Die Herstellung von kardialem 3D Gewebe zur Erforschung des Hypoplastischen Linksherzsyndromes und anderer Erkrankungsphänotypen

Abstract

Congenital heart diseases are a difficult target for clinical and developmental studies. Particularly, the investigation of pathophysiologic changes in early stages of cardiogenesis is vastly limited because of the restricted access to patient material at different stages of human development. The advent of hiPSC technology and the possibility of generating patient- specific hiPSC-cardiomyocytes solved the obstacles of limited tissue access to some extent, providing a new platform for molecular investigation. Hypoplastic left heart syndrome (HLHS) is a congenital cardiac malformation in which the heart consists of a single pumping chamber responsible for the body circulation, consisting of the right ventricle, whereas passive venous flow to the lungs maintains the pulmonary circulation. In several hiPSC-CM models recapitulating common HLHS mutations, important findings suggest an underlying cell cycle defect and an immature phenotype of diseased HLHS cardiomyocytes (CM). Nevertheless, a major drawback of hiPSC-derived cardiomyocytes (hiPSC-CM) is their lack of the mature subcellular organization, electromechanical properties, and three-dimensionality that are seen in differentiated human cardiomyocytes. These immature properties of standard-cultured hiPSC-CMs consequently limit the exploration of disease phenotypes. In the current study, hiPSC-CMs were successfully seeded onto decellularized non-human primate ventricular myocardium (cECM), thereby generating 3D heart patches. By subjecting these 3D heart patches to specialized biomimetic culture conditions consisting of continuous mechanical preload and electrical field stimulation, a significant increase in structural and functional maturation of hiPSC-CM was achieved. By partially overcoming the limitation of cellular immaturity, 3D cECM heart patches were generated from healthy and diseased hiPSC-CMs of three different HLHS patient lines. The dynamic readout of contraction force and beating rate analysis revealed significant differences between patient and control lines in terms of contractility, excitability and cell type identity. This study demonstrates that certain disease phenotypes can only be recapitulated and investigated by a 3D biomimetic culture.Seit Beginn der erfolgreichen Differenzierung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC) zu Kardiomyozyten (hiPSC-CM) wurde eine neuartige molekulare Untersuchung verschiedenster genetischer Mutationen im Kontex von intakten, lebenden humanen Zellen möglich, welches das Krankheitsverständnis vertieft und die Identifizierung pathophysiologischer Vorgänge unterschiedlichster kardiovaskulärer Erkrankungen ermöglicht hat. Das hiPSC-CM Zellmodell bietet sich auch für die Erforschung von kongenitalen Herzerkrankungen an. Diese sind meist heterogene Krankheitsentitäten, die kardiovaskuläre Malformationen während der embryonalen Entwicklung umfassen und die unterschiedlichsten Mutationen und klinischen Ausprägungen beinhalten. Zu dieser Gruppe zählt auch das hypoplastische Linksherzsyndrom (HLHS). Hierbei handelt es sich um eine kongenitale kardiale Malformation, bei der das Herz aus einer einzigen Kammer besteht, die für die Kreislaufversorgung verantwortlich ist. Diese Kammer wird dabei klassischerweise vom rechten Ventrikel gebildet, da der linke Ventrikel nur hypoplastisch und weitestgehend funktionslos angelegt ist. Der zugrunde liegende Pathomechanismus sowie eindeutige krankheitsverursachende Mutationen sind noch nicht im Detail erforscht, weshalb verschiedenste Hypothesen zum Pathomechanismus des HLHS bestehen. Durch die molekulare Aufarbeitung verschiedener HLHS-Patienten im hiPSC- Modell konnte bereits ein besseres Verständnis der Zelldefekte erzielt werden. Nichtsdestotrotz ist die Erforschung des Krankheitsphänotypes dadurch limitiert, dass hiPSC-CM einen imaturen Phänotyp besitzen, der nicht alle Funktionen von reifen Kardiomyozyten rekapitulieren kann. In der für diese Arbeit durchgeführte Studie wurden hiPSC von gesunden Probanden sowie drei verschiedene HLHS-Patientenlinien erfolgreich zu Kardiomyozyten differenziert. Auf der Basis von dezellularisiertem Primaten-Myokard wurde anschließend ein 3D-Herzpatch generiert, das eine verbesserte Maturierung der Zellen ermöglicht. Zudem wurden die 3D-Herzpatches unter physiologischer Vorspannung kontinuierlich elektrisch stimuliert. Diese biomimetische Kultur konnte signifikante Unterschiede zwischen Patienten und Kontrolllinien hinsichtlich Kontraktilität, Stimulierbarkeit und Zellidentität zeigen und stellt somit ein valides und wertvolles Tool zur besseren Erforschung unterschiedlicher Krankheiten dar