Potential applications of cardiomyocytes differentiated from human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells in the diseases of the human heart

MUDr. Martin Pešl, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Kmenové buňky umožňují tvorbu nových terapeutických strategií zaměřených na regeneraci srdečního svalu. Výzkum lidských embryonálních kmenových buněk (hESC) a lidských indukovaných pluripotentních kmenových buněk (hiPSC) vedl k jejich diferenciaci ve stahující se kardiomyocyty. Předtím, než však bude tato technologie přiravena k přímému lékařskému využití, je potřeba zlepšit výtěžnost kultivačních procesů, zpřesnit pochopení a rozpoznání vývoje nezralých kardiomyocytů a zajistit bezpečnost jejich využití. Rozvoj výzkumu hiPSC umožnil relativně rychlou tvorbu kmenových buněk z tkáně pacientů nesoucích různé dědičné nemoci a vytvořit tak “model nemoci v misce”. Vznikající kardiomyocyty dovolují bližší pochopení fenotypu těchto nemocí na buněčné a molekulární úrovni. Využití modelu ve farmakologických studiích přibližuje technologii klinickému prostředí. Jsou realizovány první animální studie modelů onemocnění srdce, využívající potenciálu reparace a regenerace. Pro tyto studie je však nezbytné spolehlivě hodnotit diferencované kardiomyocyty z pohledu elektrofyziologie i svalové kontrakce. Tato práce si klade za cíl popsat základní mechanizmy pro efektivní diferenciaci v kardiomyocyty, základní metody pro jejich analýzu a zajištění standardizace tak, aby bylo možné je využít v elektrofyziologických a mechanobiologických studiích léků.

Abstract:

Stem cells allow the development of new therapeutic strategies to regenerate heart muscle. Human embryonic stem cell (hESC) and human induced pluripotent stem cell (hiPSC) research is leading to successful differentiation of the stem cells into beating cardiomyocytes. But before this technology is ready for off-shelf use the efficiency has to be improved, understanding of the emerging cardiac cells has to be precise, and safety issues have to be solved. The hiPSCs raise the possibility to rapidly create pluripotent stem cells from a large host of human genetic diseases using skin from affected individuals. The cardiac cell then may be used to investigate cardiac disease phenotypes. The processes still have needs for efficiency improvements, but currently cell behavior under different pharmacological substances may be studied. First animal studies reported heart function improvement after cell based therapy in the form of a stem cell derived patch of cardiomoyctes, or the same cells in the form of clusters. Neverthless, these strategies are slowly getting closer to in-human utilization through more advanced porcine and primate animal models. Evaluation of the quality and possession of natural regulation mechanisms typical for cardiac cells is essential for further study of cellular disease models. The electrical and mechanical properties form basic phenotype analysis. This work aims to describe an efficient way to produce cardiomyocytes, to describe the basic mechanisms providing evidence for derived cell type and finally the assessment of quality of the cells suitable for pharmacological, electrophysiological and emerging mechanobiological studies.

Keywords

human embryonic stem cells, human induced pluripotent stem cells, cardiac differentiation, microelectrode array, atomic force microscopy, biopacemaker model, lidské embryonální kmenové buňky, lidské indukované pluripotentní kmenové buňky, differenciace v kardiomyocyty, mikroskopie atomárních sil, biopacemaker

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 9. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 27. 9. 2013
• Supervisor: prof. Ing. Petr Dvořák, CSc., MUDr. Tomáš Kára, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
Medical Biology (4-years) / Medical Biology