Реконструкція потенціалів дії серцевих клітин з позаклітинних потенціалів поля

Автор(и)

  • Наталія Георгіївна Іванушкіна Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна http://orcid.org/0000-0001-8389-7906
  • Катерина Олегівна Іванько Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Україна http://orcid.org/0000-0002-3842-2423
  • Михайло Олександрович Шпотак Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0002-4706-7603
  • Юрій Васильович Прокопенко Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0001-6366-9279

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347022090047

Ключові слова:

системи з мікроелектродними решітками, обернена задача електрофізіології, потенціали поля, потенціали дії, лабораторія на чипі, штучні серцеві клітини, кардіотоксичність

Анотація

Ключовими напрямами застосування систем з мікроелектродними решітками (МЕР) є вивчення механізмів захворювань та тестування впливу ліків на організм людини за допомогою технологій «Лабораторія на чипі» на основі досліджень штучно вирощених клітин. Зусилля багатьох вчених спрямовано на обробку та аналіз інформації, отриманої системами з МЕР, що допомагає лікарям у створенні ефективних стратегій лікування. Однак, потенціали поля (ПП) серцевих клітин, зареєстровані МЕР системами у неінвазивних вимірюваннях, дають неповну інформацію для оцінювання іонних струмів, у порівнянні з інвазивними вимірами потенціалу дії (ПД), отриманими за допомогою технології петч-кламп. Дослідження присвячено математичному визначенню взаємозв’язку між сигналами електричної активності кардіоміоцитів: внутрішнього ПД та зовнішнього ПП. У статті запропоновано метод розв’язання оберненої задачі взаємозв’язку між ПД і ПП. Рівняння для передавальних функцій між ПД і ПП отримано на основі теорії поля. В роботі наведено результати моделювання реконструкції ПД з виміряних ПП, що демонструє зміну морфології та параметрів цих сигналів під впливом диметилсульфоксиду (ДМСО). Сигнали ПП зареєстровані шляхом використання неруйнівної електрофізіологічної технології на основі мікроелектродних коаксіальних направляючих (mECG), яка може вважатися різновидом МЕР.

Посилання

P. Garg, V. Garg, R. Shrestha, M. C. Sanguinetti, T. J. Kamp, J. C. Wu, “Human induced pluripotent stem cell–derived cardiomyocytes as models for cardiac channelopathies,” Circ. Res., vol. 123, no. 2, pp. 224–243, 2018, doi: https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.118.311209.

N. Azizipour, R. Avazpour, D. H. Rosenzweig, M. Sawan, A. Ajji, “Evolution of biochip technology: A review from lab-on-a-chip to organ-on-a-chip,” Micromachines, vol. 11, no. 6, p. 599, 2020, doi: https://doi.org/10.3390/mi11060599.

J. Piñero, L. I. Furlong, F. Sanz, “In silico models in drug development: where we are,” Curr. Opin. Pharmacol., vol. 42, pp. 111–121, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.coph.2018.08.007.

H.-J. Huang, Y.-H. Lee, Y.-H. Hsu, C.-T. Liao, Y.-F. Lin, H.-W. Chiu, “Current strategies in assessment of nanotoxicity: alternatives to in vivo animal testing,” Int. J. Mol. Sci., vol. 22, no. 8, p. 4216, 2021, doi: https://doi.org/10.3390/ijms22084216.

L. D. Garma et al., “Cost-effective and multifunctional acquisition system for in vitro electrophysiological investigations with multi-electrode arrays,” PLOS ONE, vol. 14, no. 3, p. e0214017, 2019, doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0214017.

L. G. J. Tertoolen, S. R. Braam, B. J. van Meer, R. Passier, C. L. Mummery, “Interpretation of field potentials measured on a multi electrode array in pharmacological toxicity screening on primary and human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes,” Biochem. Biophys. Res. Commun., vol. 497, no. 4, pp. 1135–1141, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2017.01.151.

M. Talkhabi, N. Aghdami, H. Baharvand, “Human cardiomyocyte generation from pluripotent stem cells: A state-of-art,” Life Sci., vol. 145, pp. 98–113, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.lfs.2015.12.023.

P. Mulder et al., “Predicting cardiac safety using human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes combined with multi-electrode array (MEA) technology: A conference report,” J. Pharmacol. Toxicol. Methods, vol. 91, pp. 36–42, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.vascn.2018.01.003.

J. Ma et al., “High purity human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes: electrophysiological properties of action potentials and ionic currents,” Am. J. Physiol. Circ. Physiol., vol. 301, no. 5, pp. H2006–H2017, 2011, doi: https://doi.org/10.1152/ajpheart.00694.2011.

A. S. T. Smith, J. Macadangdang, W. Leung, M. A. Laflamme, D.-H. Kim, “Human iPSC-derived cardiomyocytes and tissue engineering strategies for disease modeling and drug screening,” Biotechnol. Adv., vol. 35, no. 1, pp. 77–94, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2016.12.002.

P. W. Burridge, G. Keller, J. D. Gold, J. C. Wu, “Production of De Novo Cardiomyocytes: Human pluripotent stem cell differentiation and direct reprogramming,” Cell Stem Cell, vol. 10, no. 1, pp. 16–28, 2012, doi: https://doi.org/10.1016/j.stem.2011.12.013.

S. Casini, A. O. Verkerk, C. A. Remme, “Human iPSC-derived cardiomyocytes for investigation of disease mechanisms and therapeutic strategies in inherited arrhythmia syndromes: Strengths and limitations,” Cardiovasc. Drugs Ther., vol. 31, no. 3, pp. 325–344, 2017, doi: https://doi.org/10.1007/s10557-017-6735-0.

L. A. Annecchino, S. R. Schultz, “Progress in automating patch clamp cellular physiology,” Brain Neurosci. Adv., vol. 2, p. 239821281877656, 2018, doi: https://doi.org/10.1177/2398212818776561.

S. A. Mann et al., “Recording of multiple ion current components and action potentials in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes via automated patch-clamp,” J. Pharmacol. Toxicol. Methods, vol. 100, p. 106599, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.vascn.2019.106599.

T. J. Herron, P. Lee, J. Jalife, “Optical imaging of voltage and calcium in cardiac cells & tissues,” Circ. Res., vol. 110, no. 4, pp. 609–623, 2012, doi: https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.111.247494.

M. C. Müllenbroich et al., “Novel optics-based approaches for cardiac electrophysiology: A review,” Front. Physiol., vol. 12, 2021, doi: https://doi.org/10.3389/fphys.2021.769586.

E. Tanumihardja, D. S. de Bruijn, R. H. Slaats, W. Olthuis, A. van den Berg, “Monitoring contractile cardiomyocytes via impedance using multipurpose thin film ruthenium oxide electrodes,” Sensors, vol. 21, no. 4, p. 1433, 2021, doi: https://doi.org/10.3390/s21041433.

M. F. Peters, C. W. Scott, R. Ochalski, Y. P. Dragan, “Evaluation of cellular impedance measures of cardiomyocyte cultures for drug screening applications,” ASSAY Drug Dev. Technol., vol. 10, no. 6, pp. 525–532, 2012, doi: https://doi.org/10.1089/adt.2011.442.

M. F. Peters, S. D. Lamore, L. Guo, C. W. Scott, K. L. Kolaja, “Human stem cell-derived cardiomyocytes in cellular impedance assays: Bringing cardiotoxicity screening to the front line,” Cardiovasc. Toxicol., vol. 15, no. 2, pp. 127–139, 2015, doi: https://doi.org/10.1007/s12012-014-9268-9.

B. Koci et al., “An impedance-based approach using human iPSC-derived cardiomyocytes significantly improves in vitro prediction of in vivo cardiotox liabilities,” Toxicol. Appl. Pharmacol., vol. 329, pp. 121–127, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.taap.2017.05.023.

C. W. Scott, X. Zhang, N. Abi-Gerges, S. D. Lamore, Y. A. Abassi, M. F. Peters, “An impedance-based cellular assay using human iPSC-derived cardiomyocytes to quantify modulators of cardiac contractility,” Toxicol. Sci., vol. 142, no. 2, pp. 331–338, 2014, doi: https://doi.org/10.1093/toxsci/kfu186.

G. Melle et al., “Intracellular recording of human cardiac action potentials on market-available multielectrode array platforms,” Front. Bioeng. Biotechnol., vol. 8, 2020, doi: https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00066.

M. Dipalo et al., “Plasmonic meta-electrodes allow intracellular recordings at network level on high-density CMOS-multi-electrode arrays,” Nat. Nanotechnol., vol. 13, no. 10, pp. 965–971, 2018, doi: https://doi.org/10.1038/s41565-018-0222-z.

G. C. Messina et al., “Spatially, temporally, and quantitatively controlled delivery of broad range of molecules into selected cells through plasmonic nanotubes,” Adv. Mater., vol. 27, no. 44, pp. 7145–7149, 2015, doi: https://doi.org/10.1002/adma.201503252.

S. R. Braam, L. Tertoolen, A. van de Stolpe, T. Meyer, R. Passier, C. L. Mummery, “Prediction of drug-induced cardiotoxicity using human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes,” Stem Cell Res., vol. 4, no. 2, pp. 107–116, 2010, doi: https://doi.org/10.1016/j.scr.2009.11.004.

S. Nachimuthu, M. D. Assar, J. M. Schussler, “Drug-induced QT interval prolongation: mechanisms and clinical management,” Ther. Adv. Drug Saf., vol. 3, no. 5, pp. 241–253, 2012, doi: https://doi.org/10.1177/2042098612454283.

F. Stillitano et al., “Modeling susceptibility to drug-induced long QT with a panel of subject-specific induced pluripotent stem cells,” eLife, vol. 6, 2017, doi: https://doi.org/10.7554/eLife.19406.

Н. Г. Іванушкіна, К. О. Іванько, М. О. Шпотак, Ю. В. Прокопенко, “Розв’язання оберненої задачі взаємозв’язку між потенціалами дії та потенціалами поля в серцевих клітинах,” Вісник НТУУ “КПІ”. Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування, no. 85, pp. 53–59, 2021, doi: https://doi.org/10.20535/RADAP.2021.85.53-59.

R. Visone et al., “Micro-electrode channel guide (µECG) technology: an online method for continuous electrical recording in a human beating heart-on-chip,” Biofabrication, vol. 13, no. 335026, 2021, doi: https://doi.org/10.1088/1758-5090/abe4c4.

A. O. Verkerk et al., “Single cells isolated from human sinoatrial node: Action potentials and numerical reconstruction of pacemaker current,” in 2007 29th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2007, pp. 904–907, doi: https://doi.org/10.1109/IEMBS.2007.4352437.

C. Rickert, C. Proenza, “ParamAP: Standardized parameterization of sinoatrial node myocyte action potentials,” Biophys. J., vol. 113, no. 4, pp. 765–769, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.07.001.

M. Verheijen et al., “DMSO induces drastic changes in human cellular processes and epigenetic landscape in vitro,” Sci. Reports, vol. 9, no. 1, p. 4641, 2019, doi: https://doi.org/10.1038/s41598-019-40660-0.

X. Zhang et al., “Multi-parametric assessment of cardiomyocyte excitation-contraction coupling using impedance and field potential recording: A tool for cardiac safety assessment,” J. Pharmacol. Toxicol. Methods, vol. 81, pp. 201–216, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.vascn.2016.06.004.

H. Ando et al., “A new paradigm for drug-induced torsadogenic risk assessment using human iPS cell-derived cardiomyocytes,” J. Pharmacol. Toxicol. Methods, vol. 84, pp. 111–127, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.vascn.2016.12.003.

Схематичне зображення розташування двох джерел струму (I1, I2) та двох точок спостереження (E1, E2) у простор

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-07-22 — Оновлено 2022-07-22

Як цитувати

Іванушкіна, Н. Г., Іванько, К. О., Шпотак, М. О., & Прокопенко, Ю. В. (2022). Реконструкція потенціалів дії серцевих клітин з позаклітинних потенціалів поля. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 65(7), 420–432. https://doi.org/10.20535/S0021347022090047

Номер

Розділ

Оригінальні статті