Modelling Long QT Syndrome in Patient-Specific Cardiomyocytes

Abstract

Ihmisen uudelleenohjelmoidut kantasolut – keino tutkia perinnöllisiä sydäntauteja

Pitkä QT-oireyhtymä on perinnöllinen sydänsairaus, joka ilmenee pidentyneenä QT-aikana sydänsähkökäyrässä (EKG). Pitkä QT-oireyhtymään voi liittyä hengenvaarallisia rytmihäiriöitä, jotka pahimmillaan voivat johtaa äkkikuolemaan. Aiemmin perinnöllisten sydäntautien tutkiminen on ollut haastavaa, sillä ihmisen sydänlihassoluja on vaikea saada potilaista näytteenä tai kasvattaa laboratorio-olosuhteissa soluviljelymaljalla. Nykyään, ihmisen uudelleenohjelmoitujen erittäin monikykyisten kantasolujen (iPS-solut, engl. induced pluripotent stem cells) avulla voidaan tutkia perinnöllisiä tauteja täysin uudella tavalla.

iPS-soluteknologian myötä voidaan uudelleen ohjelmoida kenen tahansa terveen tai perinnöllistä tautia sairastavan potilaan jo erilaistuneet solut takaisin kantasoluiksi laboratorio-olosuhteissa. Nämä iPS-solut sisältävät kyseisen henkilön koko genomin mukaan lukien geenimutaation tai geenimutaatiot, jotka aiheuttavat perinnöllisen taudin. Kyseiset potilas-peräiset iPS-solut voidaan edelleen erilaistaa laboratorio-olosuhteissa soluviljelymaljalla sydänlihassoluiksi, joiden ilmiasu vastaa pitkä QT-oireyhtymälle ominaista taudinkuvaa. Tässä väitöstutkimuksessa hyödynnettiin pitkä QT-potilaiden iPS-soluista erilaistettuja sydänlihassoluja ja selvitettiin kyseisten solujen sähköisiä ominaisuuksia erilaisten lääkkeiden tai ympäristötekijöiden vaikutuksen alaisena.

Väitöstutkimuksessa kehitettiin tietokoneohjelma, jolla voidaan tehokkaasti ja luotettavasti analysoida sydänlihassoluista saatu data. Pitkä QT-potilaiden iPS-soluista erilaistettuja sydänlihassoluja altistettiin erilaisille QT-aikaa pidentäville lääkeaineille tai alentuneelle kalium-pitoisuudelle (hypokalemia) ja selvitettiin sydänlihassolujen sähköisen toiminnan muutoksia eri altistustilanteissa. Sydänlihassoluista saatu data analysoitiin väitöstutkimuksessa kehitetyllä tietokoneohjelmalla.

Tulosten perusteella voidaan sanoa, että pitkä QT-potilaiden iPS-soluista erilaistettujen sydänlihassolujen toiminnallinen vaste eri lääkeaineille tai hypokalemialle on samankaltainen kuin mitä on kliinisesti havaittu. Pitkä QT-sydänlihassolut näyttäisivät siis ilmentävän pitkä QT-oireyhtymälle ominaista taudinkuvaa myös toiminnallisella tasolla. Näin ollen kyseisten solujen avulla voitaisiin tulevaisuudessa selvittää tarkemmin pitkä QT-oireyhtymän tautimekanismeja sähköisen toiminnan tasolla.

The advent of human induced pluripotent stem cell (hiPSC) technology has revolutionized stem cell research. It is now possible to generate hiPSCs from any individual, either healthy or diseased, for studying the pathophysiology of inheritable diseases and discovering new drugs. Moreover, in the future, hiPSCs may be utilized in personalized regenerative medicine-based applications.

In the laboratory, hiPSCs can be cultured and differentiated into specific cell types, including cardiomyocytes. The electrical activity of differentiated cardiomyocytes can be assessed intracellularly by patch clamp techniques or extracellularly by multielectrode arrays (MEAs). The electrical activity of hiPSC-derived cardiomyocytes corresponds to electrocardiogram (ECG) recordings of whole human heart. The QT-interval of the ECG represents the ventricular depolarization and repolarization and is measured from the beginning of the Q wave of the QRS complex to the end of the repolarizing T wave. The action potential duration and field potential duration values that are obtained from hiPSC-derived cardiomyocytes serve as surrogates for QT-interval of an ECG. Indeed, hiPSC-derived cardiomyocytes are of major interest for investigations into cardiac safety and drug development.

Long QT syndrome (LQTS) is an acquired or inheritable cardiac disorder characterized by a prolonged QT-interval on ECG. This condition predisposes an individual to life-threatening arrhythmias. LQTS results from mutations in cardiac ion channel-encoding genes. Certain pharmacological drugs or electrolyte imbalances (e.g., hypokalaemia) that prolong the QT-interval may increase the susceptibility of patients with LQTS to life-threatening arrhythmias. The estimated clinical prevalence of LQTS is approximately 1:5000. However, in Finland, molecular genetic screening has revealed that 1 in 250 Finns carry gene mutations predisposing them to LQTS.

This dissertation describes the electrical activity present in hiPSC-derived wild-type and LQT cardiomyocytes under pharmacological and hypokalaemic challenge as well as the development of a novel software package capable of analysing cardiomyocyte MEA data. With the software, the accuracy, reliability and throughput rate of data analysis were improved. At baseline, the LQT cardiomyocytes appeared to recapitulate clinical observations. Although the LQT cardiomyocytes responded to QT-interval-prolonging drugs as expected, no clear conclusion could be drawn regarding whether these cardiomyocytes are more susceptible to drugs than wild-type cardiomyocytes. However, under hypokalaemic conditions, the LQT cardiomyocytes appeared to be more sensitive to hypokalaemia-induced repolarization time prolongation and arrhythmias. In conclusion, hiPSC-derived cardiomyocytes provide a valuable model for studying the features and pathophysiology of LQTS.