Caratterizzazione della contrazione in vitro di cardiomiociti: nuovo approccio video-cinetico

Cardiovascular diseases impact on the global population continues to increase, and as the understanding of the plethora of phenomena involved in cardiac disease phenotypes advances, in vitro models predictivity reaches a plateau. The development of new models that resemble more faithfully in vivo pathophysiological conditions inevitably faces the lack of versatile functional evaluations capable of analysing different sample configurations without destructing them. Over the past years, in particular, the importance of characterizing cardiac contractile profile became clear; elucidating cardiomyocytes contraction patterns in a controlled environment, indeed, facilitates the understanding of genetic variations functional implications and cardiovascular diseases progression. In this work, human pluripotent stem cells were differentiated in cardiomyocytes and cultured as beating monolayers. The contractile behaviour of this cell culture was studied through video microscopy with a new software for movement quantification, and a dedicated algorithm for signal analysis. This analytical set succeeded in detecting a decrease in contractile activity in later stages of cardiomyocytes differentiation and proved to be sensitive to contraction variations following Isoproterenol treatment. Additionally, it provided interesting insights into distanced cardiomyocytes mechanical synchronization.

L’impatto delle patologie cardiovascolari continua ad aumentare; mentre la comprensione della vastità di fenomeni coinvolti nei fenotipi patologici continua a fare progressi, la capacità predittiva dei modelli in vitro sta raggiungendo un plateau. Lo sviluppo di nuovi modelli che meglio mimano le condizioni pato-fisiologiche che si verificano in vivo si scontra inevitabilmente con una mancanza di tecniche analitiche versatili, in grado di valutare campioni strutturalmente diversi, senza distruggerli. Oggi giorno, in particolare, diventa sempre più evidente l’importanza di caratterizzare il profilo contrattile del cuore; infatti, svelare lo schema contrattile dei cardiomiociti in condizioni sperimentali controllate, faciliterebbe la comprensione delle implicazioni funzionali di mutazioni genetiche e della progressione di patologie cardiovascolari. In questo lavoro, cellule staminali pluripotenti umane sono state differenziate in cardiomiociti e sono state tenute in coltura come monostrati battenti. Lo schema di contrazione di queste colture cellulari è stato studiato tramite microscopia video, con un nuovo software per la quantificazione del movimento e un algoritmo dedicato per l’analisi del segnale ottenuto. Questa combinazione di strumenti di analisi, è stato in grado di rilevare un calo nell’attività contrattile negli stadi tardivi di differenziamento cardiomiocitario, e si è dimostrato sensibile alle variazioni nella contrazione a seguito di trattamento con Isoproterenolo. In più le analisi effettuate hanno fornito un interessante punto di vista sulla sincronizzazione meccanica di gruppi di cardiomiociti distanziati.