell counting</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CytoView 48-well MEA plates</td>
			<td>Axion Biosystems</td>
			<td>M768-tMEA-48B</td>
			<td>MEA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM/F12</td>
			<td>Gibco/Life Technologies</td>
			<td>12634028</td>
			<td>Extracellular matrix medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DPBS, no calcium, no magnesium</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-190-250</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EGTA</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>E3889</td>
			<td>Intracellular pipette solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EPC 10 USB&#160;patch clamp amplifier</td>
			<td>Warner Instruments</td>
			<td>89-5000</td>
			<td>Patch clamp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fura-2, AM, cell permeant</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>F1221</td>
			<td>Ca2+ transient measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glucose</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>G8270</td>
			<td>Tyrode&#8217;s solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HEPES</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>H3375</td>
			<td>Tyrode&#8217;s solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>hiPSCs</td>
			<td>Stanford Cardiovascular Institute iPSC Biobank</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KCl</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>529552</td>
			<td>Tyrode&#8217;s solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KnockOut Serum Replacement</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>10828-028</td>
			<td>hiPSC-CM seeding medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KOH 8&#160;M</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P4494</td>
			<td>Intracellular pipette solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lambda DG 4</td>
			<td>Sutter Instrument Company</td>
			<td></td>
			<td>Ca2+ transient measurement; ultra-high-speed wavelength switching light source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Luna-FL automated fluorescence cell counter</td>
			<td>WISBIOMED</td>
			<td>LB-L20001</td>
			<td>Cell counting</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Maestro Pro&#160;MEA system</td>
			<td>Axion Biosystems</td>
			<td></td>
			<td>MEA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix</td>
			<td>Corning</td>
			<td>356231</td>
			<td>Extracellular matrix medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MgATP</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A9187</td>
			<td>Intracellular pipette solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MgCl2</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M8266</td>
			<td>Tyrode&#8217;s solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaCl</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S9888</td>
			<td>Tyrode&#8217;s solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NaOH 10&#160;M</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>72068</td>
			<td>Tyrode&#8217;s solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NIS Elements AR</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pluronic F-127 (20% Solution in DMSO)</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>P3000MP</td>
			<td>Ca2+ transient measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RPMI 1640 medium</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td>11875-119</td>
			<td>hiPSC-CM culture medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sony SI8000 Cell Motion Imaging System</td>
			<td>Sony Biotechnology</td>
			<td></td>
			<td>Contraction motion measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sutter Micropipette puller</td>
			<td>Sutter Instruments</td>
			<td>P-97</td>
			<td>Patch clamp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypan blue stain</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td>T10282</td>
			<td>Cell counting</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

technical applications of microelectrode array and patch clamp recordings on human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes

La cardiotossicità indotta da farmaci è la principale causa di logoramento e ritiro dal mercato. Pertanto, l'utilizzo di appropriati modelli di valutazione della sicurezza cardiaca preclinica è un passo fondamentale durante lo sviluppo del farmaco. Attualmente, la valutazione della sicurezza cardiaca dipende ancora fortemente dagli studi sugli animali. Tuttavia, i modelli animali sono afflitti da scarsa specificità traslazionale per gli esseri umani a causa delle differenze specie-specifiche, in particolare in termini di caratteristiche elettrofisiologiche cardiache. Pertanto, vi è l'urgente necessità di sviluppare un modello affidabile, efficiente e basato sull'uomo per la valutazione preclinica della sicurezza cardiaca. I cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti indotti dall'uomo (hiPSC-CM) sono emersi come un prezioso modello in vitro per lo screening della cardiotossicità indotta da farmaci e la modellizzazione della malattia. Gli hiPSC-CM possono essere ottenuti da individui con diversi background genetici e varie condizioni patologiche, rendendoli un surrogato ideale per valutare individualmente la cardiotossicità indotta da farmaci. Pertanto, è necessario stabilire metodologie per studiare in modo completo le caratteristiche funzionali delle hiPSC-CM. In questo protocollo, descriviamo in dettaglio vari saggi funzionali che possono essere valutati su hiPSC-CM, tra cui la misurazione della contrattilità, del potenziale di campo, del potenziale d'azione e della manipolazione del calcio. Nel complesso, l'incorporazione di hiPSC-CM nella valutazione preclinica della sicurezza cardiaca ha il potenziale per rivoluzionare lo sviluppo di farmaci.

Questo protocollo descrive come misurare il movimento di contrazione, il potenziale di campo, il potenziale d'azione e il transitorio Ca2+ delle hiPSC-CM. Un diagramma schematico che include la digestione enzimatica, la semina cellulare, il mantenimento e la conduzione del saggio funzionale è mostrato nella Figura 1. La formazione del monostrato hiPSC-CM è necessaria per la misurazione del movimento di contrazione (Figura 2B). Una traccia rappresent...

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Technical Applications of Microelectrode Array and Patch Clamp Recordings on Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes

I cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti indotti dall'uomo (hiPSC-CM) sono emersi come un promettente modello in vitro per lo screening della cardiotossicità indotta da farmaci e la modellizzazione della malattia. Qui, dettagliamo un protocollo per misurare la contrattilità e l'elettrofisiologia delle hiPSC-CM.

Applicazioni tecniche di microelectrode array e patch clamp recordings su cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti indotte umane

Drug-induced cardiotoxicity is the leading cause of drug attrition and withdrawal from the market. Therefore, using appropriate preclinical cardiac safety ...

La valutazione della sicurezza cardiaca è una componente cruciale durante il processo di sviluppo del farmaco. I cardiomiociti umani derivati da iPSC hanno dimostrato di essere un modello affidabile, efficiente e basato sull'uomo per la valutazione preclinica della sicurezza cardiaca. Abbiamo stabilito metodologie per studiare in modo completo le caratteristiche funzionali dei cardiomiociti umani derivati da iPSC, che sono di modellazione della malattia davvero importanti, screening della tossicità cardio indotta da farmaci e medicina di precisione.La crescente incorporazione di cardiomiociti derivati da iPSC umani nel processo standard di valutazione della sicurezza preclinica ha il potenziale per migliorare l'accuratezza della previsione della tossicità dei composti di un candidato. Inizia coltivando i cardiomiociti derivati da iPSC umani per almeno 10 giorni prima di effettuare la misurazione. Accendere il regolatore di temperatura e impostarlo a 37 gradi Celsius.Accendere il microscopio, la fotocamera e l'alimentazione di anidride carbonica. Riempire la camicia d'acqua del portapiastre con una quantità appropriata di acqua deionizzata sterile. Posizionare la piastra a 96 pozzetti sul portapiastre e incubare le cellule per almeno cinque minuti.Apri il software di visualizzazione, quindi imposta la frequenza fotogrammi della videocamera su 75 fotogrammi al secondo e la risoluzione del video o dell'immagine su 1024 x 1024 pixel. Applica le funzioni di messa a fuoco automatica e luminosità automatica, registra video e immagini di cardiomiociti derivati da iPSC umani. Posizionare con cautela una goccia da otto microlitri di soluzione di rivestimento a matrice extracellulare sull'area dell'elettrodo di registrazione di ciascun pozzetto delle piastre array di microelettrodi a 48 pozzetti.Quindi aggiungere tre millilitri di acqua deionizzata sterile all'area circostante i pozzetti per prevenire l'evaporazione della soluzione di rivestimento. Utilizzando una punta di pipetta da 200 microlitri, rimuovere la maggior parte del mezzo della matrice extracellulare dalla superficie del pozzo all'interno della stessa singola fila o colonna senza toccare gli elettrodi. Seminare 50.000 cellule per pozzetto in una goccia da otto microlitri di mezzo di semina sopra l'area dell'elettrodo di registrazione.Ripetere fino a quando tutti i pozzetti sono stati placcati con cellule. Quindi incubare le piastre dell'array di microelettrodi in un incubatore di colture cellulari umidificato. Aggiungere lentamente 150 microlitri di terreno di semina a ciascun pozzetto delle piastre dell'array di microelettrodi.Il giorno 10 dopo la placcatura, controllare al microscopio la densità del monostrato di iPSC CM umano che batte spontaneamente. Posizionare la piastra dell'array di microelettrodi a 48 pozzetti nello strumento di registrazione. Assicurarsi che la temperatura sia di 37 gradi Celsius e che l'anidride carbonica sia del 5%Aprire il software del navigatore.Nella finestra di configurazione sperimentale, selezionare la configurazione cardiaca in tempo reale e le registrazioni del potenziale sul campo. Applicare configurazioni di battitura spontanee o incollate. Nei parametri di rilevamento dei battiti, impostare la soglia di rilevamento su 300 micro volt, il periodo minimo di battimento su 250 millisecondi e il periodo massimo di battimento su cinque secondi.Selezionare la regressione polinomiale per il calcolo della durata potenziale del campo. Controllare se il segnale di attività elettrica basale è maturo e stabile e acquisire le attività cardiache di base per uno o tre minuti. Eseguire la registrazione 10 giorni dopo la placcatura.Sostituire il mezzo di mantenimento iPSC CM umano con la soluzione di tirodo e lasciare che le cellule si acclimatino per 15 minuti. Inserire i sensori di temperatura nella camera e inserire il piatto da 35 millimetri all'interno. Regolare la temperatura a 37 gradi Celsius.Estrarre le micro pipette dai capillari di vetro borosilicato utilizzando un estrattore di micro pipette. Riempire le micro pipette con la soluzione intracellulare e inserirle nel supporto collegato allo stadio principale dell'amplificatore patch clamp . Aprire il software di acquisizione, caricare il protocollo di registrazione del potenziale di azione e selezionare la configurazione del morsetto di tensione.Inserire la micropipetta nella soluzione da bagno e selezionare i singoli CM iPSC umani appropriati. Regolare e abbassare la posizione della micropipetta accanto alla cella selezionata utilizzando un micromanipolatore. Quando la punta della pipetta viene inserita nella soluzione del bagno, verificare la resistenza della pipetta sul monitor dell'oscilloscopio.Posizionare la pipetta vicino alla cella e gli impulsi di corrente diminuiranno leggermente per riflettere la crescente resistenza della tenuta. Applicare un'aspirazione delicata con pressione negativa per aumentare la resistenza. Questo formerà un gigaseal.Quindi applicare la funzione di tenuta. Applicare un'aspirazione aggiuntiva per rompere la membrana e ottenere una configurazione di registrazione dell'intera cella. A questo punto, passare dalla modalità morsetto di tensione alla modalità di morsetto di corrente o nessuna iniezione di corrente utilizzando la finestra di dialogo dell'amplificatore.Premere il pulsante di registrazione per generare e salvare i file di registrazione del potenziale di azione. Eseguire la misurazione del calcio transitorio almeno 10 giorni dopo la placcatura. Preparare la soluzione di tirodo fresco e la soluzione di carico Fura-2 AM.Aspirare il mezzo di manutenzione iPSC CM umano e lavare due volte le camere con la soluzione di tyrode. Applicare 100 microlitri di soluzione di carico Fura-2 AM e incubare per 10 minuti a temperatura ambiente. Sostituire la soluzione di carico Fura-2 AM con la soluzione di tirodo e incubare per almeno cinque minuti per la completa deesterificazione di Fura-2 AM. Aggiungere una goccia di olio ad immersione sull'obiettivo di immersione in olio 40x di un microscopio a epifluorescenza invertita.Posizionare la camera cellulare nell'adattatore scenico del microscopio. Installare i fili del regolatore di temperatura nella camera da bagno e impostarlo su 37 gradi Celsius. Installare gli elettrodi di stimolazione del campo elettrico e impostare gli impulsi a 0,5 hertz con una durata di 20 millisecondi.Accendere la sorgente luminosa di commutazione a lunghezza d'onda ad altissima velocità e impostarla sulla modalità di commutazione rapida a 340 nanometri e 380 nanometri. Applicare un tempo di esposizione di 20 millisecondi per entrambe le lunghezze d'onda e un tempo di registrazione di 20 secondi. Registra il video che riflette i cambiamenti in tempo reale dei transitori di calcio, esporta i dati in un foglio di calcolo per l'analisi.Per la misurazione del movimento di contrazione è stato utilizzato cardiomiociti monostrato derivati da iPSC umani. L'analisi di una traccia del movimento di rilassamento della contrazione utilizzando il software dell'analizzatore ha rilevato l'inizio delle contrazioni, il picco di contrazione, la fine della contrazione, il picco di rilassamento e la fine del rilassamento. Su tutti gli elettrodi all'interno delle piastre dell'array di microelettrodi è stata osservata una copertura completa del monostrato di cardiomiociti derivati da iPSC umani.Le forme d'onda mature registrate da ciascun elettrodo riflettevano il potenziale del campo cardiaco con caratteristiche identificabili. Dopo l'analisi, sono stati ottenuti il periodo di battuta, la durata del potenziale del campo e l'ampiezza del picco. Le registrazioni del patch clamp dell'intera cellula in modalità di bloccaggio corrente hanno registrato i potenziali d'azione spontanei dei singoli cardiomiociti.Dopo l'analisi, sono stati ottenuti diversi parametri, tra cui l'ampiezza, il potenziale diastolico massimo e la durata del potenziale d'azione. Dopo l'analisi dell'imaging del calcio, è stato ottenuto il rapporto F340 per F380 nel tempo e sono state tracciate tracce grezze di transitori di calcio stimolati. Inoltre, sono stati ottenuti parametri come l'ampiezza, il calcio diastolico e la tau di decadimento del calcio.È importante utilizzare cardiomiociti umani derivati da iPSC che sono in buone condizioni di battitura, nonché garantire l'elevata purezza dei cardiomiociti derivati da iPSC umani. Questo protocollo include quattro tecniche specifiche per studiare la funzionalità dei cardiomiociti derivati da iPSC umane, altre configurazioni o automatico se studiare le correnti ioniche cardiache che svolgono un ruolo cruciale nel cuore

Research

JoVE Journal

Medicine

Formation of Human Prostate Epithelium Using Tissue Recombination of Rodent Urogenital Sinus Mesenchyme and Human Stem Cells

Formazione di epitelio prostatico umano utilizzando tessuti ricombinazione dei roditori urogenitale Mesenchima Sinus e cellule staminali umane

Progress in prostate cancer research is severely  limited by the availability of human-derived and hormone-na&iuml;ve model systems,  which limit our ...

Ricerca

Medicina

Isolation and Functional Characterization of Human Ventricular Cardiomyocytes from Fresh Surgical Samples

Isolamento e caratterizzazione funzionale di Human ventricolare Cardiomyocytes da campioni freschi chirurgici

Cardiomyocytes from diseased hearts are subjected to complex remodeling processes involving changes in cell structure, excitation contraction coupling and ...

Tissue-simulating Phantoms for Assessing Potential Near-infrared Fluorescence Imaging Applications in Breast Cancer Surgery

Tissue-simulando Phantoms per valutare il potenziale vicino infrarosso applicazioni di imaging di fluorescenza nella chirurgia del cancro al seno

Inaccuracies in intraoperative tumor localization and evaluation of surgical margin status result in suboptimal outcome of breast-conserving surgery ...

Multi-electrode Array Recordings of Human Epileptic Postoperative Cortical Tissue

Multi-elettrodi array registrazioni di umano Epileptic postoperatoria corticale del tessuto

Epilepsy, affecting about 1% of the population, comprises a group of neurological disorders characterized by the periodic occurrence of seizures, which ...

Generation of Induced Pluripotent Stem Cells from Muscular Dystrophy Patients: Efficient Integration-free Reprogramming of Urine Derived Cells

Generazione di pluripotenti indotte cellule staminali da distrofia muscolare di pazienti: Efficient Riprogrammazione senza integrazione di origine urinaria Cells

Dystrophic cardiomyopathy is a poorly understood consequence of muscular dystrophy. Generating induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) from patients with ...

Rapid and Efficient Generation of Recombinant Human Pluripotent Stem Cells by Recombinase-mediated Cassette Exchange in the AAVS1 Locus

Rapid and Efficient Generation of Recombinant Human Pluripotent Stem Cells by Recombinase-mediated Cassette Exchange in the AAVS1 Locus

Generazione rapida ed efficace delle ricombinante cellule staminali umane pluripotenti da ricombinasi mediata scambio Cassette in<em&gt; AAVS1</em&gt; Locus

Even with the revolution of gene-targeting technologies led by CRISPR-Cas9, genetic modification of human pluripotent stem cells&#160;(hPSCs)&#160;is ...

Targeted and Selective Treatment of Pluripotent Stem Cell-derived Teratomas Using External Beam Radiation in a Small-animal Model

Trattamento mirato e selettivo dei Teratomas di derivati da cellule staminali pluripotenti utilizzando radiazione esterna del fascio in un modello di piccoli animali

The growing number of victims of &#34;stem cell tourism,&#34; the unregulated transplantation of stem cells worldwide, has raised concerns about the ...

Sarcomere Shortening of Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes using Fluorescent-Tagged Sarcomere Proteins.

Accorciamento sarcomere dei cardiomiociti pluripotenti derivati dalle cellule staminali utilizzando proteine sarcomere con tag fluorescenti.

Pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (PSC-CMs) can be produced from both embryonic and induced pluripotent stem (ES/iPS) cells. These cells ...

Directed Induction of Retinal Organoids from Human Pluripotent Stem Cells

Induzione diretta di organoidi retinici da cellule staminali pluripotenti umane

Retinal cell transplantation is a promising therapeutic approach, which could restore the retinal architecture and stabilize or even improve the visual ...

Microelectrode Array Recording of Sinoatrial Node Firing Rate to Identify Intrinsic Cardiac Pacemaking Defects in Mice

Registrazione di microelettrodi della velocità di attivazione dei nodi senoatriali per identificare i difetti intrinseci del pacemaking cardiaco nei topi

The sinoatrial node (SAN), located in the right atrium, contains the pacemaker cells of the heart, and dysfunction of this region can cause tachycardia or ...