FAQ
© 2019 Staats- und Universitätsbibliothek
Hamburg, Carl von Ossietzky

Öffnungszeiten heute09.00 bis 24.00 Uhr alle Öffnungszeiten

Eingang zum Volltext in OPUS

Hinweis zum Urheberrecht

Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-97904
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/9790/


Establishment of human engineered atrial heart tissue and an optogenetic arrhythmia model

Entwicklung von humanem künstlichen atrialen Herzgewebe und einem optogenetischen Arrhythmie-Modell

Lemme, Marta

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (8.338 KB) 


Basisklassifikation: 44.38 , 42.13 , 44.85 , 44.39
Institut: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin, Gesundheit
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Eschenhagen, Thomas (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.05.2019
Erstellungsjahr: 2019
Publikationsdatum: 13.06.2019
Kurzfassung auf Englisch: Atrial fibrillation (AF) is the most common cardiac arrhythmia occurring in about 2% of the general population. Current pharmacological therapies for AF are limited by low efficacy and disastrous side effects. Human atrial tissue is an invaluable model to develop new therapeutic options. However, access to human tissue is limited. Cardiomyocytes (CMs) generated from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) have repeatedly demonstrated their potential in disease modeling and preclinical drug development. However, they are predominantly ventricular-like myocytes. It was previously shown that all-trans retinoic acid (RA) favors atrial CMs differentiation from human pluripotent stem cells (hPSC). Here, hiPSC obtained from healthy donors were treated with RA (1 μmol/L) to differentiate them into atrial-like myocytes. RA-treated and Ctrl hiPSC-CMs resembling atrial and ventricular-like myocytes respectively were used to cast 3D engineered heart tissues (EHTs). Atrial-like EHTs exhibited important structural, molecular and functional characteristics of adult human atrium. Atrial and ventricular phenotype of EHTs was confirmed by direct comparison to left ventricular and right atrial tissues derived from patients undergoing open heart surgery.
Chronic tachypacing is commonly used in animals to induce cardiac dysfunction and to study mechanisms of heart failure and sustained arrhythmias (such as AF). Atrial-like EHTs were generated to investigate whether they can be used as a model for human AF. Optogenetic pacing was applied to avoid cell toxicity by long-term electrical pacing. Optogenetic is based on the use of channelrhodopsin 2 (ChR2), a light sensitive ion channel that once activated by blue light (470 nm), allows influx of cations, mainly Na+ leading to depolarization and generation of action potentials (APs). Ventricular- and atrial-like EHTs, called Ctrl- and RA-EHTs respectively, were transduced with lentivirus expressing ChR2 (H134R) and were chronically optically paced at 3 Hz and 5 Hz, respectively. Optical tachypacing induced electrical remodeling in both Ctrl- and RA-EHTs. Specifically, in Ctrl-EHTs optical tachypacing shortened AP duration and effective refractory period leading to higher tachycardia inducibility. In RA-EHTs, upstroke and conduction velocity speeded up. Spontaneous beating became highly irregular. The tachypacing-induced propensity for arrhythmias of both ventricular- and atrial-like EHTs might be related to altered calcium handling.
In conclusion, this work combined the development of an in vitro model of human atrium and ventricle with a tachypacing protocol based on the recently developed optogenetic technique. Tachypacing induced different remodeling in ventricular- and atrial-like EHTs. These in vitro hiPSC-based models may be useful to improve insight in arrhythmia mechanism and to test new drug candidates.
Kurzfassung auf Deutsch: Vorhofflimmern (VHF) tritt bei 2% der Gesamtbevölkerung auf und ist damit die häufigste Herzrhythmusstörung. Das Problem der derzeitigen pharmakologischen Therapien für VHF ist sowohl die geringe Wirksamkeit als auch schwerwiegende Nebenwirkungen. Für die Entwicklung von neuen pharmakotherapeutischen Ansätzen dient bislang menschliches Herzvorhofgewebe. Menschliches Gewebe ist jedoch nur begrenzt verfügbar. Kardiomyozyten (KM), die aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC) gewonnen werden, haben ihr Potenzial in der Entwicklung von Krankheitsmodellen und für die vorklinische Arzneimittelentwicklung wiederholt unter Beweis gestellt. Die bisher aus hiPSC differenzierten KM ähneln in ihrem Phänotyp allerdings überwiegend ventrikulären KM. Es ist bekannt, dass all-trans Retinsäure (RS) die Differenzierung von atrialen KM aus menschlichen pluripotenten Stammzellen begünstigt. Für die vorliegende Arbeit wurden hiPSC von gesunden Spendern mit RS (1 μmol/L) behandelt, um sie zu KM atrialen Phänotyps zu differenzieren. RS- und Kontroll-hiPSC-KM, die atrialen bzw. ventrikulären Myozyten ähneln, wurden verwendet, um künstliche Herzmuskelgewebe (EHTs) herzustellen. EHTs aus RS-hiPSC-KM zeigten wichtige strukturelle, molekulare und funktionelle Eigenschaften des menschlichen Atriums. Der atriale bzw. ventrikuläre Phänotyp der EHTs wurde im direkten Vergleich mit Gewebe aus dem linken oder rechten Ventrikel von Patienten bestätigt, die sich einer Operation am offenen Herzen unterzogen hatten.
Chronisches Tachypacing wird häufig bei Tieren eingesetzt, um Herzfunktionsstörungen zu induzieren und Mechanismen der Herzinsuffizienz und anhaltender Arrhythmien (wie VHF) zu untersuchen. EHTs aus phänotypisch atrialen KMs wurden generiert, um deren Nutzbarkeit für ein menschliches Vorhofflimmer-Modell zu untersuchen. Um Zelltoxizität durch langfristige elektrische Stimulation zu vermeiden, wurde ein optogenetisches Stimulationsverfahren angewendet. Dieses Verfahren basiert auf der Verwendung von Channelrhodopsin 2 (ChR2), einem lichtempfindlichen Ionenkanal, der, sobald er durch blaues Licht (470 nm) aktiviert wird, den Einstrom von Kationen (hauptsächlich Na+) ermöglicht, was zur Depolarisation des Membranpotenzials und zur Entstehung von Aktionspotentialen (AP) führt. Ventrikuläre und atriale EHTs, die hier als Strg- und RA-EHTs bezeichnet werden sollen, wurden zunächst mit einem für ChR2 (H134R) codierenden Lentivirus transduziert und chronisch optisch mit einer Frequenz von 3 Hz bzw. 5 Hz stimuliert. Optogenetisches Tachypacing induzierte ein elektrisches Remodeling sowohl bei Strg- als auch bei RA-EHTs. Insbesondere in Strg-EHTs verkürzte optisches Tachypacing die AP-Dauer und die effektive Refraktärzeit, was das Induzieren von Tachykardien vereinfachte. Bei RS-EHTs beschleunigten sich die Aufstrichgeschwindigkeit und Erregungsleitung. Die spontanen Kontraktionen wurden unregelmäßig. Die durch Tachypacing ausgelöste Neigung zu Arrhythmien sowohl ventrikulärer als auch atrialer EHTs könnte auf verändertes Calcium-Handling zurückzuführen sein.
Diese Arbeit kombiniert die Entwicklung eines in vitro-Modells für menschliches atriales und ventrikuläres Myokard mit einem Tachypacing-Modell, welches auf der erst kürzlich entwickelten optogenetischen Stimulationstechnik basiert. Tachypacing löste unterschiedliche elektrophysiologische Veränderungen in atrialen und ventrikulären EHTs aus. Diese hiPSC-KM basierten Modelle könnten neue Einblicke in die dem VHF zugrunde liegenden Mechanismen geben und außerdem die Testung neuer therapeutischer Substanzen in einem humanen Modell ermöglichen.

Zugriffsstatistik

keine Statistikdaten vorhanden
Legende