Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Disease Model for Catecholaminergic Polymorphic Ventricular Tachycardia

Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) offer significant opportunities for cardiac research. With this technology, it is possible to create patient-specific stem cell lines and differentiate them into cardiomyocytes for cardiac research. hiPSC technology has created many expectations for new therapeutic possibilities, and it holds promise for use in drug-testing platforms and in patient-specific drug therapy optimization, as well as later in regenerative medicine.Catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia (CPVT) is an inherited, highly lethal arrhythmogenic cardiac disorder. It is primarily caused by cardiac ryanodine receptor gene (RyR2) mutations that result in abnormal calcium release from the sarcoplasmic reticulum to the cytosol, leading to the generation of afterdepolarizations and triggered activity. The estimated clinical prevalence of CPVT is 1:10000. Intracellular calcium ions are crucial to the function of the heart muscle, and disturbances in this process can have fatal consequences, as observed in CPVT. Understanding the mechanisms of arrhythmia and the role of intracellular calcium in CPVT pathophysiology is important for improving disease prevention, diagnosis, and treatment.The main objective of this work was to develop and characterize models of cardiac cells and to develop and improve techniques for studying electrical field stimulation and calcium cycling of cardiomyocytes. Utilizing electrical field stimulation, the orientation and maturation of neonatal rat cardiomyocytes and the increase in the beating rate of an in vitro disease model for CPVT were studied. For the cell model of CPVT, human iPSC-derived cardiomyocytes were obtained from CPVT patients carrying RyR2 mutations. These iPSCs disease models were used to study the disease mechanisms of CPVT, mutation-specific differences in intracellular calcium cycling and the effect of antiarrhythmic treatment of the cells. Mechanistic insights regarding CPVT arrhythmias and drug responses were also validated in the index patients. Additionally, a new calcium cycling analysis software tool was developed for characterizing abnormal intracellular calcium transients of disease-specific cardiomyocytes.The results of this work demonstrate that patient-specific iPSC-derived cardiomyocytes corresponded to the clinical phenotype in both the pathophysiology and drug responses of CPVT and encourages the continuation of disease modeling utilizing iPSCs. These studies also presented a new mechanism for arrhythmias in CPVT. These findings encourage the translation of findings in basic research to benefit patients in clinical practice, e.g., in the form of potentially new medications

Kantasoluista sykkiviä sydänsoluja

Täsmädiagnostiikkaa, yksilöllistä hoidon optimointia ja räätälöityjä soluhoitoja Sydäninfarkti aiheuttaa sydämen arpeutumisen ja toimintakyvyn menetyksen, koska sydän ei pysty itse korjaamaan vahingoittunutta aluetta. Lisääntynyt kantasolutietämys on herättänyt toiveita uusien hoitomuotojen kehittämisestä sydänlihastuhon korjaukseen. Sitä onkin tutkittu viemällä sydämeen erilaisia aikuisessa ihmisessä olevia kantasoluja, mutta valitettavasti tutkimuksissa tehtyjen hoitojen teho on ollut toistaiseksi vähäinen. Yksi erittäin merkittävä uusi tutkimuksen kohde ovat niin sanotut erittäin monikykyiset kantasolut (alkion kantasolut ja aikuisen uudelleenohjelmoidut kantasolut eli iPS-solut). Nämä molemmat ovat kantasoluja, jotka pystyvät periaatteessa erilaistumaan kaikiksi yksilön soluiksi. iPS-soluja tuotetaan aikuisen jo erilaistuneista soluista, ja ne sisältävät saman genomin kaikkine virheineen kuin solunäytteen luovuttajalla on. iPS-solujen erilaistaminen sydänsoluiksi onkin mahdollistanut esimerkiksi erilaisten perinnöllisten tautien patofysiologian tutkimista laboratorio-olosuhteissa. Kantasoluista erilaistettuja sydänlihassoluja tutkitaan myös lääketestauksessa ja niiden uskotaan mullistavan sekä lääkekehityksen että uusien lääkkeiden turvallisuustestaukset

Kantasoluista sykkiviä sydänsoluja

Täsmädiagnostiikkaa, yksilöllistä hoidon optimointia ja räätälöityjä soluhoitoja Sydäninfarkti aiheuttaa sydämen arpeutumisen ja toimintakyvyn menetyksen, koska sydän ei pysty itse korjaamaan vahingoittunutta aluetta. Lisääntynyt kantasolutietämys on herättänyt toiveita uusien hoitomuotojen kehittämisestä sydänlihastuhon korjaukseen. Sitä onkin tutkittu viemällä sydämeen erilaisia aikuisessa ihmisessä olevia kantasoluja, mutta valitettavasti tutkimuksissa tehtyjen hoitojen teho on ollut toistaiseksi vähäinen. Yksi erittäin merkittävä uusi tutkimuksen kohde ovat niin sanotut erittäin monikykyiset kantasolut (alkion kantasolut ja aikuisen uudelleenohjelmoidut kantasolut eli iPS-solut). Nämä molemmat ovat kantasoluja, jotka pystyvät periaatteessa erilaistumaan kaikiksi yksilön soluiksi. iPS-soluja tuotetaan aikuisen jo erilaistuneista soluista, ja ne sisältävät saman genomin kaikkine virheineen kuin solunäytteen luovuttajalla on. iPS-solujen erilaistaminen sydänsoluiksi onkin mahdollistanut esimerkiksi erilaisten perinnöllisten tautien patofysiologian tutkimista laboratorio-olosuhteissa. Kantasoluista erilaistettuja sydänlihassoluja tutkitaan myös lääketestauksessa ja niiden uskotaan mullistavan sekä lääkekehityksen että uusien lääkkeiden turvallisuustestaukset

Arrhythmia mechanisms in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes

Despite major efforts by clinicians and researchers, cardiac arrhythmia remains a leading cause of morbidity and mortality in the world. Experimental work has relied on combining high-throughput strategies with standard molecular and electrophysiological studies, which are, to a great extent, based on the use of animal models. As this poses major challenges for translation, the progress in the development of novel antiarrhythmic agents and clinical care has been mostly disappointing. Recently, the advent of human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) has opened new avenues for both basic cardiac research and drug discovery: now there is an unlimited source of CMs of human origin, both from healthy individuals and patients with cardiac diseases. Understanding arrhythmic mechanisms is one the main use-cases of hiPSC-CMs, in addition to pharmacological cardiotoxicity and efficacy testing, in vitro disease modeling, developing patient-specific models and personalized drugs, and regenerative medicine. Here, we review the advances that the hiPSC-based modeling systems have brought so far regarding the understanding of both arrhythmogenic triggers and substrates, while also briefly speculating about the possibilities in the future.publishedVersionPeer reviewe

Data analytics for cardiac diseases

publishedVersionPeer reviewe

Antiarrhythmic Effects of Dantrolene in Patients with Catecholaminergic Polymorphic Ventricular Tachycardia and Replication of the Responses Using iPSC Models

Catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia (CPVT) is a highly malignant inherited arrhythmogenic disorder. Type 1 CPVT (CPVT1) is caused by cardiac ryanodine receptor (RyR2) gene mutations resulting in abnormal calcium release from sarcoplasmic reticulum. Dantrolene, an inhibitor of sarcoplasmic Ca2+ release, has been shown to rescue this abnormal Ca2+ release in vitro. We assessed the antiarrhythmic efficacy of dantrolene in six patients carrying various RyR2 mutations causing CPVT. The patients underwent exercise stress test before and after dantrolene infusion. Dantrolene reduced the number of premature ventricular complexes (PVCs) on average by 74% (range 33-97) in four patients with N-terminal or central mutations in the cytosolic region of the RyR2 protein, while dantrolene had no effect in two patients with mutations in or near the transmembrane domain. Induced pluripotent stem cells (iPSCs) were generated from all the patients and differentiated into spontaneously beating cardiomyocytes (CMs). The antiarrhythmic effect of dantrolene was studied in CMs after adrenaline stimulation by Ca2+ imaging. In iPSC derived CMs with RyR2 mutations in the N-terminal or central region, dantrolene suppressed the Ca2+ cycling abnormalities in 80% (range 65-97) of cells while with mutations in or near the transmembrane domain only in 23 or 32% of cells. In conclusion, we demonstrate that dantrolene given intravenously shows antiarrhythmic effects in a portion of CPVT1 patients and that iPSC derived CM models replicate these individual drug responses. These findings illustrate the potential of iPSC models to individualize drug therapy of inherited diseases.Peer reviewe

Automatic Optimization of an in Silico Model of Human iPSC Derived Cardiomyocytes Recapitulating Calcium Handling Abnormalities

The growing importance of human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyoyctes (hiPSC-CMs), as patient-specific and disease-specific models for studying cellular cardiac electrophysiology or for preliminary cardiotoxicity tests, generated better understanding of hiPSC-CM biophysical mechanisms and great amount of action potential and calcium transient data. In this paper, we propose a new hiPSC-CM in silico model, with particular attention to Ca2+ handling. We used (i) the hiPSC-CM Paci2013 model as starting point, (ii) a new dataset of Ca2+ transient measurements to tune the parameters of the inward and outward Ca2+ fluxes of sarcoplasmic reticulum, and (iii) an automatic parameter optimization to fit action potentials and Ca2+ transients. The Paci2018 model simulates, together with the typical hiPSC-CM spontaneous action potentials, more refined Ca2+ transients and delayed afterdepolarizations-like abnormalities, which the old Paci2013 was not able to predict due to its mathematical formulation. The Paci2018 model was validated against (i) the same current blocking experiments used to validate the Paci2013 model, and (ii) recently published data about effects of different extracellular ionic concentrations. In conclusion, we present a new and more versatile in silico model, which will provide a platform for modeling the effects of drugs or mutations that affect Ca2+ handling in hiPSC-CMs

Genomförandeplan för rekommendationerna för utveckling av utbildningarna inom småbarnspedagogik

Utvecklingsforumet för utbildningarna inom småbarnspedagogik, som var verksamt 2019–2020, utredde nuläget för utbildningarna inom småbarnspedagogik och utarbetade ett program för utveckling av utbildningarna. I början av 2021 tillsattes det en expertgrupp för att fortsätta arbetet med utvecklingsprogrammets rekommendationer för utveckling av utbildningarna. Gruppens uppgift var att utarbeta en genomförandeplan som grundar sig på dessa rekommendationer. Expertgruppen överlämnade sitt förslag till genomförandeplan till undervisnings- och kulturministeriet i april 2021. Genomförandeplanen presenteras i den här publikationen. I planen redogörs det för sätt att genomföra utvecklingsrekommendationerna och anges också en ansvarig aktör/ansvariga aktörer och en tidsplan för varje föreslagen åtgärd. Dessutom innehåller planen förslag till mål, uppgifter, struktur, verksamhet och behövliga resurser för det nya Utvecklingsforumet för utbildningarna inom småbarnspedagogik som tillsätts 2021

Varhaiskasvatuksen koulutusten kehittämissuositusten toimeenpanosuunnitelma

Vuosina 2019–2020 toiminut Varhaiskasvatuksen koulutusten kehittämisfoorumi selvitti varhaiskasvatuksen koulutusten nykytilaa ja laati varhaiskasvatuksen koulutusten kehittämisohjelman. Kyseiseen kehittämisohjelmaan sisältyneiden koulutuksen kehittämissuositusten jatkotyöstämistä varten perustettiin alkuvuodesta 2021 asiantuntijatyöryhmä, jonka tehtävänä oli laatia näihin suosituksiin pohjautuva toimeenpanosuunnitelma. Asiantuntijaryhmä luovutti tässä julkaisussa esitellyn toimeenpanosuunnitelmaehdotuksensa opetus- ja kulttuuriministeriölle huhtikuussa 2021. Toimeenpanosuunnitelmassa eritellään kehittämissuositusten toteuttamisen tavat, esitetään kunkin toimenpide-ehdotuksen kohdalla sen toteuttamisen vastuutaho/vastuutahot ja tavoiteltava aikataulu. Lisäksi tehdään ehdotus myöhemmin vuonna 2021 asetettavan uuden Varhaiskasvatuksen koulutusten kehittämisfoorumin tavoitteista, tehtävistä, rakenteesta, toiminnasta ja tarvittavista resursseista