Entwicklung eines autokontraktilen Herzmuskelmodells zur funktionalen Medikamenten- und Toxinforschung

Goßmann, Matthias

Bis dato ist die pharmakologische Forschung bei der Quantifizierung der inotropen Wirkungen von Substanzen auf Tierexperimente angewiesen. Da der Einsatz von Tierexperimenten zunehmend auf Widerstand in der Gesellschaft stößt, wird seit den 1980'er Jahren intensiv an in-vitro-Verfahren zur Messung von Kraft und Spannung von Geweben geforscht. Die bisher entwickelten Verfahren sind entweder indirekte Messverfahren oder benötigen komplexe Messaufbauten, die eine standardisierte Anwendung in der Pharmaforschung verhindern. Darüber hinaus sind diese Verfahren noch immer auf den Einsatz von Geweben oder Teilen davon angewiesen, sodass auch sie nicht ohne den Einsatz von Versuchstieren auskommen. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines autokontraktilen Herzmuskelmodells auf der Basis des CellDrum-Systems unter Einsatz von humanen Stammzell-abgeleiteten Kardiomyozyten. Während das CellDrum-System eine standardisierte mechanische Charakterisierung von Zell-Monolayern und dünnen Gewebekonstrukten ermöglicht, kann durch den Einsatz von hiPS-abgeleiteten Kardiomyozyten auf den Einsatz von Versuchstieren verzichtet werden. Ein kritischer Punkt der Arbeit war die Langzeit-Kultur der Muskelzellen auf den PDMS-Membranen. Im Gegensatz zu anderen im Vorfeld untersuchten Zelltypen wie Endothelzellen oder Fibroblasten stellte die Kultur von Kardiomyozyten über einen längeren Zeitraum ein Problem dar, da diese Zellen sich durch ihre mechanische Aktivität von den Membranen ablösten. Aufgrund dieser Tatsache wurde eine Oberflächenmodifikation der CellDrum-Membranen etabliert. Diese Modifikation wurde charakterisiert um sicherzustellen, dass sie keinen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Systems hat. Die Modifikation der Oberfläche wurde im Hinblick auf die Biokompatibilität und die Adhäsionskinetik der Zellen hin untersucht. Es wurde eine Software zur Aufnahme der Messsignale und zur Steuerung des Tissue-Tension-Analyzers entwickelt, die auf die Spezifikationen für Signale von autokontraktilen Kardiomyozyten zugeschnitten ist. Darüber hinaus wurde eine Software zur Prozessierung der Messsignale entwickelt. Diese umfasste die auf die kardio-spezifischen Signale angepasste Signalverarbeitung und Analyse. Es wurden sowohl Monokulturen von hiPS-abgeleiteten Kardiomyozyten als auch Ko-Kulturen mit kardialen Fibroblasten auf die Wirkungen von Pharmaka hin untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das System in hohem Maße prädiktiv ist und die Wirkungen der Substanzen weitgehend mit den Literaturdaten aus Tierexperimenten übereinstimmen.

To date, the mechanical properties of cardiac myocytes are exclusively quantifiable by animal-based models. Due to the fact that the application of animal experiments is increasingly subjected to ethical concerns, a number of in-vitro methods for the measurement of contractile force and tension has been developed in the past 30 years. These methods share the restrictions of indirect quantification or complex experimental setups. This impedes their routine application in pharmacological research. Additionally, due to the lack of human myocardial material, they rely on the examination of animal tissue. The aim of this study was the development of an auto-contractile heart tissue model based on the CellDrum system by application of human stem cell-derived cardiac myocytes. The CellDrum system enables a standardised and scalable mechanical characterisation of cellular monolayers and thin tissue constructs, while the use of hiPS-derived cardiac myocytes avoids test animal sacrifice. A critical point of this study was the long-term culture of myocytes on the PDMS membranes of the CellDrum system. In contrast to previously examined cell types like endothelial cells and fibroblasts, a myocyte culture on PDMS was impaired by their mechanical activity. As a consequence, a long term culture without chemical modification of the PDMS surface was not possible. In order to overcome this issue, a surface modification method was established. In order to ensure that the modification does not alter the mechanical properties of the PDMS membranes, the modification was analyzed. Subsequently, the biocompatibility was investigated and the adhesion kinetics were recorded. A data-acquisition software including process control for the Tissue-Tension-Analyser was developed with respect to the specific properties of auto-contractile cardiac myocytes. Additionally, a software package for processing and analysis of the acquired signals was developed. Pharmacological characterisations were performed on monocultures of cardiac myocytes as well as on co-cultures with cardiac fibroblasts. It could be demonstrated that the system showed a high degree of predictability and that the results compare to animal experiements to a considerable extent.

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Goßmann, Matthias: Entwicklung eines autokontraktilen Herzmuskelmodells zur funktionalen Medikamenten- und Toxinforschung. 2015.

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