激光穿孔和微电极阵列(MEA)的组合允许对培养的原代和干细胞来源的心肌细胞进行类似动作电位的记录。波形形状提供了比标准记录更深入的测试化合物作用方式的洞察力。它将膜片钳和MEA读数连接在一起,以进一步优化未来的心脏安全研究。
危及生命的药物性心律失常之前常伴有心脏动作电位 (AP) 延长,通常伴有小的致心律失常膜电位波动。AP 复极部分的形状和时间过程对于是否存在心律失常至关重要。
微电极阵列(MEA)允许通过细胞外场电位(FP) 轻松 获得心脏毒性化合物效应。尽管FP波形在研究和心脏安全药理学中是一个强大而成熟的工具,但由于细胞外记录原理和由此产生的固有交流电(AC)滤波,FP波形不允许推断原始AP形状。
这里描述的一种新型装置可以使用高度聚焦的纳秒激光束在多个培养时间点重复打开培养在MEA电极顶部的心肌细胞膜。激光穿孔导致将电生理信号从FP转换为细胞内样AP(激光诱导AP,liAP),并能够记录跨细胞电压偏转。与常规MEA记录相比,这种细胞内通路可以更好地描述AP形状,并对致心律失常电位进行更好,更灵敏的分类。该系统是对现有电生理方法的革命性扩展,允许准确评估基于MEA的记录的所有优点(简单,急性和慢性实验,信号传播分析等)。
心跳的电贡献是由许多心脏通道和转运蛋白的复杂且精确定时的相互作用以及电信号通过心肌的精确调谐传播的结果1.这些密切协调机制的改变(例如,使用药物)可对心脏功能造成严重后果(即危及生命的心律失常)2,3。心律失常被定义为改变心脏正常节律的不规则心跳,这可能会危及生命。它们可能是由心脏兴奋波的启动受损或心脏兴奋的异常传播引起的4,这反过来又导致心脏泵血机制的功能障碍。
许多强效候选药物在早期药物开发阶段必须被排除在进一步研究之外,因为它们具有(前)心律失常潜力2,3。它们调节负责正常心脏动作电位形成和终止以及随后信号传播的关键心脏通道(例如,人以太-a-go-go相关基因通道[hERG])5。
制药公司通常使用膜片钳测量或微电极阵列(MEA)来研究候选药物诱导的潜在心脏毒性脱靶效应。膜片钳记录允许破译物质对心脏离子通道的影响,并以高时空分辨率分析跨细胞心脏动作电位6,7。然而,该技术的缺点包括手动膜片钳的低通量以及由于该方法依赖于悬浮细胞而导致自动化的适用性有限。此外,由于该方法的侵入性,无法研究慢性影响。最后,通常只同时研究单个细胞而不是整个心脏合胞体,因此无法解决有关信号传播的信息。
电压敏感染料对于无创研究心脏动作电位和药物引起的心律失常很有价值8。它们允许研究单细胞和合胞体活性。该方法的缺点是染料本身或照明期间反应产物的细胞毒性作用。它们用于急性实验,几乎不适用于长期研究9,10,11。电压敏感蛋白作为替代品在过去几年中在可用性和灵敏度方面取得了重大进展,但需要对感兴趣的细胞进行基因修饰,并且与电生理技术相比缺乏高时间分辨率12。
来自最近的CiPA倡议13 的信息指出,MEAs被广泛用于心脏安全筛查,作为一种替代电生理方法,因为它们代表了研究心脏功能和安全性药理学的强大而成熟的工具。心肌细胞直接培养为芯片顶部的合胞体,并通过底物集成的微电极 无 创地记录细胞外场电位(FP)。这种记录原理允许在几天内进行增加通量的筛选,这使得它们适用于慢性效应的药物研究。产生的FP波形是细胞内AP14的导数。诸如节拍率、FP 初始部分的振幅和 FP 持续时间等参数很容易访问15。由于该技术的AC滤波效应,其他基本标准,例如FP(致心律失常16,17的重要标志物)的延长和三角测量之间的区别是无法获得的。此外,检测其他小的致心律失常事件,如早期和延迟后去极化(分别为EAD和DAD),由于其振幅小,往往很容易被忽视。
在这里,我们描述了一种通过打开心肌细胞膜来获得细胞内膜电位的方法。IntraCell装置(以下简称细胞内记录装置)允许使用高度聚焦的纳秒激光束通过特定的物理现象(表面等离子体共振) 重复 开膜培养在MEA电极顶部的心肌细胞18。结果,记录从常规FP过渡到细胞内样AP(激光诱导AP,liAP)。该协议显示了这如何允许访问波形的动力学方面,而这些方面无法通过分析FP轻松捕获。该方法代表了传统细胞内膜片钳和MEA记录之间的桥梁。因此,该技术是当前心脏安全评估方法的有力扩展。
这种创新方法展示了一种在应用心脏活性药理工具化合物期间体 外 研究心脏动作电位的药理调节的新方法。
经典的MEA记录允许FP记录,这是心脏AP14的衍生物。这种间接记录涉及去极化和复极化的时间过程,从而消除了AP的基本特征。此外,尽管AP的跨细胞电压变化通常达到约100 mV的值,但整体FP幅度仍然相对较低,峰值幅度在几个100μV和低个位数mV值之间。由于记录原理,复极相位小;在许多情况下,它只是可检测的,并且通常形状不明确,因此很难定义FP的末端。细胞膜的打开使我们能够获得细胞内电压,从而揭示心脏AP的时间过程。与FP记录相比,这种记录方法具有多种优点。首先,信号幅度更突出,提供优越的信噪比。其次,波形可以更好地检测复极化。第三,复极相的形状有助于深入了解由信号松弛的陡峭度提供的测试化合物的作用模式。最后,该方法提高了检测关键药物不良反应的灵敏度, 图6 所示的记录示例证明,该示例显示了liAP中EAD的发生,但在FP中没有。
到目前为止,有两种方法可以访问细胞内AP。第一个是通过电穿孔26,27实现的。在这里,通过记录电极 施加 的短而强的电压脉冲可以打开细胞膜28。第二种可能性是通过激光脉冲 打开 膜,利用称为表面等离子体共振的物理现象,如图所示。与电穿孔相比,其优势之一是增加了连续开口的可能性。由于高度聚焦的激光光斑(1-3μm),这种效应非常局部地局限于感兴趣的电极。有趣的是,liAP的启动并没有改变培养合胞体的信号传播。这表明,尽管细胞完整性受损,但心肌细胞似乎没有通过膜上的孔 去 极化。
此方法存在局限性。与电穿孔一样,在大多数情况下,膜开口不会持续整个实验过程。在实验之前,需要独立定义稳定打开特定感兴趣细胞类型所需的激光脉冲的最小功率和持续时间设置。我们发现(未显示)不同细胞类型之间的参数差异很大(在我们的例子中,几种hiPS衍生的和原代心肌细胞)。这避免了化合物测试实验期间对细胞的不必要压力,并产生更可靠和可重复的数据。调整 z 轴以明确聚焦电池和电极至关重要。未聚焦的相机图像会产生位于次优水平的激光光斑,可能导致无法打开细胞膜。即使使用最佳调整参数,liAP效应也是瞬态的,并且幅度会随着时间的推移而减小。此外,进入细胞内空间的途径在liAP诱导之间变化,包括在同一电极的连续开口内和电极之间。这导致liAP振幅的高度可变性。原因尚未完全清楚。可能的解释包括机械问题,例如激光焦点的漂移或膜开口的不同亚细胞定位。这使得此时测试化合物的振幅效应分析变得复杂。此外,MEA系统记录电活动需要高通滤波,以补偿不可避免的基线漂移。尽管在此使用的系统中,此滤波设置为0.1 Hz(该系统可用的最低滤波器设置),但平台期的滤波效应仍然可见,导致心脏AP平台期期间电压偏转缓慢。这对于长的基础AP尤其成问题,例如此处使用的iPSC衍生的iCell心肌细胞2 ,它们在控制条件下已经产生AP>700 ms。使用具有较低滤波的系统可以更好地保存AP的形状,并允许更好地访问复极化阶段的时间过程。
The authors have nothing to disclose.
作者要感谢Foresee Biosystems在研究期间借出IntraCell系统。他们还要感谢Hae In Chang的技术援助。这项工作得到了欧盟地平线2020的研究和创新计划根据第964518号资助协议(ToxFree)、欧盟地平线欧洲欧洲创新委员会计划、SiMulTox项目(赠款协议第101057769号)以及巴登-符腾堡州经济事务、劳工和旅游部的资助。
1 well MEA chip | Multi Channel Systems MCS GmbH | 890301 | |
6 well MEA chip | Multi Channel Systems MCS GmbH | 7600069 | |
DMSO | Merck KGaA | 20-139 Sigma-Aldrich |
solvent for drugs |
Dofetilide | ALOMONE LABS ISRAEL HEADQUARTERS |
D-100 | Drug-Measurement |
dPBS | Fisher Scientific GmbH | 12037539 | Coating |
E4031 | ALOMONE LABS ISRAEL HEADQUARTERS |
E-500 | Drug-Measurement |
Falcon | Fisher Scientific GmbH | 10788561 | |
FB Alps version 0.5.005 | Foresee Biosystems | ||
Fibronectin | Merck KGaA | 11051407001 | Coating |
iCell cardiomyocytes | FUJIFILM Cellular Dynamics, Inc. (FCDI) |
C1016 | |
IntraCell | Foresee Biosystems | ||
IntraCell | Foresee Biosystems | ||
Isopropanol | Carl Roth GmbH + Co. KG | CN09.1 | For cleaning of MEA contact pads |
Maintenance Medium | FUJIFILM Cellular Dynamics, Inc. (FCDI) |
#M1003 | For cell-culture |
MC_Data Tool | Multi Channel Systems MCS GmbH | Data export | |
MC_Rack | Multi Channel Systems MCS GmbH | MEA recording | |
MEA 2100 – 2×60 – system | Multi Channel Systems MCS GmbH | 890485 | For MEA-recordings |
Nifedipine | Merck KGaA | N7634 Sigma-Aldrich |
Drug-Measurement |
Plating Medium | FUJIFILM Cellular Dynamics, Inc. (FCDI) |
M1001 | For cell-culture |
Tergazyme | VWR International, LLC | 1304-1 | cleaning of MEAs |