心筋細胞機能評価

Heat map of cardiomyocytes beating
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電気的な活動を有する細胞の開発とその機能評価は、多くの課題を伴います。幹細胞から分化された心筋細胞の複雑な機能の評価は、イメージングや発現アッセイのみでは決して十分とは言えません。Maestro Pro/Edgeでは、iPS 細胞から分化した心筋細胞などの電気的な活動の評価を、簡単に行って頂くことができます。

プレート底面に埋め込まれた複数の微小電極を用いて心筋細胞の電気的な活動を測定します。試薬、侵襲電極を使用しないラベルフリーの測定で、心筋細胞の成熟に伴う活動の変化を、数週間に渡ってトラッキングすることも可能です。測定されたデータは専用ソフトで解析し、様々な指標による解析結果が得られます。

 

ヒト幹細胞由来心筋細胞の分化評価


ヒト多能性幹細胞由来心筋細胞 (hPSC-CMs) は、遺伝性或いは薬剤誘発による不整脈の検証に有用です。疾患モデルの hPSC-CMs が効率的に作成可能、また、その分化過程や分化後の検証も比較的容易であることから、広く関連研究に利用されています。また、不整脈における遺伝的多様性の検証なども比較的容易になりました。

本事例では、STEMdiff™ Cardiomyocyte Differentiation and Maintenance Kits (STEMCELL Technologies社) を用いて、ヒト多能性幹細胞を心筋細胞に分化させ、その機能をMaestro MEAを用いて評価しました。

hPSCs plates on a multiwell microelectrode array assay and function ephys recorded daily

 

h1 hiPSC-CMs were used to record beat period
1C hiPSC-CMs were used to record beat period
H1 FPD
1C FPD

 

 

(A) CytoView MEA 48 well プレート上で、STEMdiff™ Cardiomyocyte Differentiation and Maintenance Kits を用いて、2種類の ES 細胞株 (H1、H9) 及び2種類の iPS 細胞株(1C、F016) を心筋細胞に分化させ、8~25日目に渡り毎日 Maestroにて自発応答を測定した。(B) 心筋細胞の自発活動は14日目から検出され、25日目まで継続して検出された。100% の well から規則的な心筋細胞の拍動応答が得られ、安定した拍動は25日目まで持続した。細胞種間のばらつきは少なく、拍動間隔は0.795-1.27 sec、FPDは 117-326 ms、また拍動間隔の不規則性は10%以内が示された。


本事例にて、Maestro MEAと STEMdiff™ Cardiomyocyte Differentiation and Maintenance Kits が、多能性幹細胞由来心筋細胞を用いたハイスループット或いはミディアムスループットの創薬・心毒性スクリーニングにおいて有用であることが示されました。(データ提供: STEMCELL Technoglvies, Macri et al. ISSCR 2017。ウェビナー: Recreating irregular heart beats with patient cells and gene editing)

 

Cardiac development assay protocol

Maestro Pro/Edge による心筋細胞機能評価は非常に簡単です。

コーティングされたMEAプレート上に細胞を播種します (Day 0)。必要試薬などを添加しながら、プレート上で心筋細胞へ分化させます。

データ測定日 (例: Day 7+) にプレートを Maestro に搭載し測定を行います。ラベルフリーの測定で、培養期間中、何度でも繰り返しの測定が可能です。データは付属のソフトで解析可能です。

 

 

multiwell microelectrode array (MEA) system in lab

 

Maestro MEA による心筋細胞機能評価:特徴

  • ラベルフリー・リアルタイムで細胞の電気的な活動を測定 - プレート上の電極を用いて心筋細胞の活動電位を測定します。ラベルフリー、リアルタイムな測定は、試薬など2次的要因によるゆがみがなく、細胞の変化をより正確にとらえます。また、数日から数週間に渡る慢性評価にも最適です。

  • 1システムで4種類のアッセイ - Maestro Pro/Edgeでは、1枚のプレートで次の4種類のアッセイが行えます。[1] 細胞外電位応答 [2] シグナル伝播 [3] Contractility (弛緩収縮評価) [4] LEAP (活動電位形態シグナル)

  • 同一プレート上で培養から測定まで - MEAプレート上で直接細胞を培養し、測定します。環境要因による変化を最小限にとどめながら、細胞への負担が少ない状態で、細胞の変化を検出することができます。

  • 安定した環境下での実験 - 安定した環境下での実験 - 温度・CO₂ 濃度は、装置搭載のコントローラで自動制御されます。また、Maestro は外来ノイズ・振動に影響されにくい設計になっています。安定した環境で毎日安心して実験に望めます。

  • 簡単操作 - 簡単操作 - 電気生理未経験の方でも簡単に実験が行えます。MEAプレート上に細胞を培養し、装置に搭載するだけで、心筋細胞の電気的な活動の測定が可能です。付属のソフトウエアパッケージを用いて、数クリックで複数の指標に基づいた解析結果が得られ、結果の作表まで行うことができます

 

Cardiac MEA technology

Cardiac MEA

 

What is a microelectrode array (MEA)?

Microelectrode arrays (MEA), also known as multielectrode arrays, contain a grid of tightly spaced electrodes embedded in the culture surface of the well. Electrically active cells, such as cardiomyocytes, are cultured on top of the electrodes. When neurons fire action potentials, the electrodes measure the extracellular voltage on a microsecond timescale. As the cells attach and connect with one another, an MEA can simultaneously sample from many locations across the culture to detect propagation and synchronization of cardiac activity across the syncytium.

That’s it, an electrode and your cells. No dyes, no incubation steps, no perfusion, no positioning things just-so; just your cells in a well. Because the electrodes are extracellular (they do not poke into the cells), the recording is noninvasive and does not alter the behavior of the cells, you can measure the activity of your culture for seconds or even months!

CytoView well bottom

An MEA of 64 electrodes embedded in the substate at the bottom of a well.

Rendering of cells growing over the electrodes at the bottom of the well

Cardiomyocytes attach to the array and form a network. The microelectrodes detect the action potentials fired as well as their propagation across the network.

 

Heartbeats in a dish

When cardiomyocytes are cultured on top of an MEA, they attach and connect to form a spontaneously beating sheet of cells, called a syncytium. When one cardiomyocyte fires an action potential, the electrical activity propagates across the syncytium causing each cell to fire and then contract. The electrodes detect each individual action potential and contraction, as well as the propagation of this activity across the array.

The propagating electrical signal is detected by the electrodes as an extracellular field potential. The field potential derives from the underlying cardiac action potential, but more closely resembles a clinical electrocardiogram (ECG) signal. The initial depolarization phase is seen as a sharp spike, similar to the QRS complex, and the slow repolarization is seen as a small slow spike, like a T-wave. The time from the depolarization to repolarization is termed the field potential duration (FPD) and is a key metric in predictive cardiotoxicity screening assays.

While most record the cardiac field potential, the Maestro Pro and Edge MEA systems can also measure local extracellular action potentials, or LEAP. LEAP induction increases the coupling between the microelectrodes and the cardiomyocytes, transforming the extracellular signal from a field potential to an action potential. LEAP provides additional and complementary metrics such as rise time, action potential duration (APD), triangulation, and automated early after depolarization (EAD) detection.

Cardiac Action potential propogates across the cells in the syncytium.

The cardiac action potential propagates from cell to cell across the syncytium. The MEA detects this activity as an extracellular field potential, which closely resembles the clinical ECG.

 

Do more with multiwell  

 

Axion BioSystems offers multiwell plates at many throughputs, from 6-wells to 96-wells, with an MEA embedded in the bottom of each well. Each well represents its own unique cell culture and conditions, creating up to 96 experiments on one plate. Multiwell MEA allows you to study complex human biology in a dish, from a single cell firing to network activity, across many conditions and cell types at once.