用于临床前心脏风险评估的人诱导多能干细胞衍生心肌细胞结构与收缩变化的杂交细胞分析系统

摘要

分析人诱导多能干细胞衍生的心肌细胞收缩功能和细胞完整性的变化，对于非临床药物开发具有重要意义。一种混合式96孔细胞分析系统能够以实时且符合生理条件的方式同时检测这两个参数，从而获得可靠且与人体相关的结果，为安全进入临床阶段提供必要支持。

摘要

心脏收缩力评估对于新疗法的开发及其安全地进入临床阶段具有重要意义。尽管人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）有望在药物发现和安全性药理学的临床前阶段提供一种与人体相关性较高的模型，但其成熟度在科学界仍存在争议，并处于持续优化之中。本文介绍一种结合收缩力与阻抗/细胞外场电位（EFP）的混合技术，可在行业标准的96孔平台上显著增强心肌细胞的成熟特征。

阻抗/场电位（EFP）系统可实时监测细胞功能。除了检测收缩细胞的搏动频率外，电学阻抗谱读数还可识别化合物诱导的形态学变化，如细胞密度以及细胞单层完整性的改变。在该混合细胞分析系统的另一组成部分中，细胞被培养在生物相容性膜上，此类膜可模拟真实心肌组织的机械环境。这种生理环境有助于人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）的成熟。 体外，从而产生更接近成人的收缩反应，包括在异丙肾上腺素、S-Bay K8644 或 omecamtiv mecarbil 处理后的正性肌力效应。收缩力幅度等参数（mN/mm）²以及搏动持续时间还可揭示影响电生理特性和钙处理化合物的下游效应。

该混合系统为全面的细胞分析提供了理想工具，能够实现超越当前基于人类相关细胞检测方法的临床前心脏风险评估。

引言

现代药物研发的主要目标之一是提高新药在药物发现流程中从实验室到临床应用的成功率。这些新药的安全药理学测试常常揭示出对心血管系统的不良反应，此类反应几乎占到了临床前阶段药物淘汰率的四分之一¹。新方法学（NAMs）的开发与整合在临床前评估现代化进程中发挥着关键作用，尤其是针对心脏等核心测试器官。由于这些方法不依赖动物实验，过去十年中，基于诱导多能干细胞（iPSC）来源的心肌细胞（CMs）等人源细胞模型已成为现代安全药理学和毒理学评估的主要工具²。目前广泛使用的检测系统包括微电极阵列（MEA）和基于电压敏感性染料的实验方法³。

然而，该细胞类型所声称的表型和功能上的不成熟性，为建立理想的人源细胞模型带来了障碍，有可能加大非临床研究与临床研究之间的转化差距⁴。

多年来，研究人员开展了大量工作，以探究人类诱导多能干细胞来源的心肌细胞（iPSC-CMs）呈现未成熟表型的原因，并寻求促进其成熟进程的方法。 体外.

缺乏心脏成熟信号（如延长的细胞培养时间、周围缺乏其他细胞类型或缺乏激素刺激）已被证明会影响成熟过程⁵。此外，常规细胞培养板的非生理环境也被认为是阻碍人诱导多能干细胞来源心肌细胞（iPSC-CMs）成熟的重要原因，这主要是由于缺少天然人心脏组织的生理基质刚度^5,6。

为解决这一问题，已开发出多种检测系统，重点关注天然生理条件，包括三维细胞培养系统，其中细胞以三维方式排列，以模拟天然的心脏结构，而非典型的二维细胞培养⁷。尽管三维检测系统在细胞成熟度方面有所改善，但这些系统对操作人员技术要求较高且通量较低，限制了其在药物研发过程中的广泛应用，因为在经济层面评估新疗法时，时间和成本起着根本性作用⁸。

评估新药安全药理学和毒理学的重要指标是人源iPSC-CMs的功能和结构特征的变化，因为化合物引起的心血管系统不良反应通常会影响其中一项或两项特性^1,9众所周知，阿霉素类抗癌药物会引起广泛的不良反应。在患者中，此类药物在癌症治疗期间及治疗后对心血管系统产生的有害功能性和结构性不良影响已有广泛报道，动物实验中也观察到类似现象。 体外 基于细胞的检测^10,11.

在本研究中，我们描述了一种全面的方法，用于评估化合物对hiPSC-CMs的功能性和结构性复合副作用。该方法包括心肌细胞收缩力分析以及阻抗/细胞外场电位（EFP）分析。收缩力的测量在生理机械条件下进行，细胞培养于柔软（33 kPa）的硅胶基底上，以模拟天然人心脏组织的机械环境。

该系统配备96孔板，可用于对人源iPSC-CMs进行高通量分析，适用于临床前心脏安全药理学和毒理学研究，因此相较于目前常用的三维方法（如Langendorff离体心脏或心脏切片）具有优势^12,13。

具体而言，该杂交系统由两个模块组成，分别用于在生理条件下评估心肌收缩力，或实时分析细胞结构毒性^6,14。两个模块均使用专用的高通量96孔板，以实现快速且经济高效的数据采集。

无需三维结构，收缩力检测模块采用特殊培养板，其以柔性硅胶膜作为细胞培养基底，取代常规细胞培养板通常使用的刚性玻璃或塑料。该膜可反映典型的人类心脏生物力学特性，从而模拟 体内 以高通量方式检测条件。尽管在其他基于细胞的检测中，人iPSC-CMs通常难以表现出成年心肌细胞在化合物诱导下产生正性肌力作用的特性¹⁴当细胞在收缩力检测模块的培养板上进行培养时，可评估其更接近成年心肌细胞的反应。既往研究已表明，iPSC-CMs在给予异丙肾上腺素、S-Bay K8644或omecamtiv mecarbil等化合物处理后，会表现出正性肌力效应。^6,15此处可评估多种收缩参数，例如收缩力幅度（mN/mm）等主要参数²）、搏动持续时间与搏动频率，以及收缩周期的次要参数，如曲线下面积、收缩与舒张斜率、搏动频率变异性和心律失常（补充图1)¹⁶通过电容式距离传感技术无创评估所有参数的药物诱导变化。原始数据随后由专用软件进行分析。

结构毒性检测模块通过其独特的阻抗和EFP参数，作为细胞结构毒性和电生理特性分析的检测指标^17,18。电学阻抗谱技术可实时监测由化合物引起的细胞密度或细胞及单层结构完整性的变化，这一点已在使用已知心脏毒性化合物处理的人诱导多能干细胞来源心肌细胞（iPSC-CMs）的研究中得到验证¹³。通过在不同频率（1–100 kHz）下获取阻抗读数，可进一步解析生理反应，从而揭示细胞膜拓扑结构、细胞间连接或细胞-基质连接的变化。对人iPSC-CMs进行额外的EFP记录，还可进一步实现对化合物处理所引发的电生理效应的分析，这一点已在CiPA研究中得到证实^17,19。

在本研究中，采用了人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（iPSC-CMs），并用已知具有心脏毒性的蒽环类药物表柔比星和多柔比星，以及心血管毒性风险较低的酪氨酸激酶抑制剂（TKI）厄洛替尼进行处理。对表柔比星、多柔比星和厄洛替尼的慢性评估持续进行5天。结果显示，厄洛替尼处理组的细胞收缩力和基础阻抗仅有轻微变化，而表柔比星和多柔比星处理组则分别表现出时间和剂量依赖性的收缩幅度及基础阻抗下降。此外，使用钙通道阻滞剂硝苯地平进行急性检测，结果显示收缩幅度、场电位持续时间及基础阻抗均下降，表明该化合物在功能和结构层面上均产生心脏毒性副作用。

方案

注意：收缩力和阻抗/场电位（EFP）测量的工作流程见补充图2。

1. 包被平板

1. 打开真空密封包装，取出96孔板。两个模块的96孔板操作流程相同。在收缩力检测模块中测量前，保持收缩板由额外提供的膜保护层覆盖。
2. 包被柔性96孔板，用于接种心肌细胞。
   1. 在无菌离心管中加入2.75 mL即用型EHS凝胶溶液，再加入8.25 mL含Ca²⁺和Mg²⁺的DPBS，配制稀释的EHS凝胶包被溶液，并轻轻混匀。
      注：也可选择使用纤连蛋白进行孔板包被：在无菌离心管中，将650 µL纤连蛋白储存液（1 µg/mL）用13 mL含Ca²⁺和Mg²⁺的DPBS稀释，配制成13 mL、50 µg/mL的工作液，并轻轻混匀。
3. 将包被溶液转移至放置在实验室自动化机器人中的无菌试剂储液槽中。
4. 使用实验室自动化机器人运行程序"ADD100µL"，每孔加入100 µL包被溶液。将盖子重新盖回96孔板，并在37 ˚C孵育3小时。
   ​注：实验室自动化机器人的程序需预先手动设置。

2. 将人iPSC来源的心肌细胞接种至柔性96孔板（第0天）

1. 根据制造商的说明解冻细胞。
2. 使用手动计数板对细胞进行计数，并根据细胞制造商的说明，用推荐的铺板培养基调整细胞浓度（例如，1 × 10⁵ 个细胞/孔），最终配制成 11 × 10⁶ 个细胞/11 mL，用于接种整块 96 孔板。
3. 使用实验室自动化机器人及程序 "REMOVE100µL" 从各孔中移除 EHS 凝胶溶液。将装有已分配包被溶液的试剂储液槽从机器人上取下。
4. 将细胞悬液（总体积 11 mL）转移至放置在实验室自动化机器人中的无菌试剂储液槽内，并使用程序 "CELLS_ADD100µL" 以每孔 100 µL 的体积接种细胞。
5. 细胞接种后，立即将柔性 96 孔板转移至培养箱（37 ˚C、5% CO₂、湿度可控）中，静置过夜使细胞贴壁。

3. 灵活型96孔板的培养基更换（第1天）

1. 在接种培养板后18-24小时，将每块板至少22 mL的心肌细胞维持培养基置于50 mL离心管中，于37 ˚C预热。
2. 将新鲜培养基（至少22 mL）转移至无菌试剂储液槽中，并置于实验室自动化机器人旁。在机器人中放置一个空的试剂储液槽，运行程序进行培养基更换 "移除100 µL"随后，将装有废培养基的试剂储液槽更换为装有新鲜培养基的试剂储液槽，并通过程序向每孔分配200 µL新鲜培养基 "加入100 µL"重复此步骤两次，使每孔体积达到 200 µL。
3. 换液后立即将培养板放回培养箱。
4. 每隔一天进行一次换液（每孔 200 µL），直至加入化合物。

4. 加入化合物前的最终换液（第5-7天）

1. 在添加化合物前 4-6 小时进行最后一次培养基更换。
2. 为一个可弯曲的 96 孔板预热至少 22 mL 的检测缓冲液。检测缓冲液由维持培养基或其衍生物组成（例如低血清或无血清培养基、酚红-free 培养基或其他等渗缓冲液）。
3. 将新鲜培养基转移至无菌试剂储液槽中，并将其放置在实验室自动化机器人旁边。在机器人中放入一个空的试剂储液槽，执行旧培养基的移除操作。随后，将装有废液的试剂储液槽更换为装有新鲜培养基的试剂储液槽，并向每孔分配 200 µL 新鲜培养基。
4. 培养基更换后，立即将可弯曲培养板放回培养箱中。

5. 化合物添加与数据记录（第5-7天）

注意：本实验的示例测量方案见补充图3。

1. 在超净工作台中，使用无菌的96深孔板，按每种化合物配制4倍浓度的工作液。化合物溶液以第4步所用的检测缓冲液为基础。将含有化合物溶液的96深孔板转移至培养箱中至少1小时，使其条件与柔性板保持一致。
   注意：每次实验所用每种药物的1倍浓度已在图示及图注中提供。
2. 在进行基线测量前1小时，将板转移至相应的检测设备。
3. 在控制软件（多功能细胞分析系统的一部分）中打开编辑方案，并选择相应的检测模式：收缩性或阻抗/EFP。
4. 设定扫描持续时间（单次测量时长；例如30秒）和重复间隔（测量之间的时间；例如5分钟），并保存方案编号。
5. 选择启动方案 > 继续，并填写所需信息。
6. 最后，选择开始测量。在加药前短时间内，以5分钟间隔至少进行三次基线测量（扫描）。
   注意：化合物添加前使用收缩性模块进行的收缩性基线测量示例数据见补充图4。
7. 从每个孔中移除50 µL检测缓冲液，注意不要将柔性96孔板从检测设备中取出。
8. 根据检测计划，向板的每个孔中加入50 µL 4倍浓度的化合物溶液。
9. 选择添加区域标记，并定义加药后化合物板的布局及化合物溶液的体积。
10. 最后，根据实验计划选择继续标准测量或继续测量系列。

6. 数据分析

1. 使用记录软件测量扫描信号，其长度和重复间隔由用户定义。
2. 使用分析软件自动读取振幅、搏动频率、脉冲宽度等参数，以捕捉信号的波形特征。
   注意：系统会基于单次扫描的数据自动计算包含标准差的平均信号，即所谓的平均搏动波形。用户可自定义软件计算并显示的收缩性/IMP/EFP参数。
3. 使用分析软件为每种化合物计算剂量-反应曲线以及IC50/EC50值。
   注意：通过分析软件生成的原始数据和分析结果可轻松导出为多种格式。最终，系统将自动生成数据报告，用于汇总和归档实验结果。关于EFP信号的测量内容及方法的详细说明见文献¹⁷。

结果

厄洛替尼（一种激酶抑制剂）对hiPSC-CMs收缩功能的影响如图1所示。细胞经10 nM至10 µM浓度范围的药物处理5天，每日记录搏动参数。厄洛替尼是一种表皮生长因子受体（EGFR）和酪氨酸激酶抑制剂，其心脏毒性风险相对较低，在微摩尔浓度范围内仅对hiPSC-CMs产生轻微的剂量和时间依赖性影响。在最低浓度（10 nM）下，药物处理后1小时的首次测量中，厄洛替尼引起振幅出现统计学上不显著的下降；而在后续所有测量时间点，该浓度下均未观察到类似效应。这种短暂的下降可能是药物作用的结果，也可能是加药过程中由于温度或机械因素导致搏动模式短暂干扰所致。厄洛替尼在微摩尔浓度下表现出轻微但显著的时间和剂量依赖性心脏毒性效应。使用1 µM厄洛替尼处理96小时后开始观察到效应，而10 µM浓度则在加药后24小时即引起显著的抑制作用。

化疗药物表柔比星对hiPSC-CMs具有时间和剂量依赖性效应（图2）。在加入10 µM表柔比星后24小时内，细胞停止搏动。使用1 µM时，24小时后...

讨论

阻抗/EFP/收缩力混合系统是一种综合性方法，可用于临床前药物开发中心脏毒性的高通量安全性药理学和毒理学评估。该系统提供了一种无需使用动物模型的现代临床前安全性测试方法，且具备更高的通量能力，可显著缩短时间和降低成本。该系统有望作为兰格多夫心脏模型及其他动物模型的补充方法，用于临床前功能性和结构性毒性评估。

作为一种无动物实验的方法，人源iPSC-CMs被用于该杂交系统²⁰。在此，具有促进人源iPSC-CMs成熟效应的特殊柔性96孔板相较于其他基于细胞的检测方法具有重要优势^21,22，因为该系统将高通量与生理环境独特地结合，从而实现更接近成人心脏表型的人源心脏风险评估^6,15。

该实验方案中最关键的步骤是化合物的施加，尤其是在需要检测急性效应时。由...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
商用的人iPSC来源心肌细胞	Fujifilm Cellular Dynamics International (FCDI)	R1059
离心机（50 mL 管）	Thermo Fisher Scientific	15878722
12通道可调移液器（100–1250 μL）	Integra Biosciences	4634
含Ca²⁺和Mg²⁺的DPBS	GE Healthcare HyClone	SH304264.01
96孔深孔板	Thermo Fisher Scientific	A43075
EHS胶			细胞外基质胶
FLEXcyte 96/CardioExcyte混合设备	Nanion Technologies	19 1004 1005	混合细胞分析系统
FLX-96 FLEXcyte传感器板	Nanion Technologies	20 1010
纤连蛋白储存液（可选，替代Geltrex）	Sigma Aldrich	F1141
Geltrex hESC认证、即用型、低生长因子基底膜基质	ThermoFischer Scientific	A1569601
人iPSC来源心肌细胞铺板与维持培养基	FCDI	R1059
培养箱（37 °C，5% CO₂）	Thermo Fisher Scientific	51023121
层流罩	Thermo Fisher Scientific	51032678
NSP-96 CardioExcyte 96传感器板 2.0 mm透明型	Nanion Technologies	20 1011
移液器吸头（1250µL）	Integra Biosciences	94420813
试剂储液槽	Integra Biosciences	8096-11
刻度移液管（例如 25 mL）	Thermo Fisher Scientific	16440901
单通道可调移液器（例如 100–1000 μL）	Eppendorf	3123000063
真空抽吸系统	Thermo Fisher Scientific	15567479
可选：VIAFLO ASSIST	Integra Biosciences	4500	实验室自动化机器人
水浴锅（37 °C）	Thermo Fisher Scientific	15365877