Development of human cell based in vitro vascular and cardiovascular models

Abstract

Ihmissolupohjaisen verisuoni- ja sydänmallin kehittäminen

Lääkkeiden ja teollisuuskemikaalien turvallisuuden arviointi on säädetty EU:ssa pakolliseksi ihmisten terveyden ja ympäristönsuojelun takaamiseksi. Uusien lääkeaineiden kehittämisessä suurin ongelma on niiden riittämätön teho tai lääkeaineiden ihmisille aiheuttamat haittavaikutukset. Tähän on syynä usein se, että eläinmalleilla ei ole kyetty ennustamaan lääkeaineiden ja kemikaalien tehoa tai turvallisuutta ihmisille. Huonon ennustavuuden lisäksi eettiset syyt ja korkeat kustannukset ovat syitä sille, että eläinbiologiaan perustuvat testausmallit halutaan korvata kehittyneemmillä menetelmillä.

Ihmissolupohjaisten solu- ja kudosmallien avulla on mahdollista saada paremmin ihmiseen soveltuvaa tutkimustietoa. Ihmisen erittäin monikykyisistä kantasoluista erilaistetut solut tarjoavat mahdollisuuden yksilöllisten solumallien kehittämiseen lääkeaineiden ja kemikaalien turvallisuuden ja tehon testausta varten. Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että yksisoluviljelmien sijaan muut oleelliset solutyypit ja kasvuympäristö ovat kriittisiä uusien, ennustavampien solumallien kehityksessä. Jotta solumallit voidaan hyväksyä virallisiksi testimenetelmiksi on tärkeää varmistaa, että mallit on huolellisesti kartoitettu ja että ne täyttävät niille asetetut vaatimukset ja sopivat aiottuun käyttötarkoitukseensa (validointi).

Väitöskirjatyössä kehitettiin ihmissolupohjainen verisuoni- ja sydänmalli testimenetelmiksi, joilla voitaisiin täydentää tai korvata eläinkokeita lääkeaineiden ja kemikaalien tehon ja turvallisuuden tutkimisessa sekä käyttää malleja biolääketieteellisessä perustutkimuksessa. Työssä kartoitettiin verisuoni- ja sydänmallien toiminnallisuutta, rakennetta ja geneettisiä ominaisuuksia.

Tulokset osoittivat, että ihmisen rasvakudoksen kantasolujen sekä endoteelisolujen muodostamassa yhteisviljelmässä muodostuu toistettavasti kypsiä verisuonimaisia rakenteita. Verisuonimallin kypsymistä aikuisen verisuoniston kaltaiseksi tuki työssä kehitetty uusi kasvatusliuos ja mallin todettiin olevan valmis laboratorion sisäiseen validointiin. Sydänmallissa yhdistettiin em. verisuonimaiset rakenteet sykkiviin sydänlihassoluihin. Tulokset osoittivat, että verisuonimaiset rakenteet edesauttavat sydänlihassolujen elävyyttä ja toiminnallisuutta. Täysin ihmissolupohjaisen sydänmallin osoitettiin vastaavan kemikaalialtistuksiin yksisoluviljelmää herkemmin ja omaavan aikuisen sydänlihaskudoksen kaltaisia rakenteellisia ominaisuuksia.

Väitöskirjatyön tulosten perusteella verisuoni- ja sydänmalli tarjoavat yksisoluviljelmiä kehittyneemmän testausmenetelmän yhdisteiden turvallisuuden ja tehon testaamiseen sekä mahdollisuuden korvata osa vastaavista eläinmalleilla suoritettavista testeistä. Sydänmalli vaatii kuitenkin jatkokartoitusta sekä vertailua aikuisen ihmisen sydänlihaskudokseen ennen siirtymistä mallin validointiin.

In order to protect human health and environment, safety assessment of drugs and industrial chemicals is mandatory according to the EU legislations. In pharmaceutical industry, lack of efficacy in addition to safety concerns in clinical trials are the main reasons for low success rate in the development of new drugs. Animal biology based test systems have often failed to predict the efficacy in humans and to reveal the adverse effects. In addition to poor predictive value, ethical concerns and high costs have raised the need to replace animal models and to develop more advanced test systems.

Primary cells are considered as the traditional in vitro test systems for safety and efficacy assessment. More recently, human pluripotent stem cells have emerged as a promising source of specific cell types with the possibility for high throughput production with reasonably low costs. Growing data shows that instead of planar monocultures, supportive microenvironment, essential cell types and defined culture conditions are critical in developing more accurate in vitro models. Furthermore, before utilization in regulatory safety and efficacy assessment, careful characterization and validation of the developed in vitro models is necessary.

The main objective of this thesis was to develop advanced, human cell based tissue models to supplement or, preferably, replace animal tests and to be used in biomedical research. First, in vitro vascular models were developed for toxicity and efficacy assessment of pro- or anti- angiogenic compounds. Careful characterization with defined medium was performed to vasculogenesis-angiogenesis model for further intra-laboratory validation and to study the properties of the model as a supportive platform for tissue models. As the second main objective, we combined the vascular model with cardiomyocytes to establish a cardiovascular model for cardiac safety and efficacy assessment of chemicals.

The results showed that an extensive vascular-like network formation with mature tubules was reproducible formed in vasculogenesis-angiogenesis model in six day culture. The characterization with defined, serum-free medium showed that vasculogenesis-angiogenesis model is ready for intra-laboratory validation. Proof-of-concept on the enhanced viability of co-culture of cardiomyocytes and vascular-like network was received with two different vascular platforms. Finally, completely human cell based cardiovascular model was shown to possess more mature structure and response to chemicals than widely used cardiomyocyte monoculture.

It can be concluded that the developed vascular and cardiovascular models provide more advanced test systems for safety and efficacy assessment compared to widely used monocultures with the possibility to supplement or replace part of the tests currently performed with animal models. However, further characterization as well as in vitro-in vivo comparison on human cardiovascular model is needed before it may enter into validation.