Исследование функциональности получаемых из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток кардиомиоцитов для моделирования сердечных аритмий при синдроме удлиненного интервала QT

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.

аритмогенность, пациент-специфичность, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), синдром удлинения интервала QT (LQTS)

1. 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.

2. Campuzano O., Perez-Serra A., Cesar S., Iglesias A., Brugada R. Genetic basis of atrial fibrillation. Genes & Diseases. 2016;3(4):257-262.

3. 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.

4. 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.

5. Fast V.G., Kléber A.G. Role of wavefront curvature in propagation of cardiac impulse. Cardiovasc. Res. 1997;33(2):258-271.

6. 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.

7. 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)

8. Horbach S.P., Halffman W. The ghosts of HeLa: How cell line misidentification contaminates the scientific literature. PloS ONE. 2017; 12(10):e0186281.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Lippiat J.D. Whole-cell recording using the perforated patch clamp technique. Potassium Channels: Methods and Protocols. Humana Press, 2009;141-149.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. Passier R., van Laake L.W., Mummery C.L. Stem-cell-based therapy and lessons from the heart. Nature. 2008;453(7193):322-329.

21. 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.

22. Schwartz P.J., Periti M., Malliani A. The long QT syndrome. Am. Heart J. 1975;89(3):378-390.

23. 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.

24. Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 2006;126:663-676.