vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJ18.346vavilov-1440Research ArticleКЛЕТОЧНАЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯCELL AND MOLECULAR BIOLOGYИсследование функциональности получаемых из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток кардиомиоцитов для моделирования сердечных аритмий при синдроме удлиненного интервала QTThe study of the functionality of cardiomyocytes obtained from induced pluripotent stem cells for the modeling of cardiac arrhythmias based on long QT syndromeСлотвицкийМ. М.SlotvitskyM. M.

Московская область, г. Долгопрудный

Moscow region, Dolgoprudny

ЦвелаяВ. А.TsvelayaV. A.

Московская область, г. Долгопрудный

Moscow region, Dolgoprudny

ФроловаШ. Р.FrolovaS. R.

Московская область, г. Долгопрудный

Moscow region, Dolgoprudny

ДементьеваЕ. В.Dement’evaE. V.

Новосибирск

Novosibirsk

АгладзеК. И.AgladzeK. I.

Московская область, г. Долгопрудный

Moscow region, Dolgoprudny

agladze@yahoo.comМосковский физико-технический институтРоссияMoscow Institute of Physics and TechnologyRussian FederationФедеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук; Национальный медицинский исследовательский центр имени академика Е.Н. Мешалкина Министерства здравоохранения Российской Федерации; Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Cytology and Genetics SB RAS; E.N. Meshalkin National Medical Research Center, Ministry of Health of Russian Federation; Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine SB RASRussian Federation201806042018222187195Copyright © Слотвицкий М.М., Цвелая В.А., Фролова Ш.Р., Дементьева Е.В., Агладзе К.И., 20182018Слотвицкий М.М., Цвелая В.А., Фролова Ш.Р., Дементьева Е.В., Агладзе К.И.Slotvitsky M.M., Tsvelaya V.A., Frolova S.R., Dement’eva E.V., Agladze K.I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/1440

Существуют факторы риска, изменяющие нормальное проведе­ ние возбуждения в сердце на хаотическое (через образование спиральной волны, т.е. реентри, и последующую фибрилляцию). К этим факторам относятся наследственные и приобретенные ка­ налопатии. Многие опасные изменения в работе ионных каналов сердца могут быть идентифицированы с помощью электрокардио­ граммы пациента. К легко выявляемым изменениям относится синдром удлинения интервала QT (LQTS) на электрокардиограмме. Несмотря на весьма широкую распространенность наследствен­ ного LQTS, к которому нужно добавить и вынужденный LQTS, появ­ ляющийся под действием широкого класса фармацевтических препаратов, а также простоту выявления синдрома на ЭКГ, до сих пор не известен механизм образования реентри при этом синдроме. Следует отметить высокую вариативность синдрома (встреча­ емость 1:2500), а также факт связи увеличения частоты сердечных сокращений индивида и значительного повышения риска останов­ ки работы сердца. После достаточно экстенсивного проведения электрофизиологических исследований на отдельных сердечных клетках, получаемых от пациентов с синдромом LQT, стало очевид­ но, что поиск механизма перехода нормального ритма сердца в хаотический и фибрилляцию не может ограничиваться регистра­ цией ионных токов в единичных клетках. Для решения такой зада­ чи прежде всего необходима модель поведения сердечной ткани как многоклеточного ансамбля, отражающая связь различных факторов (сбой работы мембранных ионных каналов, действие лекарств, изменения процессов, межклеточные взаимодействия) с риском возникновения реентри. С целью создания эксперимен­ тальной модели LQTS в нашей работе индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) пациент-специфичной линии от здорового пациента были дифференцированы в монослой, идентифицированы при помощи иммуноцитохимии и patch-clamp исследованы параметры распространения возбуждения в зави­ симости от стадии дифференцировки. Показано, что стабильное значение скорости проведения и ответ на периодическую стиму­ ляцию в диапазоне физиологических величин достигаются после 30-го дня дифференцировки.

There are risk factors that lead the normal conduction of excitation in the heart into a chaotic one. These factors include hereditary and acquired channelopathies. Many dangerous changes in the work of the heart can be identified using the patient’s electrocardiogram. Such relatively easily detectable changes include the long QT interval syndrome (LQTS). Despite a relatively high prevalence of hereditary LQTS, to which it is necessary to add both hereditary and induced LQTS as well as the ease of detection on the ECG, the mechanism of reentry formation in this syndrome is still un­known. What should be noted is a high variability of the hereditary syndrome and the fact of the connection between the increase in the heart rate and the risk of cardiac arrest. After an electrophysiological study on individual cardiac cells from patients with the LQT syndrome, it became apparent that the search for a mechanism for the transition of the normal heart rhythm to chaotic and fibrillation cannot be limited to recording ion currents in single cells. To solve this problem, we need a model of the behavior of cardiac tissue which reflects the relationship of various factors and the risk of reentry. In order to create an experimental model of LQTS in our work, the iPSC of a pati­ent-specific line from a healthy patient was differentiated into a monolayer of cardiac cells and the parameters of the excitation propagation were studied depending on the stage of differentiation. It was shown that a stable value of the propagation velocity and the response to periodic stimulation in the range of physiological values, are reached after the 30th day of dif­ferentiation.

аритмогенностьпациент-специфичностьиндуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК)синдром удлинения интервала QT (LQTS)arrhythmogenicity testpatient specificityinduced pluripotent stem cells (iPSC)the long QT interval syndrome (LQTS)ReferencesBurridge P.W., Matsa E., Shukla P., Lin Z.C., Churko J.M., Ebert A.D., Lan F., Diecke S., Huber B., Mordwinkin N.M., Plews J.R., Abilez O.J., Cui B., Gold J.D., Wu J.C. Chemically defined generation of human cardiomyocytes. Nat. Methods. 2014;11(8):855-860.Burridge P.W., Matsa E., Shukla P., Lin Z.C., Churko J.M., Ebert A.D., Lan F., Diecke S., Huber B., Mordwinkin N.M., Plews J.R., Abilez O.J., Cui B., Gold J.D., Wu J.C. Chemically defined generation of human cardiomyocytes. Nat. Methods. 2014;11(8):855-860.Campuzano O., Perez-Serra A., Cesar S., Iglesias A., Brugada R. Genetic basis of atrial fibrillation. Genes & Diseases. 2016;3(4):257-262.Campuzano O., Perez-Serra A., Cesar S., Iglesias A., Brugada R. Genetic basis of atrial fibrillation. Genes & Diseases. 2016;3(4):257-262.El-Sherif N., Turitto G., Boutjdir M., Pilai S., Otte B., Pedalino R. Electrophysiological basis of ECG characteristics of torsades de pointes in long QT syndrome. Card. Electrophysiol. Clin. 2014;6(3);433-444.El-Sherif N., Turitto G., Boutjdir M., Pilai S., Otte B., Pedalino R. Electrophysiological basis of ECG characteristics of torsades de pointes in long QT syndrome. Card. Electrophysiol. Clin. 2014;6(3);433-444.Estacion M., Waxman S.G. The response of Na(V)1.3 sodium channels to ramp stimuli: multiple components and mechanisms. J. Neurophysiol. 2013;109(2):306-314.Estacion M., Waxman S.G. The response of Na(V)1.3 sodium channels to ramp stimuli: multiple components and mechanisms. J. Neurophysiol. 2013;109(2):306-314.Fast V.G., Kléber A.G. Role of wavefront curvature in propagation of cardiac impulse. Cardiovasc. Res. 1997;33(2):258-271.Fast V.G., Kléber A.G. Role of wavefront curvature in propagation of cardiac impulse. Cardiovasc. Res. 1997;33(2):258-271.Gintant G., Sager P.T., Stockbridge N. Evolution of strategies to improve preclinical cardiac safety testing. Nat. Rev. Drug Discov. 2016;15(7):457-471.Gintant G., Sager P.T., Stockbridge N. Evolution of strategies to improve preclinical cardiac safety testing. Nat. Rev. Drug Discov. 2016;15(7):457-471.Grigor’eva E.V., Valetdinova K.R., Ustyantseva E.I., Shevchenko A.I., Medvedev S.P., Mazurok N.A., Maretina M.A., Kuranova M.L., Kiselev A.V., Baranov V.S., Zakian S.M. Neural differentiation of patient-specific induced pluripotent stem cells from patients with a hereditary form of spinal muscle atrophy. Geny i kletki = Genes & Cells. 2016;XI(2):70-81. (in Russian)Grigor’eva E.V., Valetdinova K.R., Ustyantseva E.I., Shevchenko A.I., Medvedev S.P., Mazurok N.A., Maretina M.A., Kuranova M.L., Kiselev A.V., Baranov V.S., Zakian S.M. Neural differentiation of patient-specific induced pluripotent stem cells from patients with a hereditary form of spinal muscle atrophy. Geny i kletki = Genes & Cells. 2016;XI(2):70-81. (in Russian)Horbach S.P., Halffman W. The ghosts of HeLa: How cell line misidentification contaminates the scientific literature. PloS ONE. 2017; 12(10):e0186281.Horbach S.P., Halffman W. The ghosts of HeLa: How cell line misidentification contaminates the scientific literature. PloS ONE. 2017; 12(10):e0186281.Hou L., Deo M., Furspan P., Pandit S.V., Mironov S., Auerbach D.S., Gong Q., Zhou Z., Berenfeld O., Jalife J.A. Major role for hERG in determining frequency of reentry in neonatal rat ventricular myocyte monolayer novelty and significance. Circ. Res. 2010;107(12):1503-1511.Hou L., Deo M., Furspan P., Pandit S.V., Mironov S., Auerbach D.S., Gong Q., Zhou Z., Berenfeld O., Jalife J.A. Major role for hERG in determining frequency of reentry in neonatal rat ventricular myocyte monolayer novelty and significance. Circ. Res. 2010;107(12):1503-1511.Itzhaki I., Maizels L., Huber I., Zwi-Dantsis L., Caspi O., Winterstern A., Feldman O., Gepstein A., Arbel G., Hammerman H., Boulos M., Gepstein L. Modelling the long QT syndrome with induced pluripotent stem cells. Nature. 2011;471(7337):225-229.Itzhaki I., Maizels L., Huber I., Zwi-Dantsis L., Caspi O., Winterstern A., Feldman O., Gepstein A., Arbel G., Hammerman H., Boulos M., Gepstein L. Modelling the long QT syndrome with induced pluripotent stem cells. Nature. 2011;471(7337):225-229.Jervell A., Lange-Nielsen F. Congenital deaf-mutism, functional heart disease with prolongation of the QT interval, and sudden death. Am. Heart J. 1957;54(1):59-68.Jervell A., Lange-Nielsen F. Congenital deaf-mutism, functional heart disease with prolongation of the QT interval, and sudden death. Am. Heart J. 1957;54(1):59-68.Kang C., Qiao Y., Li G., Baechle K., Camelliti P., Rentschler S., Efimov I.R. Human organotypic cultured cardiac slices: new platform for high throughput preclinical human trials. Sci. Rep. 2016;6:28798.Kang C., Qiao Y., Li G., Baechle K., Camelliti P., Rentschler S., Efimov I.R. Human organotypic cultured cardiac slices: new platform for high throughput preclinical human trials. Sci. Rep. 2016;6:28798.Klimanskaya I., Rosenthal N., Lanza R. Derive and conquer: sourcing and differentiating stem cells for therapeutic applications. Nat. Rev. Drug Discov. 2008;7(2):131-142.Klimanskaya I., Rosenthal N., Lanza R. Derive and conquer: sourcing and differentiating stem cells for therapeutic applications. Nat. Rev. Drug Discov. 2008;7(2):131-142.Lian X., Zhang J., Azarin S.M., Zhu K., Hazeltine L.B., Bao X., Hsiao C., Kamp T.J., Palecek S.P. Directed cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells by modulating Wnt/β-catenin signaling under fully defined conditions. Nat. Protoc. 2013;8(1):162-175.Lian X., Zhang J., Azarin S.M., Zhu K., Hazeltine L.B., Bao X., Hsiao C., Kamp T.J., Palecek S.P. Directed cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells by modulating Wnt/β-catenin signaling under fully defined conditions. Nat. Protoc. 2013;8(1):162-175.Lippiat J.D. Whole-cell recording using the perforated patch clamp technique. Potassium Channels: Methods and Protocols. Humana Press, 2009;141-149.Lippiat J.D. Whole-cell recording using the perforated patch clamp technique. Potassium Channels: Methods and Protocols. Humana Press, 2009;141-149.Ma J., Guo L., Fiene S.J., Anson B.D., Thomson J.A., Kamp T.J., Kolaja K.L., Swanson B.J., January C.T. High purity human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes: electrophysiological properties of action potentials and ionic currents. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2011;301(5):H2006-H2017.Ma J., Guo L., Fiene S.J., Anson B.D., Thomson J.A., Kamp T.J., Kolaja K.L., Swanson B.J., January C.T. High purity human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes: electrophysiological properties of action potentials and ionic currents. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2011;301(5):H2006-H2017.Matsa E., Rajamohan D., Dick E., Young L., Mellor I., Staniforth A., Denning C. Drug evaluation in cardiomyocytes derived from human induced pluripotent stem cells carrying a long QT syndrome type 2 mutation. Eur. Heart J. 2011;32(8):952-962.Matsa E., Rajamohan D., Dick E., Young L., Mellor I., Staniforth A., Denning C. Drug evaluation in cardiomyocytes derived from human induced pluripotent stem cells carrying a long QT syndrome type 2 mutation. Eur. Heart J. 2011;32(8):952-962.Mauritz C., Schwanke K., Reppel M., Neef S., Katsirntaki K., MaierL.S., Nguemo F., Menke S., Haustein M., Hescheler J., Hasenfuss G., Martin U. Generation of functional murine cardiac myocytes from induced pluripotent stem cells. Circulation. 2008;118(5):507-517.Mauritz C., Schwanke K., Reppel M., Neef S., Katsirntaki K., MaierL.S., Nguemo F., Menke S., Haustein M., Hescheler J., Hasenfuss G., Martin U. Generation of functional murine cardiac myocytes from induced pluripotent stem cells. Circulation. 2008;118(5):507-517.Medvedev S.P., Malakhova A.A., Grigor’eva E.V., Shevchenko A.I., Dementyeva E.V., Sobolev I.A., Lebedev I.N., Shilov A.G., Zhimulev I.F., Zakian S.M. Derivation of induced pluripotent stem cells from fetal human skin fibroblasts. Acta Naturae. 2010;2(2);102-106.Medvedev S.P., Malakhova A.A., Grigor’eva E.V., Shevchenko A.I., Dementyeva E.V., Sobolev I.A., Lebedev I.N., Shilov A.G., Zhimulev I.F., Zakian S.M. Derivation of induced pluripotent stem cells from fetal human skin fibroblasts. Acta Naturae. 2010;2(2);102-106.Passier R., van Laake L.W., Mummery C.L. Stem-cell-based therapy and lessons from the heart. Nature. 2008;453(7193):322-329.Passier R., van Laake L.W., Mummery C.L. Stem-cell-based therapy and lessons from the heart. Nature. 2008;453(7193):322-329.Pelzmann B., Schaffer P., Bernhart E., Lang P., Mächler H., Rigler B., Koidl B. L-type calcium current in human ventricular myocytes at a physiological temperature from children with tetralogy of Fallot. Cardiovasc. Res. 1998;38(2):424-432.Pelzmann B., Schaffer P., Bernhart E., Lang P., Mächler H., Rigler B., Koidl B. L-type calcium current in human ventricular myocytes at a physiological temperature from children with tetralogy of Fallot. Cardiovasc. Res. 1998;38(2):424-432.Schwartz P.J., Periti M., Malliani A. The long QT syndrome. Am. Heart J. 1975;89(3):378-390.Schwartz P.J., Periti M., Malliani A. The long QT syndrome. Am. Heart J. 1975;89(3):378-390.Takahashi K., Tanabe K., Ohnuki M., Narita M., Ichisaka T., Tomoda K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell. 2007;131:861-872.Takahashi K., Tanabe K., Ohnuki M., Narita M., Ichisaka T., Tomoda K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell. 2007;131:861-872.Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 2006;126:663-676.Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 2006;126:663-676.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.