Long QT Syndrome -specific Cardiomyocytes Derived from Induced Pluripotent Stem Cells: From cell lines to disease models

Abstract

Ihmisen sydänsolujen tutkimus on ollut haastavaa, koska sydänlihassoluja on vaikea sekä saada että kasvattaa soluviljelyolosuhteissa. Alkion kantasoluista erilaistettuja sydänlihassoluja onkin käytetty sydäntutkimuksessa, vaikka alkioiden käyttöön liittyykin eettisiä kysymyksiä. Uudelleen ohjelmoidut, erittäin monikykyiset kantasolut (iPS-solut, engl. induced pluripotent stem cells) ovat kuitenkin luoneet mahdollisuuksia aivan uudenlaiselle sairauksien tutkimiselle ja diagnosoinnille sekä lääketutkimukselle ja -testaukselle. Ihmisen iPS-solut nimittäin lisääntyvät periaatteessa loputtomasti in vitro ja niitä voidaan erilaistaa miksi tahansa ihmisen solutyypiksi, myös sydänlihassoluiksi. Lisäksi iPS-soluja voidaan uudelleen ohjelmoida kenen tahansa soluista. Tämä mahdollistaa potilas- ja tautispesifisten sydänsolumallien perustamisen, potilaskohtaisen lääkityksen ja hoidon suunnitelemisen sekä mahdollisesti tulevaisuudessa myös kantasoluihin ja kantasolusovelluksiin perustuvien hoitojen kehittämisen.

Pitkä QT oireyhtymä (LQTS, engl. long QT syndrome) on sydänsairaus, joka voi olla joko perinnöllinen tai hankittu eli jonkin ulkoisen tekijän, kuten lääkkeen aiheuttama. Sairaus havaitaan potilaan sydänsähkökäyrästä (EKG), ja LQTS-potalaalla on kohonnut riski saada kammioperäisiä, hengenvaarallisia rytmihäiriöitä. LQTS:n maailmanlaajuisen kliinisen esiintyvyyden on arvioitu olevan 1:10 000 - 1:5 000, mutta todennäköisesti sairauden geneettinen esiintyvyys on huomattavasti suurempi. Suomessa LQTS:lle altistavan mutaation kantajia tiedetään olevan jopa 1:250. LQTS on yleisin, vakava lääkkeiden aiheuttama sivuvaikutus ja myös yksi yleisimmistä syistä, joiden vuoksi lääkkeitä joudutaan vetämään pois markkinoilta. On myös arveltu, että kyseiset lääkevaikutukset olisivat vakavampia henkilöillä, jokta kantavat LQTS:lle altistavaa mutaatiota.

Tämä väitöskirjatutkimus esittelee iPS-solulinjoja, jotka tehtiin LQTS-potilaiden ihon fibroblasteista ja erilaistettiin sydänlihassoluiksi. LQTS:n fenotyyppi voitiin havaita näissä sydänlihasoluissa pidentyneenä repolarisaatio-aikana. Havaitsemiseen käytetyt menetelmät olivat patch clamp -tekniikka ja Ca2+-kuvantaminen sekä videonauhoituksiin perustuva solujen mekaanisen toiminnan analysointi. Myös eri mutaatioden aiheuttamat erilaiset fenotyypit voitiin erottaa kaikilla näillä kolmella menetelmällä. Yksittäisten sydänlihassolujen sykkeen mekaanisten ominaisuuksien analysointi on täysin uusi tapa määrittää näiden solujen ominaisuuksia ja kyseistä menetelmää voidaan käyttää yhdessä perinteisten elektrofysiologisten- ja ionien pitoisuuksiin perustuvien menetelmien kanssa.

Primary human cardiomyocytes are difficult to obtain and maintain in vitro, which has been a major obstacle in cardiac research. For this reason, cardiomyocytes differentiated from human embryonic stem cells have been used as a source of cardiac cells in spite of the ethical issues related to the usage of embryos. However, human induced pluripotent stem (iPS) cells have introduced a novel platform for disease modeling, drug testing and diagnostics because human iPS cells can proliferate and self-renew or, alternatively, differentiate into any cell type in the human body, including cardiomyocytes. In addition, iPS cells can be generated from any individual, which enables the establishment of disease- and patient-specific cardiac models, the design of individualized medications and, possibly in the future, the applications to regenerative medicine.

Long QT syndrome (LQTS) is a cardiac disorder that can be either congenital or acquired. The syndrome is characterized by abnormalities in an electrocardiogram (ECG) and an increased risk of developing life-threatening ventricular arrhythmia. The estimated clinical prevalence of LQTS worldwide is between 1:5 000 and 1:10 000, but the increasing identification of asymptomatic mutation carriers indicate that the genetic prevalence may be much higher. In Finland, one out of every 250 people is known to be a carrier of a mutation related to LQTS. Acquired LQTS is the most common severe side effect of medications and one of the most common reasons for the withdrawal of drugs already on the market. Carriers of LQTS-related mutations are thought to be more vulnerable to the adverse effects of different drugs compared to the general population.

In the studies presented in this thesis, iPS cells were generated from skin fibroblasts acquired from patients with LQTS, and these iPS cells were differentiated into cardiomyocytes. The LQTS-specific cardiac myocytes reproduced the disease phenotype in vitro with a prolonged repolarization time. The LQTS phenotype was detected using the patch clamp -technique and Ca2+-imaging and by analyzing the mechanical behavior of the beating cardiomyocytes. In addition, different phenotypes caused by different mutations were distinguished using these three methods. The analysis of the mechanical properties of single cardiomyocytes based on video recordings introduced a novel method for characterizing cardiac myocytes that could be used for cardiac research together with electrophysiological techniques and methods based on detecting the ion concentrations in the cells.