本方案介绍了如何使用MyoBLAZER系统测量供体心脏来源的成人原代心肌细胞的收缩力。MyoBLAZER是一种可靠的平台,可用于临床前药物研发阶段评估药物诱导的收缩力变化。
本方案介绍了如何使用MyoBLAZER系统测量供体心脏来源的成人原代心肌细胞的收缩力。MyoBLAZER是一种可靠的平台,可用于临床前药物研发阶段评估药物诱导的收缩力变化。
评估心肌收缩力的变化在针对心脏和非心脏靶点的新化合物临床前研发过程中至关重要。本文介绍了一种利用MyoBLAZER系统检测成人原代人心室心肌细胞收缩力变化的实验方案,该系统采用一种非侵入性光学方法,可保持细胞正常的生理状态和药理特性。该光学记录技术能够并行连续测量多个细胞的收缩瞬变,实现中等通量检测,同时提供视野中每个单个细胞的有价值信息,从而实现实时追踪药物效应。心肌细胞的收缩由电场刺激起搏诱导,获取的明场图像被输入图像处理软件,用于测量多个心肌细胞的肌节缩短情况。该方法可快速生成与收缩和舒张相动力学相关的多种终点参数,所得数据可结合不同浓度的受试物质进行解读。该方法还被应用于临床前研发的后期阶段,开展后续机制性研究,以支持正在进行的临床研究。因此,基于成人原代人心肌细胞并结合连续收缩力监测光学系统的研究模型有望推动进入一个 体外 临床前医学治疗开发中的心脏数据可转化性
心肌收缩力(即肌力),代表心肌固有的收缩能力,是心脏功能的关键特性,依赖于电-机械耦联的动力学过程。在治疗心脏疾病(如心力衰竭)时,药物引起的心肌收缩力改变是期望达到的效果;而在心脏毒性背景下,此类改变则是非预期的(如左心室射血分数降低)。因此,临床前收缩力模型必须具备准确的预测能力,以确保新药在临床开发阶段能够成功。然而,目前的临床前研究策略主要依赖简化的人工细胞模型(如过度表达特定心脏靶点的基因工程永生化细胞系)以及非人类动物模型,这些方法已显示出显著局限性,并与较高的药物淘汰率相关(即假阳性信号比例较高)1,2,3,4。因此,迫切需要建立新型且可靠的人源细胞心脏收缩力模型,具备高预测效能(即真实信号检出率高),以准确预测药物在人体中的效应,从而推动新疗法的加速上市5。
近期建立的用于获取供体人类心脏以开展研究6,7,8,9,10以及心肌细胞分离技术11,12,13,14,15的开创性方法,为在临床前研究阶段开展以人类为基础的研究提供了独特机遇。在此基础上,成人人类原代心肌细胞已成功用于评估药物引起的人类心脏收缩功能变化11,12,13,14。本文详细描述了在成人人类心肌细胞中研究新型化合物对收缩功能影响的实验方案。
所有方法均按照相关指南和法规进行。研究中使用的人类心脏均为不可用于移植的心脏,且均来自美国(US)的遗体器官捐献者,通过知情的合法同意(本人或其近亲)以符合伦理的方式获取。心脏获取方案及 体外 实验已获得美国器官获取与移植网络(OPTN)内各移植中心机构审查委员会(IRBs)的预先批准。此外,所有供体心脏的转运均可全程追溯,并定期接受美国联邦机构的审查。
注意:在执行本方案期间,应采取所有必要的安全措施,包括穿戴适当的个人防护装备(例如,实验服、护目镜、手套)。
1. 心肌细胞的分离(测量收缩力前一天)
2. 层粘连蛋白包被制备(测量收缩力前一天)
3. Ca的制备2+耐受性心肌细胞(测量收缩力当天)
4. 记录系统的准备(测量收缩力当天)
注意:记录系统包括温度控制箱、刺激器、计算机控制的压力驱动灌流装置、压力驱动灌流瓶、自行开发的采集软件(可选择感兴趣区域(ROI)并显示收缩瞬变)、倒置显微镜、细胞灌流腔室和相机(图1)。
5. 测试化合物的制备(测量收缩力当天)
6. 心肌细胞铺板(测定收缩性的当天)
7. 心肌细胞收缩力的记录
8. 关闭光学收缩力记录系统
9. 收缩力数据的分析
本方案描述了一种用于测量来自器官捐献者的分离成人原代心肌细胞收缩力,并评估测试化合物诱导的收缩力参数急性变化的方法。收缩力瞬变的测量采用基于视频的细胞形态学系统MyoBLAZER,该系统可检测肌节动态,并通过在生理起搏频率(1 Hz)下施加电刺激以模拟成人心脏条件来诱导心肌细胞收缩。通过评估心肌细胞的兴奋-收缩耦联功能(即连接电兴奋[肌膜动作电位]与机械收缩的细胞内过程)来确认细胞的功能活性。人类心肌细胞不存在自发性收缩瞬变,其收缩/舒张周期仅对外源性电刺激产生响应。图2C, E),以及异丙肾上腺素,一种 β-肾上腺素能激动剂(图 2F,G)。异丙肾上腺素可引起浓度依赖性的收缩力增强(图 2G),并且还可以表征其对收缩力瞬变动力学的影响(图 2D)12.

图1:光学收缩力记录系统的实验装置。如前所述11,12,13,14,从成人原代心肌细胞中获取明场收缩力记录。该装置包括(A)温度控制箱、(B)场刺激器、(C、D)压力驱动灌流系统、(E)计算机压力驱动程序、(F)压力加压瓶、(G)采集软件、(H)通过采集软件选择感兴趣区域(ROI)、(I)通过采集软件显示收缩力瞬变信号、(J)倒置显微镜、(K)显微镜培养室以及(L)相机。所有设备的详细信息均列于材料表中。请点击此处查看该图的放大版本。

图2人类心肌细胞收缩力测量的验证及其效应 β-肾上腺素能刺激 (A代表性成人人心肌细胞的相差显微镜图像,B) 在健康心肌细胞图像上沿收缩轴方向设置的用户自定义感兴趣区域(ROI),C) 显示来自 ( 中相同 ROI 的收缩瞬变B) 使用采集软件,(D) 通过采集软件测量的与收缩瞬变相关的参数:收缩幅度、达峰时间、衰减30、衰减90、TR90。还可测量其他参数:静息肌节长度、达50%峰值时间、峰值高度、收缩峰值时的肌节长度、最大收缩速度和最大舒张速度。E在1 Hz起搏频率下,从成年人大类心室肌细胞记录到的典型收缩瞬变,对照组中加入溶剂对照(vehicle control)F)以及暴露于30 nM异丙肾上腺素(一种非选择性β受体激动剂)后 β-肾上腺素能激动剂。各图中所示的收缩力瞬变 E 和 F 从同一批心肌细胞中采集。使用以1 Hz起搏频率起搏的人心肌细胞中的异丙肾上腺素来生成效价信息。G) 异丙肾上腺素作用下人心肌细胞收缩力测量所得的典型累积浓度-反应曲线(n = 8 个细胞)。 请点击此处以查看此图的放大版本。
| 灌流序列 | 溶剂溶液 | 浓度 1 (µM) | 浓度 2 (µM) | 浓度 3 (µM) | 浓度 4 (µM) | 洗脱 |
| 处理时间 | 120 s | 300 s | 300 s | 300 s | 300 s | 300 s |
| 刺激频率 | 1 Hz | 1 Hz | 1 Hz | 1 Hz | 1 Hz | 1 Hz |
表1:刺激方案与测试化合物施加顺序。 在溶液C中持续记录120秒,以评估收缩瞬变的稳定性,并建立溶剂对照(通常为0.1% DMSO)。随后施加测试化合物浓度,持续至少300秒,或直至达到稳态效应。采用四个递增的测试化合物浓度,获得累积浓度-效应(C-E)曲线。在完成测试化合物的累积添加后,可进行300秒的洗脱期。
本论文提供了一种基于成人人心肌细胞收缩力的光学检测系统的详细实验方案,该方法简化了中等通量的检测流程,可用于评估新化合物的急性药效及心脏毒性。该光学收缩力记录系统操作简便,可同时对多个细胞进行平行记录,能够同步评估细胞的健康状态、生理特性及药理反应,配备自动化且快速的数据分析功能(一次多细胞实验的数据分析仅需5秒),并支持快速数据采集(每30分钟可完成一个化合物/设备的浓度-反应曲线)。鉴于上述特点,该记录系统不仅可用于检测药物对心肌细胞收缩力的影响,还可为药物发现早期阶段的药物化学研究提供构效关系数据16。由于一次心肌细胞分离实验可获得数千万个细胞,目前正探索将光学收缩力记录系统与心肌细胞平台结合,通过使用多孔板以提高检测通量并降低成本。此外,利用该记录系统测量药物对收缩期和舒张期参数的影响,可实现对正性肌力药物的多参数机制分析12。同时,心肌细胞收缩力数据还可用于对新型药物的心脏毒性进行排序(例如安全窗口,从高到低)以及药效强弱排序(例如效价窗口,从低到高)。对于临床上已观察到心肌收缩力下降的药物开发项目,也可进一步开展心肌细胞收缩力研究以提供支持12。
使用人心肌细胞收缩力光学记录系统的另一个显著优势在于其与“3R”原则(替代、减少和优化)17相一致,因为它可被视为一种替代方法,能够在制药行业中避免或取代动物用于数据生成。这一3R优势也可延伸至学术界的心脏研究领域。目前关于心肌细胞生理学和药理学的全部知识均来源于从动物心脏中分离细胞所开展的学术研究18。因此,人心肌细胞光学收缩力模型为开展关键的转化研究提供了可能。为了实施这些研究,必须建立用于保存和运输成人人心肌细胞的方案(目前在AnaBios实验室中评估),同时该收缩力系统必须具备记录非人源心肌细胞肌节长度变化的能力(光学收缩力记录系统具备此能力,因为肌节在不同物种间具有高度保守性)。
人类心肌细胞收缩力系统可模拟多种生理条件(例如,电机械耦合、模拟心率的起搏频率、体温、整合所有人类心脏靶点),并在药物发现中作为关键组成部分展现出转化应用价值11,12,13,14,尽管它无法模拟心脏收缩周期中机械负荷和剪切应力的变化。目前,人们对心脏细胞外基质的结构与功能已有更深入的理解19,这类基质的开发有望克服机械负荷的限制,目前AnaBios实验室正在评估具有不同心脏样刚度的基质。人类心肌细胞光学收缩力系统的另一局限性在于缺乏支配心脏的神经网络(例如交感神经和副交感神经纤维)。20。通过共同应用神经递质(例如异丙肾上腺素,一种β-肾上腺素受体激动剂)可重新建立这种神经-心脏连接 β-肾上腺素受体;乙酰胆碱,M2毒蕈碱受体的激动剂),用于评估该化合物对心肌细胞收缩力的潜在影响。此外,收缩力瞬变的记录未同时测量动作电位和Ca2+ 转瞬现象,在评估药物对心电图和钙信号的影响时同样至关重要2+ 操作。尽管这种缺失可被视为该系统的局限性,但其影响并不严重,因为动作电位信号的记录(通过电流钳技术或电压敏感性染料)和Ca2+ 瞬时表达(含 Ca2+ 指示剂/染料可能具有细胞毒性。此类细胞毒性效应可能影响对新型心脏收缩调节药物的评估。相反,采用一种非侵入性光学方法,如本方案所述记录系统,能够保持心肌细胞的健康状态、生理特性和药理特性,不仅可确保获得最高质量的收缩功能数据,还能提供可良好预测新型药物在人体内收缩效应的数据。
所有作者均为 AnaBios 公司的员工,且声明无利益冲突。
本工作由 AnaBios 公司和美国国立卫生研究院小型企业创新研究(SBIR)资助项目(1R44TR003162-01)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 100–1000 µL 过滤式宽口无菌吸头 | 移液器 | UF-1000W | |
| 100 mL Duran 加压瓶 | DWK 生命科学 | 218102406 | |
| 1 L,0.22 µm 真空过滤系统 | VWR | 567-0020 | |
| 290 mmol/kg 渗透压标准品 | Wescor | OA-029 | |
| 台式 pH 计 | 梅特勒-托利多 | https://www.mt.com/us/en/home/products/Laboratory_Analytics_Browse/pH-meter/pH-meters.html | |
| 氯化钙二水合物(CaCl2) | Sigma-Aldrich | C3881 | |
| 相机 | Optronis GmbH | Cyclone-25-150-M | https://optronis.com/en/products/cyclone-25-150/ |
| Corning 25 mm × 25 mm 方形 #1 盖玻片 | Corning | 2845-25 | |
| Cyclone-25-150 | Optronis | https://optronis.com/en/products/cyclone-25-150/ | |
| D-(+)-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G8270 | |
| 数字计时器/秒表 | 费舍尔科学 | 14-649-17 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418 | |
| 八孔矩形聚苯乙烯无菌培养板 | 赛默飞世尔科技 | 73521-426 | https://us.vwr.com/store/product/4679368/nunclontm-delta-rectangular-dishes-polystyrene-sterile-thermo-scientific |
| FHD 显微镜腔室系统 | IonOptix | ||
| Flow EZ 模块化基于压力的流速控制器,计算机驱动程序版本 1.1.0.0 | Fluigent OxyGEN | ||
| 重型真空瓶 | VWR | 16211-080 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| 人重组层粘连蛋白 521 | BioLamina | LM521-05 | |
| Idex 色谱柱管路,天然 FEP 材质,外径 1/16" × 内径 0.030" | 科尔-帕默 | 1520L | |
| Kimberly-Clark 专业级 Kimtech Science Kimwipes 擦拭纸 | 费舍尔科学 | 06-666 | |
| L-(-)-苹果酸 | Sigma-Aldrich | 112577 | |
| 乳糖酸 | Sigma-Aldrich | 153516 | |
| L-谷氨酸 | Sigma-Aldrich | 49449 | |
| L-组氨酸 | Sigma-Aldrich | H8000 | |
| 氯化镁六水合物(MgCl2) | Sigma-Aldrich | M9272 | |
| 显微镜温控载物台加热器 | AmScope | TCS-100 | |
| MyoPacer 电场刺激仪 | IonOptix | ||
| Nunc 矩形培养皿 | Thermo Scientific | 267062 | |
| Olympus IX83P1ZF Ixplore 标准显微镜 | Olympus | https://www.olympus-lifescience.com/en/microscopes/inverted/ixplore-standard/?campaignid=657680540&adgroupid =116963199831&keyword=ix73%20 microscope&gclid=EAIaIQobChMIl qjyiMWP-AIVVx-tBh2JoQ85EAA YASAAEgLp3fD_BwE | |
| pH 4.01、7.00 和 10.01 标准缓冲液 | Oakton | WD-05942-10 | |
| 氯化钾(KCl) | Sigma-Aldrich | 746436 | |
| 氢氧化钾(KOH) | Sigma-Aldrich | P4494 | |
| 磷酸二氢钾(KH2PO4) | Sigma-Aldrich | 795488 | |
| Prism 软件 | GraphPad Software - Dotmatics | https://www.graphpad.com/ | |
| RBS 25 液体洗涤剂 | Sigma-Aldrich | 83460 | |
| 锐器盒 | Uline | S-15307 | |
| SigmaPlot 分析软件 | Systat Software Inc. | https://systatsoftware.com/ | |
| 氯化钠(NaCl) | Sigma-Aldrich | S3014 | |
| 氢氧化钠(NaOH) | Sigma-Aldrich | 221465 | |
| 学生用 Dumont #5 镊子 | 精细科学工具 | 91150-20 | |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | S7903 | |
| 牛磺酸 | Sigma-Aldrich | T0625 | |
| 温控箱 | Warner Instruments | TC-324C | |
| 蒸汽压渗透压计 | ELITechGroup | Model 5600 | |
| Wheaton 20 mL 小瓶 | DWK 生命科学 | 225288 |