TUTCRIS - Tampereen teknillinen yliopisto

TUTCRIS

Quantification of Stem Cell Derived Cardiomyocyte Beating Mechanics using Video Microscopy Image Analysis

Tutkimustuotos

Yksityiskohdat

AlkuperäiskieliEnglanti
KustantajaTampere University
Sivumäärä114
Vuosikerta34
ISBN (elektroninen)978-952-03-1007-3
ISBN (painettu)978-952-03-1006-6
TilaJulkaistu - 29 maaliskuuta 2019
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Julkaisusarja

NimiTampere University Dissertations
Numero34
ISSN (painettu)2489-9860
ISSN (elektroninen)2490-0028

Tiivistelmä

Viime aikoihin asti ihmisen sydämen solujen tutkiminen on ollut vaikeaa ja vaarallista, sillä näytepalojen ottamiseen sydämestä liittyy paljon riskejä. Menetelmä indusoitujen pluripotenttien kantasolujen tuottamiseen sallii aikuisten solujen muuntamisen takaisin kantasolumuotoon, josta ne voidaan vielä erilaistaa sydänsoluiksi. Näillä soluilla on sama geeniperimä kuin potilaalla, josta ne on johdettu. Tämä luo mahdollisuuden tutkia geneettisiä sydänsairauksia, ja sallii lääkeaineiden sydänturvallisuuden ja tehokkuuden tutkimisen käyttäen ihmisen sydänsoluja eläinkokeiden sijaan. Kantasolupohjaisten sydänsolujen käyttäminen näissä tutkimuksissa kuitenkin vaatii uusia ja erityisiä mittausmenetelmiä solujen toiminnan ymmärtämiseksi.

Pitkä QT-syndrooma (LQTS) ja katekolamiiniherkkä polymorfinen kammiotakykardia (CPVT) ovat perinnöllisiä sydänsairauksia, jotka voivat aiheuttaa kuolemaan johtavia rytmihäiriöitä. Indusoiduista pluripotenteista kantasoluista johdettujen sydänsolujen avulla voidaan tutkia näitä sairauksia laboratorio-oloissa. Ymmärtämällä paremmin näitä sairauksia voidaan saavuttaa tarkempia diagnooseja ja kehittää mahdollisia uusia hoitomuotoja sydänperäisten äkkikuolemien estämiseksi. Uusia mittausmenetelmiä tarvitaan, jotta näiden solujen toimintaa voidaan tutkia. Näiden solujen toiminnallisuutta on perinteisesti tutkittu mittaamalla niiden sähköistä toimintaa. Sydänsolujen pääasiallinen tehtävä on kuitenkin mekaaninen: pumpata verta sydämestä verenkiertoon. Tätä solujen supistumista ja rentoutumista mittaavia menetelmiä on tutkittu vähemmän.

Tämän väitöskirjan päämäärä on kehittää mittausmenetelmä, jolla voidaan määrittää yksittäisten ihmisen sydänsolujen biomekaniikkaa in vitro videomikroskopiaa käyttäen. Menetelmä käyttää digitaalista kuvien korrelaatiota määrittämään sydänsoluissa supistusliikkeen aikana tapahtuvan liikkeen. Menetelmää käytetään ohjelmistotyökalussa, jolla voidaan karakterisoida ja parametrisoida sydänsolun syketoimintaa. Syketoimintaan voi vaikuttaa niin ympäristötekijät, lääkeaineet kuin sydänsairaudetkin.

Tässä väitöskirjassa sydänsolujen mekaanista toimintaa mitataan videomikroskopian avulla määrittämällä liikettä videon peräkkäisistä kuvista digitaalista kuvakorrelaatiota käyttäen. Saaduista nopeusvektorikentistä lasketaan supistumista ja rentoutumista kuvaavia signaaleja. Arvoimme sen tarkkuutta sydänsolututkimuksissa käyttäen keinotekoisia tietoaineistoja ja sen soveltuvuutta yhtäaikaisilla sähköisillä mittauksilla. Tutkimme perinnöllisiä sydänsairauksia (LQTS ja CPVT) mittaamalla sykinnän mekaniikkaa yksittäisistä sydänsoluista, jotka ovat johdettu näitä sairauksia kantavien potilaiden kantasolulinjoista. Perinteisiä sähköfysiologisia mittauksia käytetään menetelmän validointiin ja vertailuun. Kalsiumin ja sykinnän vuorovaikutusta tutkitaan yhtäaikaisella biomekaniikan ja kalsiumaineenvaihdunnan mittauksella.

Tämän väitöskirjan tuloksena saatiin aikaan uusi ja helposti lähestyttävä menetelmä sydänlihassolujen biomekaniikan tutkimiseen. Menetelmä ei ole soluille haitallinen ja se vaikuttaa solujen toimintaan perinteisiin menetelmiin verrattuna vain vähän. Se on automatisoitavissa suuria näytemääriä varten. Koska se ei vahingoita soluja, mittaukset voidaan myös toistaa samoilla soluilla. Tätä menetelmää käyttäen havaitsimme ensimmäisinä kahdesta eri LQT1-mutaatiota kantavista potilaista johdetuissa yksittäisissä sydänsoluissa poikkeavia sykintätyyppejä. Lisäksi, osoitimme yhtäaikaisen kalsiumin ja liikkeen mittauksen olevan mahdollinen ilman laskennallisia taustan korjauksia ja havaitsimme, että näin yhdistetystä analyysista voi olla erityistä hyötyä sydänsairauksien tutkimisessa. Väitöskirjassa esitetyt menetelmät ja tulokset edustavat alan tärkeitä ensimmäisiä edistysaskelia.

Tätä menetelmää käytettiin väitöskirjan ohella tehdyssä ohjelmistotyökalussa, jota voidaan käyttää sydänlihassolujen tutkimuksen eri vaiheissa. Väitöskirjan tuloksena syntynyt helposti lähestyttävä menetelmä sallii sydänlihassolujen biomekaniikan analyysin. Sen avulla voidaan myös ymmärtää paremmin supistusliikkeen ja kalsiumin kytkentää. Kokonaisuutena, väitöskirja luo pohjaa sydänlihassolujen suurten näytemäärien analyysille sydänsairauksien ja lääkeaineiden tutkimuksessa.

Tilastokeskuksen tieteenalat