以肌钙蛋白 I 亚型变化筛选促进心肌成熟的化合物

人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源心肌细胞能够用于疾病和药物研究,但细胞常保留较早发育阶段的特征。京都大学(Kyoto University)与武田制药(Takeda Pharmaceutical Company Limited)等团队在 Nature Communications 建立成熟表型筛选,寻找可提高模型结构与功能成熟程度的化合物。

筛选依据是肌钙蛋白 I 亚型从较早阶段的 TNNI1 向心肌型 TNNI3 转换。双荧光报告细胞使团队能够观察 TNNI3 表达升高,并从心肌分化过程中过滤成熟程度不同的细胞群。

9,048 种化合物按 3 μM 初筛,先获得 387 个候选,再根据重复性、浓度关系、细胞形态和 TNNI3 的 RNA 表达缩至 8 个。团队选择 T112 与 T623 深入比较:前者激活雌激素相关受体 γ(estrogen-related receptor gamma,ERRγ),后者抑制 S 期激酶相关蛋白 2(S-phase kinase-associated protein 2,SKP2)。

时间与浓度决定成熟指标和细胞状态

在分化第 8–16 天加入 3 μM T112,或第 10–16 天加入 40 nM T623,TNNI3 阳性比例分别约为 60.6% 与 42.9%,溶剂对照约为 10.3%。组合处理升至约 86.5%。更早或更高浓度处理虽增加报告信号,也伴随严重细胞损伤,因此未选为后续条件。

RNA 测序显示,两种化合物和组合处理改变的基因集合有所不同。组合对肌原纤维、线粒体呼吸链等成熟相关组成的影响更广。与公开成人心室心肌资料比较,处理后的细胞朝成熟方向变化,但转录状态仍与成人心肌有差距。

T112 的效果覆盖代谢、收缩和横小管

氧耗分析显示,T112 与组合组的基础及最大呼吸、ATP 生成提高。TNNI3/TNNI1 蛋白比例增加,细胞面积扩大,肌节变长,形态趋于细长。在另外两条 iPSC 系中,线粒体、肌钙蛋白亚型和部分功能测量也观察到相应变化。

视频运动分析发现,T112 和组合处理提高收缩、舒张及最大传导速度。膜片钳记录显示动作电位幅度和最大上升速度增大,最大舒张电位则没有显著差别。

电子显微镜在 T112 与组合组观察到横小管和较有序的肌节超微结构。横小管参与心肌细胞内的兴奋与收缩耦联,是本研究的重要结构结果;对照与 T623 单药组没有观察到同样的横小管形成。

T623 可提高早期 TNNI3 表达和肌节长度,但没有同样提高线粒体活性、细胞面积或形成横小管。肌钙蛋白亚型变化用于初筛,代谢、收缩、电生理和超微结构测量进一步区分了两种化合物的作用。

T112、T623 及组合处理后的人 iPSC 来源心肌细胞氧耗、肌节、收缩、电活动与横小管比较。

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T112、T623 及组合处理后的人 iPSC 来源心肌细胞氧耗、肌节、收缩、电活动与横小管比较。(Kenji Miki et al. / Nature Communications, 2021, Figure 5;CC BY 4.0)

受体缺失比较检验 T112 的作用依赖

在缺失 ERRγ 的既有细胞模型中,T112 未能继续提高 TNNI3 表达,ATP 生成和氧耗也没有相同提升。T623 对报告信号的作用仍然存在。团队结合这一比较,将 T112 的主要成熟作用归于 ERRγ 相关通路。

作者认为,T112 处理后的细胞具有接近新生期心肌的部分成熟特征。研究提供了化合物促进成熟与多指标质量评价的方案,后续用途包括疾病建模和药物筛选;本次实际验证集中在报告信号、代谢、收缩、电活动与结构。

来源与延伸阅读

  1. ERRγ enhances cardiac maturation with T-tubule formation in human iPSC-derived cardiomyocytes. Nature Communications. 2021. doi:10.1038/s41467-021-23816-3 ↗