Video image-based analysis of single human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocyte beating dynamics using digital image correlation

Background The functionality of a cardiomyocyte is primarily measured by analyzing the electrophysiological properties of the cell. The analysis of the beating behavior of single cardiomyocytes, especially ones derived from stem cells, is challenging but well warranted. In this study, a video-based method that is non-invasive and label-free is introduced and applied for the study of single human cardiomyocytes derived from induced pluripotent stem cells. Methods The beating of dissociated stem cell-derived cardiomyocytes was visualized with a microscope and the motion was video-recorded. Minimum quadratic difference, a digital image correlation method, was used for beating analysis with geometrical sectorial cell division and radial/tangential directions. The time series of the temporal displacement vector fields of a single cardiomyocyte was computed from video data. The vector field data was processed to obtain cell-specific, contraction-relaxation dynamics signals. Simulated cardiomyocyte beating was used as a reference and the current clamp of real cardiomyocytes was used to analyze the electrical functionality of the beating cardiomyocytes. Results Our results demonstrate that our sectorized image correlation method is capable of extracting single cell beating characteristics from the video data of induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes that have no clear movement axis, and that the method can accurately identify beating phases and time parameters. Conclusion Our video analysis of the beating motion of single human cardiomyocytes provides a robust, non-invasive and label-free method to analyze the mechanobiological functionality of cardiomyocytes derived from induced pluripotent stem cells. Thus, our method has potential for the high-throughput analysis of cardiomyocyte functions.BioMed Central open acces

Effects of cardioactive drugs on human induced pluripotent stem cell derived long QT syndrome cardiomyocytes

Human induced pluripotent stem cells (hiPSC) have enabled a major step forward in pathophysiologic studies of inherited diseases and may also prove to be valuable in in vitro drug testing. Long QT syndrome (LQTS), characterized by prolonged cardiac repolarization and risk of sudden death, may be inherited or result from adverse drug effects. Using a microelectrode array platform, we investigated the effects of six different drugs on the electrophysiological characteristics of human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes as well as hiPSC-derived cardiomyocytes from control subjects and from patients with type 1 (LQT1) and type 2 (LQT2) of LQTS. At baseline the repolarization time was significantly longer in LQTS cells compared to controls. Isoprenaline increased the beating rate of all cell lines by 10-73 % but did not show any arrhythmic effects in any cell type. Different QT-interval prolonging drugs caused prolongation of cardiac repolarization by 3-13 % (cisapride), 10-20 % (erythromycin), 8-23 % (sotalol), 16-42 % (quinidine) and 12-27 % (E-4031), but we did not find any systematic differences in sensitivity between the control, LQT1 and LQT2 cell lines. Sotalol, quinidine and E-4031 also caused arrhythmic beats and beating arrests in some cases. In summary, the drug effects on these patient-specific cardiomyocytes appear to recapitulate clinical observations and provide further evidence that these cells can be applied for in vitro drug testing to probe their vulnerability to arrhythmia.Peer reviewe

Uudelleenohjelmoiduista, erittäin monikykyisistä kantasoluista erilaistetut sydänlihassolut ja pitkä QT oireyhtymä: Solulinjoista tautimalleihin

Ihmisen sydänsolujen tutkimus on ollut haastavaa, koska sydänlihassoluja on vaikea sekä saada että kasvattaa soluviljelyolosuhteissa. Alkion kantasoluista erilaistettuja sydänlihassoluja onkin käytetty sydäntutkimuksessa, vaikka alkioiden käyttöön liittyykin eettisiä kysymyksiä. Uudelleen ohjelmoidut, erittäin monikykyiset kantasolut (iPS-solut, engl. induced pluripotent stem cells) ovat kuitenkin luoneet mahdollisuuksia aivan uudenlaiselle sairauksien tutkimiselle ja diagnosoinnille sekä lääketutkimukselle ja -testaukselle. Ihmisen iPS-solut nimittäin lisääntyvät periaatteessa loputtomasti in vitro ja niitä voidaan erilaistaa miksi tahansa ihmisen solutyypiksi, myös sydänlihassoluiksi. Lisäksi iPS-soluja voidaan uudelleen ohjelmoida kenen tahansa soluista. Tämä mahdollistaa potilas- ja tautispesifisten sydänsolumallien perustamisen, potilaskohtaisen lääkityksen ja hoidon suunnitelemisen sekä mahdollisesti tulevaisuudessa myös kantasoluihin ja kantasolusovelluksiin perustuvien hoitojen kehittämisen. Pitkä QT oireyhtymä (LQTS, engl. long QT syndrome) on sydänsairaus, joka voi olla joko perinnöllinen tai hankittu eli jonkin ulkoisen tekijän, kuten lääkkeen aiheuttama. Sairaus havaitaan potilaan sydänsähkökäyrästä (EKG), ja LQTS-potalaalla on kohonnut riski saada kammioperäisiä, hengenvaarallisia rytmihäiriöitä. LQTS:n maailmanlaajuisen kliinisen esiintyvyyden on arvioitu olevan 1:10 000 - 1:5 000, mutta todennäköisesti sairauden geneettinen esiintyvyys on huomattavasti suurempi. Suomessa LQTS:lle altistavan mutaation kantajia tiedetään olevan jopa 1:250. LQTS on yleisin, vakava lääkkeiden aiheuttama sivuvaikutus ja myös yksi yleisimmistä syistä, joiden vuoksi lääkkeitä joudutaan vetämään pois markkinoilta. On myös arveltu, että kyseiset lääkevaikutukset olisivat vakavampia henkilöillä, jokta kantavat LQTS:lle altistavaa mutaatiota. Tämä väitöskirjatutkimus esittelee iPS-solulinjoja, jotka tehtiin LQTS-potilaiden ihon fibroblasteista ja erilaistettiin sydänlihassoluiksi. LQTS:n fenotyyppi voitiin havaita näissä sydänlihasoluissa pidentyneenä repolarisaatio-aikana. Havaitsemiseen käytetyt menetelmät olivat patch clamp -tekniikka ja Ca2+-kuvantaminen sekä videonauhoituksiin perustuva solujen mekaanisen toiminnan analysointi. Myös eri mutaatioden aiheuttamat erilaiset fenotyypit voitiin erottaa kaikilla näillä kolmella menetelmällä. Yksittäisten sydänlihassolujen sykkeen mekaanisten ominaisuuksien analysointi on täysin uusi tapa määrittää näiden solujen ominaisuuksia ja kyseistä menetelmää voidaan käyttää yhdessä perinteisten elektrofysiologisten- ja ionien pitoisuuksiin perustuvien menetelmien kanssa.Primary human cardiomyocytes are difficult to obtain and maintain in vitro, which has been a major obstacle in cardiac research. For this reason, cardiomyocytes differentiated from human embryonic stem cells have been used as a source of cardiac cells in spite of the ethical issues related to the usage of embryos. However, human induced pluripotent stem (iPS) cells have introduced a novel platform for disease modeling, drug testing and diagnostics because human iPS cells can proliferate and self-renew or, alternatively, differentiate into any cell type in the human body, including cardiomyocytes. In addition, iPS cells can be generated from any individual, which enables the establishment of disease- and patient-specific cardiac models, the design of individualized medications and, possibly in the future, the applications to regenerative medicine. Long QT syndrome (LQTS) is a cardiac disorder that can be either congenital or acquired. The syndrome is characterized by abnormalities in an electrocardiogram (ECG) and an increased risk of developing life-threatening ventricular arrhythmia. The estimated clinical prevalence of LQTS worldwide is between 1:5 000 and 1:10 000, but the increasing identification of asymptomatic mutation carriers indicate that the genetic prevalence may be much higher. In Finland, one out of every 250 people is known to be a carrier of a mutation related to LQTS. Acquired LQTS is the most common severe side effect of medications and one of the most common reasons for the withdrawal of drugs already on the market. Carriers of LQTS-related mutations are thought to be more vulnerable to the adverse effects of different drugs compared to the general population. In the studies presented in this thesis, iPS cells were generated from skin fibroblasts acquired from patients with LQTS, and these iPS cells were differentiated into cardiomyocytes. The LQTS-specific cardiac myocytes reproduced the disease phenotype in vitro with a prolonged repolarization time. The LQTS phenotype was detected using the patch clamp -technique and Ca2+-imaging and by analyzing the mechanical behavior of the beating cardiomyocytes. In addition, different phenotypes caused by different mutations were distinguished using these three methods. The analysis of the mechanical properties of single cardiomyocytes based on video recordings introduced a novel method for characterizing cardiac myocytes that could be used for cardiac research together with electrophysiological techniques and methods based on detecting the ion concentrations in the cells

Uudelleenohjelmoiduista, erittäin monikykyisistä kantasoluista erilaistetut sydänlihassolut ja pitkä QT oireyhtymä: Solulinjoista tautimalleihin

Ihmisen sydänsolujen tutkimus on ollut haastavaa, koska sydänlihassoluja on vaikea sekä saada että kasvattaa soluviljelyolosuhteissa. Alkion kantasoluista erilaistettuja sydänlihassoluja onkin käytetty sydäntutkimuksessa, vaikka alkioiden käyttöön liittyykin eettisiä kysymyksiä. Uudelleen ohjelmoidut, erittäin monikykyiset kantasolut (iPS-solut, engl. induced pluripotent stem cells) ovat kuitenkin luoneet mahdollisuuksia aivan uudenlaiselle sairauksien tutkimiselle ja diagnosoinnille sekä lääketutkimukselle ja -testaukselle. Ihmisen iPS-solut nimittäin lisääntyvät periaatteessa loputtomasti in vitro ja niitä voidaan erilaistaa miksi tahansa ihmisen solutyypiksi, myös sydänlihassoluiksi. Lisäksi iPS-soluja voidaan uudelleen ohjelmoida kenen tahansa soluista. Tämä mahdollistaa potilas- ja tautispesifisten sydänsolumallien perustamisen, potilaskohtaisen lääkityksen ja hoidon suunnitelemisen sekä mahdollisesti tulevaisuudessa myös kantasoluihin ja kantasolusovelluksiin perustuvien hoitojen kehittämisen. Pitkä QT oireyhtymä (LQTS, engl. long QT syndrome) on sydänsairaus, joka voi olla joko perinnöllinen tai hankittu eli jonkin ulkoisen tekijän, kuten lääkkeen aiheuttama. Sairaus havaitaan potilaan sydänsähkökäyrästä (EKG), ja LQTS-potalaalla on kohonnut riski saada kammioperäisiä, hengenvaarallisia rytmihäiriöitä. LQTS:n maailmanlaajuisen kliinisen esiintyvyyden on arvioitu olevan 1:10 000 - 1:5 000, mutta todennäköisesti sairauden geneettinen esiintyvyys on huomattavasti suurempi. Suomessa LQTS:lle altistavan mutaation kantajia tiedetään olevan jopa 1:250. LQTS on yleisin, vakava lääkkeiden aiheuttama sivuvaikutus ja myös yksi yleisimmistä syistä, joiden vuoksi lääkkeitä joudutaan vetämään pois markkinoilta. On myös arveltu, että kyseiset lääkevaikutukset olisivat vakavampia henkilöillä, jokta kantavat LQTS:lle altistavaa mutaatiota. Tämä väitöskirjatutkimus esittelee iPS-solulinjoja, jotka tehtiin LQTS-potilaiden ihon fibroblasteista ja erilaistettiin sydänlihassoluiksi. LQTS:n fenotyyppi voitiin havaita näissä sydänlihasoluissa pidentyneenä repolarisaatio-aikana. Havaitsemiseen käytetyt menetelmät olivat patch clamp -tekniikka ja Ca2+-kuvantaminen sekä videonauhoituksiin perustuva solujen mekaanisen toiminnan analysointi. Myös eri mutaatioden aiheuttamat erilaiset fenotyypit voitiin erottaa kaikilla näillä kolmella menetelmällä. Yksittäisten sydänlihassolujen sykkeen mekaanisten ominaisuuksien analysointi on täysin uusi tapa määrittää näiden solujen ominaisuuksia ja kyseistä menetelmää voidaan käyttää yhdessä perinteisten elektrofysiologisten- ja ionien pitoisuuksiin perustuvien menetelmien kanssa.Primary human cardiomyocytes are difficult to obtain and maintain in vitro, which has been a major obstacle in cardiac research. For this reason, cardiomyocytes differentiated from human embryonic stem cells have been used as a source of cardiac cells in spite of the ethical issues related to the usage of embryos. However, human induced pluripotent stem (iPS) cells have introduced a novel platform for disease modeling, drug testing and diagnostics because human iPS cells can proliferate and self-renew or, alternatively, differentiate into any cell type in the human body, including cardiomyocytes. In addition, iPS cells can be generated from any individual, which enables the establishment of disease- and patient-specific cardiac models, the design of individualized medications and, possibly in the future, the applications to regenerative medicine. Long QT syndrome (LQTS) is a cardiac disorder that can be either congenital or acquired. The syndrome is characterized by abnormalities in an electrocardiogram (ECG) and an increased risk of developing life-threatening ventricular arrhythmia. The estimated clinical prevalence of LQTS worldwide is between 1:5 000 and 1:10 000, but the increasing identification of asymptomatic mutation carriers indicate that the genetic prevalence may be much higher. In Finland, one out of every 250 people is known to be a carrier of a mutation related to LQTS. Acquired LQTS is the most common severe side effect of medications and one of the most common reasons for the withdrawal of drugs already on the market. Carriers of LQTS-related mutations are thought to be more vulnerable to the adverse effects of different drugs compared to the general population. In the studies presented in this thesis, iPS cells were generated from skin fibroblasts acquired from patients with LQTS, and these iPS cells were differentiated into cardiomyocytes. The LQTS-specific cardiac myocytes reproduced the disease phenotype in vitro with a prolonged repolarization time. The LQTS phenotype was detected using the patch clamp -technique and Ca2+-imaging and by analyzing the mechanical behavior of the beating cardiomyocytes. In addition, different phenotypes caused by different mutations were distinguished using these three methods. The analysis of the mechanical properties of single cardiomyocytes based on video recordings introduced a novel method for characterizing cardiac myocytes that could be used for cardiac research together with electrophysiological techniques and methods based on detecting the ion concentrations in the cells

Vapaaehtoiset kotisaattohoitajat : Työn käynnistys Pieksämäen evankelis-luterilaisessa seurakunnassa

Opinnäytetyön tavoitteena oli luoda malli seurakuntien diakoniatyöhön uudelle vapaaehtoistyön muodolle, vapaaehtoiselle kotisaattohoidolle. Toiminta käynnistettiin Pieksämäen evankelis-luterilaisessa seurakunnassa vuoden 2009 alussa. Toiminnan tärkein tavoite oli mahdollistaa saattohoitopotilaan toive saada viettää elämänsä viimeiset päivät kotona. Tavoitteeseen pyrittiin tekemällä tiivistä yhteistyötä Pieksämäen kaupungin tehostetun kotihoidon tiimin kanssa. Kyseessä oli toiminnallinen tutkimus. Opinnäytetyön tekijä osallistui itse toimintaan vapaaehtoisena. Toiminnallisen tutkimuksen periaatteiden mukaisesti toimintaa kehitettiin yhdessä keskustellen jokaisen potilastapauksen jälkeen. Opinnäytetyössä esitellään lähteiden avulla saattohoidon tilannetta Suomessa, kotisaattohoitoa ja yleisimpiä saattohoitopotilaan ja omaisten tarpeita. Opinnäytetyössä kuvataan vapaaehtoistyön käynnistysprosessi ja saatujen kokemusten pohjalta kehitetty toimintamalli. Potilaan ja omaisten tarpeiden ja tarjotun tuen kohtaamista tutkittiin yhden esimerkkitapauksen avulla. Tätä tapausta tarkastellaan sekä omaisen, kotisairaanhoitajan että vapaaehtoisen näkökulmasta. Toiminta käynnistyi Pieksämäellä hitaasti, mutta kotihoidolta ja omaisilta saatu palaute oli hyvin positiivista. Kotihoidon edustajan näkemyksen mukaan vapaaehtoisten antama tuki on erittäin tärkeää kotisaattohoidon onnistumiseksi. Toimintaa kehitetään edelleen yhdessä Pieksämäen kaupungin kotihoidon ja Saimaan Syöpäyhdistyksen kanssa.This development project was carried out to create a model for a new form of voluntary work in Lutheran Parishes. The project was launched in the beginning of the year 2009. The main goal of this work was to enable terminally ill patients to die at home if they chose to do so. This goal was reached by working together with the intensive home nursing team of Pieksämäki town. This project was an action research in practice. The researcher took part in this project by working as a volunteer helper. After every case the group of volunteers discussed it together. The working procedure was improved according to these conversations. This report described terminal care in Finland, terminal care at home and needs of terminal patients and their relatives. One case was investigated more closely to see if the needs of the patient and the relatives were met. The voluntary work started slowly but the feedback from the home nursing team and the relatives was positive. According to the superior of the intensive home nursing team the support provided by the volunteers was essential in allowing people to die at home. The practice will be developed further together with the intensive home nursing team of Pieksämäki town and Saimaa Cancer Society