Study of Hypertrophic Cardiomyopathy Using Human Induced Pluripotent Stem Cell Derived Cardiomyocytes

Abstract

Ihmisen indusoidut kantasolut (hiPS-solut) ja niistä erilaistetut sydänlihassolut (hiPS-CM:t) ovat mullistaneet in vitro tautimallinnuksen. hiPS-solut sisältävät saman geneettisen informaation kuin se henkilö, josta solut ovat peräisin. Tämän ainutlaatuisen ominaisuutensa ansiosta hiPS-solut tarjoavat työkalun, jonka avulla voidaan tutkia perinnöllisiä sairauksia, seuloa uusia lääkkeitä, sekä tarjota yksilöllistä terveydenhoitoa tulevaisuudessa.

Hypertrofinen eli paksuseinäinen kardiomyopatia (HCM) on yksi yleisimmistä perinnöllisistä sydänsairauksista, prevalenssin ollessa 1:500. HCM:n aiheuttamat mutaatiot sijaitsevat pääosin sydämen sarkomeereissä (~90% lihaksen supistumiseen liittyvissä proteiineissa). Yleisimmät Suomessa esiintyvät HCM-mutaatiot sijaitsevat alfa-tropomyosiinia (TPM1-Asp175Asn) ja myosiinia sitovaa proteiinia (MYBPC3-Gln1061X) koodaavissa geeneissä. Nämä valtamutaatiot kattavat yhdessä noin 18% suomalaisista HCM-tapauksista. Kudostasolla HCM aiheuttaa sydänlihassolujen epäjärjestymistä, sydänlihaskudoksen fibroosia, sekä paksuuntumaa (15-50mm) kammioiden väliseen seinämään tai muihin kammioiden seinämiin. Kliiniset oireet vaihtelevat, mutta äkkikuolema voi olla HCM:n ensimmäinen ja samalla ainoa oire nuorilla aikuisilla, erityisesti urheilijoilla. HCM-potilaiden äkkikuolemiin johtavien vakavien rytmihäiriöiden mekanismia ei vielä tunneta. Tämän vuoksi HCM:n patofysiologiset mekanismit tulisi selvittää, jotta tautia voitaisiin ymmärtää paremmin, ja jotta siihen voitaisiin kehittää uusia hoitomuotoja.

Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia joko TPM1-Asp175Asn tai MYBPC3-Gln1061X mutaatioita sisältävien potilasspesifisten hiPS-CM:jen elektrofysiologisia ominaisuuksia. Ensimmäisenä tavoitteena oli luoda solumallit HCM:n laboratorio-tutkimusta varten iPS-CM:jen avulla. Nämä HCM-spesifiset hiPS-CM:t ilmensivät HCM:n löydöksiä yksisolutasolla. Toisena tavoitteena oli tutkia adrenaliinin eri konsentraatioiden vaikutuksia aktiopotentiaalin parametreihin ja rytmihäiriöiden esiintyvyyteen kehitetyissä HCM-solumalleissa. Myös rytmihäiriön estolääkityksenä käytetyn bisoprololin tehokkuutta tutkittiin HCM-solumalleissa. Näiden lisäksi tutkittiin myös sykkeen ja repolarisaation vaihtelevuutta. Kolmantena tavoitteena oli tutkia kahden toisistaan riippuvaisen tapahtuman, eli solukalvon sähköpotentiaalin ja kalsium-aineenvaihdunnan, yhteyttä sydänlihassoluissa mittaamalla kumpaakin parametria samanaikaisesti.

Johtopäätöksenä voidaan todeta, että hiPS-CM:t tarjoavat luotettavan solumallin perinnöllisten sydänsairauksien tutkimusta varten. Tässä työssä käytetty koeasetelma on käyttökelpoinen ja hyödyllinen myös muita sydänsairauksia tutkittaessa. Tämän lisäksi Vm ja CaT –parametrien samanaikainen mittaaminen auttaa niiden keskinäisen riippuvuuden ymmärtämisessä, ja menetelmää voidaan hyödyntää myös rytmihäiriöihin johtavien mekanismien selvittämisessä.

The human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocyte (hiPSC-CM) technology remarkably improves in vitro disease modelling, which retain the same genetic information as in the individual from which they are derived. Thus, hiPSCs offer a platform to study genetic diseases, screen for new potential drugs, and guide personalized medicine in the future. Hypertrophic cardiomyopathy (HCM) is one of the most common genetic heart diseases; it has a prevalence of 1:500. HCM is primarily caused by mutations in cardiac sarcomere (~ 90% contractile proteins). In Finland, two founder mutations in alpha-tropomyosin (TPM1-Asp175Asn) and myosin-binding protein C (MYBPC3-Gln1061X) genes are major HCM-causing mutations, and that together account for approximately ~ 18% of HCM. At the tissue level, HCM is characterized by cardiomyocyte disarray, cardiac tissue fibrosis, and a thick interventricular septum or ventricular wall (15-50 mm). Clinically, symptoms vary; however, sudden death can be the first and only symptom of HCM in young adults especially among athletes. The mechanism triggering the lethal arrhythmias that cause sudden death are not understood yet. Thus, a detailed understanding of the pathophysiology of HCM should be elucidated to provide better information for the development of novel and promising treatment modalities for HCM.

The goal of this thesis was to study the electrophysiological properties of patient-specific hiPSC-CMs obtained from HCM patients carrying either TPM1-Asp175Asn or MYBPC3-Gln1061X mutations. The first specific aim was to establish the in vitro model for HCM using hiPSC-CMs. HCM-specific hiPSC-CMs exhibited HCM phenotypes in single cells. The second aim was to use this in vitro HCM model to investigate the effects of various concentrations of adrenaline on the action potential parameters and occurrences of arrhythmias. The efficacy of bisoprolol, an antiarrhythmic agent was also examined in HCM-specific hiPSC-CMs. In addition, beat rate variabilities and repolarization variabilities were examined. The third aim was to study the relationship between two interdependent events in cardiomyocytes namely membrane potential and calcium transients by recording both parameters simultaneously.

In conclusion, in vitro disease modelling using hiPSC-CMs provides a robust platform for investigating genetic cardiac diseases. The experimental design used in this study is also suitable and beneficial for studying other cardiac diseases. In addition, simultaneously recording of membrane potential and calcium transient broadens the understanding of their interrelation and can be used to elucidate the mechanism underlying arrhythmia in more specific ways under diseased conditions.