ヒト胚およびヒト誘導多能性幹細胞由来心筋細胞の拍動率の変動性に対する抗不整脈薬の効果

胚性幹細胞（ESC）由来組織は、たとえばin vivo生物学的ペースメーカー、前臨床薬物安全スクリーニングツール、または最終的には細胞補充療法の一部として、さまざまな臨床、前臨床、科学的環境で使用される有望なツールです。ただし、ESC由来の組織を人間のこれらの目的のために定期的に使用する前に、さらなる研究が必要です。これに関連して、本研究の目的は、ヒトESC（HESC）とヒト誘導多能性幹細胞（HIPSC）に対する抗不整脈薬の効果を調べることでした。これは、ビートレートの変動性（BRV）を分析することにより、心筋変動性（BRV）を分析することにより、in vitroに相当するものと見なすことができます。HESCおよびhIPSCに由来する心筋細胞を自然に鼓動するための細胞外磁場電位の短期記録は、微小電極アレイ（MEA）を使用して作成されました。フレカイニド、イバブラジン、メトプロロールの効果をテストしました。BRVのオフライン分析は、主にタイムドメインメソッドに焦点を当てていました。さらに、非線形分析方法が使用されました。薬理学的介入なしの測定値のポアンカレプロットの評価により、散乱プロットの大部分が類似した楕円形の形状を持っていることが明らかになりました。フレカイニドとイバブラジンはBRVパラメーターに大きな影響を与えましたが、メトプロロールはBRVを著しく変化させませんでした。HESCのBRVとHIPSC由来の心筋細胞とin vivoでのHRVの間の顕著な類似性を検出しました。HESCおよびHIPSCに由来する自然発生型心筋細胞の鼓動に対する抗不整体薬物の効果は、一般的に臨床経験と、マウス由来の心筋細胞に基づく以前の研究とも一致していました。結論として、我々の研究は、HESCおよびHIPSC由来の組織が医学と科学における多くの異なる用途に日常的に使用される大きな可能性を指摘しています。

Embryonic stem cell (ESC) derived tissue is a promising tool to be used in different clinical, preclinical and also scientific settings, for example as in vivo biological pacemaker, preclinical drug safety screening tool or ultimately as part of a cell replacement therapy. However, before ESC derived tissue can be used routinely for these purposes in humans, further studies are needed. In this context, the aims of the present study were to examine the effect of antiarrhythmic drugs on human ESC (hESC) und human induced pluripotent stem cell (hiPSC) derived cardiomyocytes by analyzing the beat rate variability (BRV), which can be considered as the in vitro equivalent of the heart rate variability (HRV) in vivo. Short-term recordings of extracellular field potentials of spontaneously beating cardiomyocytes derived from hESCs and hiPSCs were made using Microelectrode Arrays (MEA). The effect of Flecainide, Ivabradine and Metoprolol was tested. The offline analysis of the BRV was mainly focused on time domain methods. Additionally a non-linear analysis method was used. The evaluation of the Poincaré-Plots of the measurements without pharmacological intervention revealed that the vast majority of the scatter plots have a similar, ellipsoid shape. Flecainide and Ivabradine influenced BRV parameters significantly, whereas Metoprolol did not alter the BRV markedly. We detected remarkable similarities between the BRV of hESC and hiPSC derived cardiomyocytes in vitro and the HRV in vivo. The effect of antiarrhythmic drugs on spontaneously beating cardiomyocytes derived from hESC and hiPSC was generally consistent with clinical experiences and also with our previous study based on murine ESC derived cardiomyocytes. In conclusion, our study points out the great potential of hESC and hiPSC derived tissue to be used routinely for many different applications in medicine and science.