使用诱导多能干细胞来源的心肌细胞来测试房性和室性心律失常的遗传变异的后果

我们为什么要资助这个项目?

该奖项旨在使用诱导多能干细胞衍生的心肌细胞(iPSC-CM)来研究遗传性心律失常，取代转基因小鼠模型的使用。

遗传基因突变是心脏性猝死最常见的原因，因为它们增加了心律异常的易感性。其中包括肌动蛋白截断变异(TTNtv)，它可以通过多种方式影响心脏，包括硬度和弹性的变化。动物模型，通常是转基因小鼠，可以通过基因改造来拥有同样的突变。这需要大规模的繁殖计划来产生感兴趣的突变。然后用心电图或植入的遥测仪来评估突变对心血管系统的影响。人类iPSC-CMs为研究遗传性心脏疾病提供了另一种模型，并且与使用小鼠模型相比有许多科学优势在活的有机体内而且体外例如，老鼠的心率和离子通道与人类不同。

优化的基因组编辑协议将用于将TTNtv突变引入iPSCs。该学生将将该技术与3D培养方法相结合，产生工程心脏组织，这将产生具有更成熟特征的iPSC-CMs，功能类似于成人心肌细胞，并形成更好的疾病模型。学生还将发展在区分协议，光学映射，和在网上心电干扰的建模。

此外，该项目还得到了诺丁汉大学的Chris Denning教授、牛津大学的Ben Davies博士和伯明翰大学的Andrew Holmes博士的专业知识和投入的支持。

该奖学金与英国心脏基金会(BHF)共同授予。

遗传性心脏疾病是由心脏基因的基因突变引起的。它们是通过室性心律失常导致年轻人心脏性猝死的最常见原因，也在很大程度上导致心力衰竭，给卫生保健系统带来重大负担。为了开发特定的治疗方法，有必要在分子水平上了解基因突变的后果。模型系统，如细胞、类器官和整个生物体被用来阐明疾病途径。其中动物模型具有较高的伦理负担，因此有必要用细胞模型代替。

诱导多能干细胞源性心肌细胞(iPSC-CM)已成为一种研究遗传心脏疾病的新型模型系统，从而为取代动物模型，特别是小鼠模型，研究这些遗传疾病提供了机会。iPSC-CM系统的优势在于其人体生理学(例如跳动速率和离子通道设置)，并且可以通过CRISPR/Cas9介导的基因组编辑引入基因突变。然而，iPSC-CM的不成熟是其应用的主要障碍，但新的3D培养方法，如工程心脏组织(EHT)已显示出iPSC-CM更成熟的特性。扩张型心肌病是一种主要的遗传性心脏疾病，25%的扩张型心肌病患者存在肌素截断变异(TTNtv)。这些患者室性心律失常的负担增加，TTNtv和房颤(一种房性心律失常)也有联系，表明TTNtv在两种情况下都容易导致心律失常。

该项目的主要科学目标是开发iPSC-CM衍生的细胞模型系统(2D和3D)，以研究心脏基因突变引起的房性和室性心律失常的易感性。这将提供一个替代方案在活的有机体内常用的小鼠模型，具有高度侵入性。TTNtv与人类室性心律失常和心房颤动有关，将被用作例子突变。该项目的具体目标是:

1. 与Denning教授(诺丁汉大学)合作，使用优化的基因组编辑协议，将两种致病性TTNtv引入iPSC。
2. 将Kolf2 iPSC区分为心室iPSC- cm和心房iPSC- cm的方案开发
   虽然实验室已建立心室iPSC-CM的分化，但将建立使用维甲酸对心房iPSC-CM的分化方案。
3. 从心房和心室iPSC-CM中生成EHT。室性EHT的生成已在实验室中建立，而心房EHT是一个有待建立的新方法。通过与同一iPSC-CM(房/室)的二维培养比较，将记录心室和心房EHT的成熟度增强。
4. TTNtv存在时iPSC-CM中电干扰的表征。有和没有TTNtv的心房和心室iPSC-CM的二维培养将通过光学制图、多电极阵列和钙瞬态测量进行评估。心房和心室eht的自发电活动将通过光学制图来评估。挑战性实验将使用诱发心律失常的药物来激发或增强心律失常行为。
5. 电扰动的建模。在罗德里格斯教授(牛津大学)的指导下，计算模型将提供对导致无节律行为的潜在分子变化的洞察。确定的靶点将通过生化和电生理方法进行验证。

在项目结束时，学生将全面了解TTNtv的哪些非节律方面可以在iPSC-CM衍生的细胞系统中建模，以及计算建模如何帮助实验工作。