KR102590512B1 - Dual-Cardiotoxicity Evaluation Method Based on human iPSC-derived cardiomyocytes and Multielectrode Assay - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 인간 유도만능줄기세포(iPSC) 유래 심근세포를 활용하여 다중전극 분석(MEA) 기반의 전기생리학적 신호 측정 및 수축력 측정을 포함하는 이중-심장독성평가방법에 대한 것이다.
본 발명은 약물 처리 등으로 인한 전기 생리학적 변화를 지연된 필드 전위 기간(FPD), 박동주기 및 진폭의 변화를 분석하여 감지하고, 임피던스를 기반으로 수축력을 측정하여 신체 기능의 변화를 확인함으로써 상기 두가지 측정의 중복을 통해 시험관 내에서 약물이 심장에 미치는 영향을 정확하고 포괄적으로 분석할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 따라서, 본 발명은 후보 약물 화합물에 대한 경쟁력 있는 심장 독성 스크리닝 플랫폼을 제공할 수 있다.
The present invention relates to a dual-cardiotoxicity evaluation method including electrophysiological signal measurement and contractile force measurement based on multi-electrode analysis (MEA) using human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cardiomyocytes.
The present invention detects electrophysiological changes due to drug treatment, etc. by analyzing changes in delayed field potential period (FPD), beat cycle, and amplitude, and measures contractile force based on impedance to confirm changes in body function, thereby detecting the two above. It was experimentally confirmed that the effect of drugs on the heart in vitro can be accurately and comprehensively analyzed through duplication of measurements. Therefore, the present invention can provide a competitive cardiotoxicity screening platform for candidate drug compounds.

Description

인간 유도만능줄기세포 유래 심근세포 및 다중전극 분석을 이용한 이중-심장독성평가 방법 {Dual-Cardiotoxicity Evaluation Method Based on human iPSC-derived cardiomyocytes and Multielectrode Assay}Dual-Cardiotoxicity Evaluation Method Based on human iPSC-derived cardiomyocytes and Multielectrode Assay}

본 발명은, 인간 유도만능줄기세포(iPSC) 유래 심근세포를 활용하여 다중전극 분석(MEA) 기반의 전기생리학적 신호 측정 및 수축력 측정을 포함하는 이중-심장독성평가방법에 대한 것이다. The present invention relates to a dual-cardiotoxicity evaluation method including electrophysiological signal measurement and contractile force measurement based on multi-electrode analysis (MEA) using human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cardiomyocytes.

신약 개발을 위해서는 약물 이상 반응(ADR, adverse drug reactions)을 식별하는 과정이 필수적이며 많은 잠재적 후보 약물이 부작용으로 인해 실패한다. 심실 재분극 장애, QT 간격 연장, 부정맥, 서맥 및 빈맥과 같은 증상을 포함하는 심장 독성은 시장에서 약물 금단의 주요 원인 중 하나이다. 이러한 증상은 심혈관 약물에 국한되지 않으며 광범위한 약물에 대해 심장 독성 안전성 테스트가 필요하다. 실제로 시중에 나와있는 항암제 및 항생제를 포함 시판 후 약 2,000 개 이상이 심장 ADR을 갖고 있는 것으로 밝혀졌으며 1953 년부터 2013 년 사이에 시장에서 철수된 462 개 약물 중 14 %가 심각한 심혈관 부작용을 일으켰다. 특히, 약물 투여 직후 조기 발병으로 급성 효과를 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 심독성의 경우 발병이 지연되는 만성 효과가 발생할 수 있다. 따라서 전임상 스크리닝을 거친 후에도 임상 2 상(추적 기간 단축) 및 3 상(추적 기간 연장)에서 또는 시장 출시 후 독성을 확인할 수 있다. 따라서 잠재적인 심장 독성을 평가하는 것은 의약품 시장에서 중요한 매개 변수이며 막대한 사회 경제적 비용을 방지하기 위해 다양한 예측 모델이 제안되었다.The process of identifying adverse drug reactions (ADRs) is essential for new drug development, and many potential drug candidates fail due to side effects. Cardiac toxicity, which includes symptoms such as ventricular repolarization disorders, QT interval prolongation, arrhythmias, bradycardia, and tachycardia, is one of the major causes of drug withdrawal in the market. These symptoms are not limited to cardiovascular drugs and require cardiotoxicity safety testing for a wide range of drugs. In fact, more than 2,000 post-marketing drugs, including anticancer drugs and antibiotics, were found to have cardiac ADRs, and of the 462 drugs withdrawn from the market between 1953 and 2013, 14% caused serious cardiovascular side effects. In particular, not only can it have an acute effect with an early onset immediately after drug administration, but in the case of cardiotoxicity, a chronic effect with a delayed onset can occur. Therefore, even after preclinical screening, toxicities can be identified in Phase 2 (shortened follow-up period) and Phase 3 (extended follow-up period) trials or after market launch. Therefore, assessing potential cardiotoxicity is an important parameter in the pharmaceutical market and various prediction models have been proposed to prevent enormous socioeconomic costs.

이러한 맥락에서 ICH(International Conference for Harmonization)은 2005 년 신약에 대한 심혈관 위험을 평가할 수 있는 비 임상 및 임상 시험에 대한 지침 S7B 및 E14를 제시했다. 비임상 심장 독성 평가를 위한 지침인 ICH S7B는 hERG(human Ether-a-go-go-Related Gene) 또는 동물 또는 인간으로부터 분리된 심근 세포(CM)로 형질 감염된 세포주 의 심실 재분극(QT 간격 연장)을 기반으로 한다. 임상 시험 가이드 라인인 ICH E1T는 비-항부정맥 약물의 부정맥 유발 효과를 평가하기 위해 피험자의 철저한 QT/QTc 연구를 분석한다. 위의 두 가지 가이드 라인을 적용하여 사전 심사를 함으로써 심실 부정맥 위험으로 인해 시장에서 퇴출된 약물의 수가 크게 줄었다. 그러나 a) hERG는 심실 재분극을 제어하는 유일한 이온 채널이 아니며, b) QT 간격의 연장만으로는 임상 부정맥 위험의 지표로 사용하기에 불충분하다. 따라서 좁은 평가 기준으로 인해 위양성이 발생하여 부정맥 치료 가능성이 있는 약물이 중단되었다. 따라서 이러한 의도하지 않은 결과를 피하기 위해 개선된 지침의 개발이 필요하다.In this context, the International Conference for Harmonization (ICH) presented Guidelines S7B and E14 in 2005 for non-clinical and clinical trials to assess cardiovascular risk for new drugs. ICH S7B, a guideline for the evaluation of nonclinical cardiotoxicity, recommends ventricular repolarization (QT interval prolongation) in cell lines transfected with human Ether-a-go-go-Related Gene (hERG) or cardiomyocytes (CM) isolated from animals or humans. It is based on The clinical trial guideline ICH E1T analyzes thorough QT/QTc studies of subjects to evaluate the proarrhythmic effects of non-antiarrhythmic drugs. By applying the above two guidelines and conducting preliminary screening, the number of drugs withdrawn from the market due to risk of ventricular arrhythmia was significantly reduced. However, a) hERG is not the only ion channel that controls ventricular repolarization, and b) prolongation of the QT interval alone is insufficient to be used as an indicator of clinical arrhythmia risk. Therefore, the narrow evaluation criteria resulted in false positives and led to the discontinuation of drugs with potential for treating arrhythmias. Therefore, the development of improved guidelines is needed to avoid these unintended consequences.

높은 민감도와 낮은 특이도로 ICH S7B/E14 접근 방식의 한계를 극복하기 위해 FDA는 2013 년에 CiPA(Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay) 프로젝트를 착수했다. CiPA 프로젝트는 a) 심실 재분극을 복잡하게 조절하는 7 개의 이온 채널에 대한 약물 효과를 분석하고, b) 7 개의 이온 채널에 대한 정보를 통합하여 in silico 인간 심실 조직 모델을 구축하고, c) 전기 활동에 대한 영향을 확인하고, 인간 유도 만능 줄기 세포 유래 심근 세포(hiPSC-CMs)를 사용하여 통합 생물학적 시스템에서 약물의 부정맥 위험 평가의 초점을 맞추었다. 특히 hiPSC-CM은 이온 채널에 직접 영향을 미치는 메커니즘이나 in silico 재구성 모델에서 예측하기 어려운 메커니즘에 관계없이 활동 전위 및 재분극의 변화를 확인할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 hiPSC-CM은 심장 세포의 혼합 표현형(심방, 결절 및 심실)을 포함하고 성인 심실 심장 근육 세포에 비해 미성숙 표현형을 가지고 있으므로, 이는 극복해야 할 한계이다. 또한 현재 플랫폼인 다중전극 분석(MEA, Multielectrode Assay) 측정 방법 또는 전압 감지 광학 플랫폼은 심근세포의 필드 전위(FP, Field Potential) 및 활동 전위 등의 전기 신호 측정에만 국한되어 부정맥성 심독성을 감지한다. 따라서 약물에 대한 실제 심장 반응을 요약하기 위해 수축성 상실과 같은 비-전부정맥성 심장 독성 측정 방법을 추가해야 한다.To overcome the limitations of the ICH S7B/E14 approach with high sensitivity and low specificity, the FDA launched the Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay (CiPA) project in 2013. The CiPA project will a) analyze drug effects on seven ion channels that complexly regulate ventricular repolarization, b) integrate information about the seven ion channels to build an in silico human ventricular tissue model, and c) electrical activity. and focused on arrhythmia risk assessment of drugs in an integrated biological system using human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs). In particular, hiPSC-CM has the advantage of being able to confirm changes in action potentials and repolarization regardless of mechanisms that directly affect ion channels or mechanisms that are difficult to predict from in silico reconstruction models. However, since hiPSC-CMs contain a mixed phenotype of cardiac cells (atria, nodules, and ventricles) and have an immature phenotype compared to adult ventricular cardiac myocytes, this is a limitation that needs to be overcome. In addition, the current platform, the Multielectrode Assay (MEA) measurement method or voltage-sensing optical platform, is limited to measuring electrical signals such as field potential (FP) and action potential of cardiomyocytes to detect arrhythmogenic cardiotoxicity. Therefore, measures of non-proarrhythmic cardiotoxicity, such as loss of contractility, should be added to summarize the actual cardiac response to the drug.

비특허문헌 1: Bang, J. S. et al. Optimization of episomal reprogramming for generation of human induced pluripotent stem cells from fibroblasts. Animal cells and systems 22, 132-139, doi:10.1080/19768354.2018.1451367(2018).Non-patent Document 1: Bang, J. S. et al. Optimization of episomal reprogramming for generation of human induced pluripotent stem cells from fibroblasts. Animal cells and systems 22, 132-139, doi:10.1080/19768354.2018.1451367(2018). 비특허문헌 2: Ando, H. et al. A new paradigm for drug-induced torsadogenic risk assessment using human iPS cellderived cardiomyocytes. Journal of pharmacological and toxicological methods 84, 111-127, doi:10.1016/j.vascn.2016.12.003(2017).Non-patent Document 2: Ando, H. et al. A new paradigm for drug-induced torsadogenic risk assessment using human iPS cellderived cardiomyocytes. Journal of pharmacological and toxicological methods 84, 111-127, doi:10.1016/j.vascn.2016.12.003(2017).

이에 본 발명자들은 국제적으로 유행하는 신약 개발의 심장 독성 평가인 CiPA에 따라 전기 생리학적 및 신체적 기능의 변화를 분석할 수 있는 변형된 인간 줄기 세포 기반 in vitro 부정맥 분석 시스템을 구축하고 이를 평가 및 검증하고자 하였다. Accordingly, the present inventors sought to construct, evaluate, and verify a modified human stem cell-based in vitro arrhythmia analysis system that can analyze changes in electrophysiological and physical functions according to CiPA, an internationally popular cardiotoxicity evaluation for new drug development. did.

따라서, 본 발명의 목적은 인간 유도만능줄기세포(iPSC) 유래 심근세포를 활용하여 다중전극 분석(MEA) 기반의 전기생리학적 신호 측정 및 수축력 측정을 포함하는 이중-심장독성평가방법을 제공하는 것이다. Therefore, the purpose of the present invention is to provide a dual-cardiotoxicity evaluation method including electrophysiological signal measurement and contractile force measurement based on multi-electrode analysis (MEA) using human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cardiomyocytes. .

본 발명은 i) 다중전극 분석(Multi-electrode system) 를 이용하여 심근세포에 피검물질을 처리한 후 전기생리학적 신호를 측정하는 단계; 및The present invention includes the steps of i) measuring electrophysiological signals after treating myocardial cells with a test substance using a multi-electrode system; and

ii) 상기 전기생리학적 신호를 측정한 후 다중전극 분석을 이용하여 수축력을 측정하는 단계; ii) measuring the contractile force using multi-electrode analysis after measuring the electrophysiological signal;

를 포함하는 이중-심장독성평가방법을 제공한다. Provides a dual-cardiotoxicity evaluation method including.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i) 의 심근세포는 인간 포피 섬유아세포 유래 hi-PSC 에서 분화된 심근세포인 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the cardiomyocytes of step i) may be cardiomyocytes differentiated from hi-PSCs derived from human foreskin fibroblasts.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i) 의 심근세포는, According to a preferred embodiment of the present invention, the cardiomyocytes of step i) are,

a) 인간 포피 섬유아세포 를 hiPSC로 재프로그래밍하는 단계; a) reprogramming human foreskin fibroblasts into hiPSCs;

b) 상기 hiPSC 를 심근세포로 10일 ~ 14일 동안 분화시키는 단계; b) Differentiating the hiPSCs into cardiomyocytes for 10 to 14 days;

c) 상기 분화된 심근세포를 4일 ~ 8일 동안 정제하는 단계; 및c) purifying the differentiated cardiomyocytes for 4 to 8 days; and

d) 상기 정제된 심근세포를 10일 ~ 14일 동안 성숙시키는 단계; d) maturing the purified cardiomyocytes for 10 to 14 days;

를 포함하여 제작된 것일 수 있다. It may be manufactured including.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i)의 심근세포는 고순도의 성숙화된 심근세포일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the cardiomyocytes of step i) may be highly purified, mature cardiomyocytes.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i)의 전기생리학적 신호 측정은, 필드 전위 지속기간(FPD), 보정된 필드 전위 지속기간(FPDc), 박동 주기 및 스파이크 진폭으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 측정하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the electrophysiological signal measurement in step i) is selected from the group consisting of field potential duration (FPD), corrected field potential duration (FPDc), beat period, and spike amplitude. It may be measuring one or more of the following.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i)의 전기생리학적 신호 측정은, 피검물질을 처리한 후 20분 ~ 30분 후 1분 ~ 10분 동안 측정하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the electrophysiological signal measurement in step i) may be measured for 1 to 10 minutes 20 to 30 minutes after processing the test material.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 ii)의 수축력 측정은 박동 진폭을 측정하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the contractile force measurement in step ii) may be to measure the beat amplitude.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 ii)의 수축력 측정은 상기 전기생리학적 신호를 측정한 후 1분 ~ 10분 동안 측정하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the contractile force in step ii) may be measured for 1 to 10 minutes after measuring the electrophysiological signal.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i) 에서 측정한 전기생리학적 신호; 및 상기 단계 ii) 에서 측정한 수축력; 이 모두 정상대조군에 비하여 5% 내지 15% 이상 차이가 나는 경우 피검물질이 심장독성을 나타내는 것으로 판단하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the electrophysiological signal measured in step i); and the contractile force measured in step ii); If all of these differ by more than 5% to 15% compared to the normal control group, it may be judged that the test substance exhibits cardiotoxicity.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 심장독성은 약물로 인한 심장독성인 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the cardiotoxicity may be drug-induced cardiotoxicity.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 심장독성은 부정맥(arrhythmia)을 의미하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the cardiotoxicity may mean arrhythmia.

본 발명은 약물 처리 등으로 인한 전기 생리학적 변화를 지연된 필드 전위 기간(FPD), 박동주기 및 진폭의 변화를 분석하여 감지하고, 임피던스를 기반으로 수축성을 측정하여 신체 기능의 변화를 확인함으로써 두가지 측정의 중복을 통해 시험관 내에서 약물이 심장에 미치는 영향을 정확하고 포괄적으로 분석할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 따라서, 본 발명은 후보 약물 화합물에 대한 경쟁력 있는 심장 독성 스크리닝 플랫폼을 제공할 수 있다. The present invention detects electrophysiological changes due to drug treatment by analyzing changes in delayed field potential period (FPD), beat cycle, and amplitude, and measures contractility based on impedance to confirm changes in body function, thereby measuring two things. It was experimentally confirmed that the effect of drugs on the heart can be accurately and comprehensively analyzed in vitro through duplication of . Therefore, the present invention can provide a competitive cardiotoxicity screening platform for candidate drug compounds.

도 1은 hiPSC-CM의 특성화 및 MEA 기반 FP 활동 및 수축력에 대한 주요 매개 변수 정의를 나타낸다. (A) hiPSC를 CM으로 분화 및 정제하기위한 프로토콜; (B) α-액티닌 (녹색, FITC), cTnT (빨간색, TRITC) 및 DAPI (파란색)로 염색된 심근세포 특이적 단백질 발현; (C) CM에서 cTnT + 세포의 FACS 분석; 을 나타낸다.
도 2는 hiPSC-CM의 특성화 및 MEA 기반 FP 활동 및 수축력에 대한 주요 매개 변수 정의를 나타낸다. (D) MEA에서 약물 치료 전(기준) 및 후 기록을 위한 실험 계획; (E) 24 웰 MEA 플레이트에 시드된 50,000개 hiPSC-CM의 형태; 를 나타낸다.
도 3은 hiPSC-CM의 특성화 및 MEA 기반 FP 활동 및 수축력에 대한 주요 매개 변수 정의를 나타낸다. (F) FP 활동 박동 기간, 탈분극 스파이크 진폭, 필드 전위 기간 (FPD) 및 속도 보정 필드 전위 기간 (FPDc)의 4 가지 주요 매개 변수; (G) 수축력 박동 진폭의 매개 변수; 를 나타낸다.
도 4는 임상 torsadogenic 약물 치료 중 FP 활동의 4 가지 주요 매개 변수의 변화를 나타낸다. (A) 니페디핀 (0.3 μM); (B) 퀴니딘 (1 μM). 오른쪽부터, FPD의 % 변화, FPDc, 박동 주기 및 스파이크 진폭을 나타내며, 평가 사이트 (N = 3 복제)에서 복제를 통해 정량화되었다.
도 5는 임상 torsadogenic 약물 치료 중 FP 활동의 4 가지 주요 매개 변수의 변화를 나타낸다. (C) E-4031 (0.03 μM); (D) 도페틸리드 (0.003 μM). 오른쪽부터, FPD의 % 변화, FPDc, 박동 주기 및 스파이크 진폭을 나타내며, 평가 사이트 (N = 3 복제)에서 복제를 통해 정량화되었다.
도 6은 임상 torsadogenic 약물 치료 중 FP 활동의 4 가지 주요 매개 변수의 변화를 나타낸다. (E) 테르페나딘 (0.1 μM); (F) 멕실레틴 (3 μM). 오른쪽부터, FPD의 % 변화, FPDc, 박동 주기 및 스파이크 진폭을 나타내며, 평가 사이트 (N = 3 복제)에서 복제를 통해 정량화되었다.
도 7은 임상 torsadogenic 약물 치료 중 수축력의 주요 매개 변수인 박동 진폭의 변화를 나타낸다. 왼쪽은 투여 전 (검은 색) 및 후 (빨간색)를 나타내는 수축력 파형을, 오른쪽은 박동 진폭의 % 변화를 나타낸다. (A) 니페디핀 (0.1 μM); (B) 퀴니딘 (1 μM). 박동 진폭의 % 변화는 평가 사이트 (N = 3 복제)에서 복제를 통해 정량화되었다.
도 8은 임상 torsadogenic 약물 치료 중 수축력의 주요 매개 변수인 박동 진폭의 변화를 나타낸다. 왼쪽은 투여 전 (검은 색) 및 후 (빨간색)를 나타내는 수축력 파형을, 오른쪽은 박동 진폭의 % 변화를 나타낸다. (C) E-4031 (0.1 μM), (D) 도페틸리드 (0.01 μM). 박동 진폭의 % 변화는 평가 사이트 (N = 3 복제)에서 복제를 통해 정량화되었다.
도 9는 임상 torsadogenic 약물 치료 중 수축력의 주요 매개 변수인 박동 진폭의 변화를 나타낸다. 왼쪽은 투여 전 (검은 색) 및 후 (빨간색)를 나타내는 수축력 파형을, 오른쪽은 박동 진폭의 % 변화를 나타낸다. (E) 테르페나딘 (0.3 μM) ; (F) 멕실레틴 (3 μM). 박동 진폭의 % 변화는 평가 사이트 (N = 3 복제)에서 복제를 통해 정량화되었다.
도 10은 hiPSC-CM에서 니페디핀(Nifedipine) 투약 처리에 따른 FP 활동 및 수축력의 변화 모니터링 결과를 나타낸다. FP 활동 파형 (왼쪽, 병합시 검은색) 및 수축력 (중간, 병합시 빨간색)을 보여주는 병합 이미지(오른쪽)를 확인할 수 있었다.
Figure 1 presents characterization of hiPSC-CMs and definition of key parameters for MEA-based FP activity and contractility. (A) Protocol for differentiating and purifying hiPSCs into CMs; (B) Cardiomyocyte-specific protein expression stained with α-actinin (green, FITC), cTnT (red, TRITC), and DAPI (blue); (C) FACS analysis of cTnT + cells in CM; represents.
Figure 2 presents characterization of hiPSC-CMs and definition of key parameters for MEA-based FP activity and contractility. (D) Experimental plan for recording before (baseline) and after drug treatment in MEA; (E) Morphology of 50,000 hiPSC-CMs seeded in 24-well MEA plates; represents.
Figure 3 presents characterization of hiPSC-CMs and definition of key parameters for MEA-based FP activity and contractility. (F) Four key parameters of FP activity: beat period, depolarizing spike amplitude, field potential period (FPD), and rate-corrected field potential period (FPDc); (G) Parameters of contractile beat amplitude; represents.
Figure 4 presents changes in four key parameters of FP activity during clinical torsadogenic drug treatment. (A) Nifedipine (0.3 μM); (B) Quinidine (1 μM). From the right, % change in FPD, FPDc, beat period and spike amplitude are shown, quantified across replicates across evaluation sites (N = 3 replicates).
Figure 5 presents changes in four key parameters of FP activity during clinical torsadogenic drug treatment. (C) E-4031 (0.03 μM); (D) Dofetilide (0.003 μM). From the right, % change in FPD, FPDc, beat period and spike amplitude are shown, quantified across replicates across evaluation sites (N = 3 replicates).
Figure 6 presents changes in four key parameters of FP activity during clinical torsadogenic drug treatment. (E) Terfenadine (0.1 μM); (F) Mexiletine (3 μM). From the right, % change in FPD, FPDc, beat period and spike amplitude are shown, quantified across replicates across evaluation sites (N = 3 replicates).
Figure 7 shows changes in beat amplitude, a key parameter of contractility, during clinical torsadogenic drug treatment. The left shows contractile force waveforms before (black) and after (red) administration, and the right shows the % change in beat amplitude. (A) Nifedipine (0.1 μM); (B) Quinidine (1 μM). The % change in beat amplitude was quantified across replicates across evaluation sites (N = 3 replicates).
Figure 8 shows changes in beat amplitude, a key parameter of contractility, during clinical torsadogenic drug treatment. The left shows contractile force waveforms before (black) and after (red) administration, and the right shows the % change in beat amplitude. (C) E-4031 (0.1 μM), (D) Dofetilide (0.01 μM). The % change in beat amplitude was quantified across replicates across evaluation sites (N = 3 replicates).
Figure 9 shows changes in beat amplitude, a key parameter of contractility, during clinical torsadogenic drug treatment. The left shows contractile force waveforms before (black) and after (red) administration, and the right shows the % change in beat amplitude. (E) Terfenadine (0.3 μM); (F) Mexiletine (3 μM). The % change in beat amplitude was quantified across replicates across evaluation sites (N = 3 replicates).
Figure 10 shows the results of monitoring changes in FP activity and contractile force according to Nifedipine administration treatment in hiPSC-CM. A merged image (right) showing the FP activity waveform (left, black when merged) and contractility (middle, red when merged) could be seen.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에서는 자체 고순도 인간 유도만능 줄기세포 유래 심근세포(hiPSC-CM)를 다중전극 분석(MEA)에 적용하여 심장 독성 평가 플랫폼을 개발하고 임상 torsadogenic 약물 처리를 통해 심독성 약물 평가에 적용 가능성을 확인했다. 종 차이와 국소 채널 분석으로 인해 기존의 심장 독성 평가 방법인 Langendorff 및 hERG 채널 분석은 심장 기능 장애에 대한 전반적인 평가에 한계가 있다. 또한 심장 수축성 평가는 심장 독성의 중요한 지표이므로 본 발명에서는 다중 프로브 임피던스를 기반으로 자극-수축 커플링에 의한 심독성 평가를 위한 표준 플랫폼을 제공할 수 있다.In the present invention, we developed a cardiotoxicity evaluation platform by applying our own high-purity human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CM) to multielectrode analysis (MEA) and confirmed its applicability in cardiotoxic drug evaluation through clinical torsadogenic drug treatment. . Due to species differences and local channel analysis, the existing cardiotoxicity assessment methods, Langendorff and hERG channel analysis, have limitations in the overall assessment of cardiac dysfunction. Additionally, since evaluation of cardiac contractility is an important indicator of cardiac toxicity, the present invention can provide a standard platform for evaluating cardiotoxicity by stimulation-contraction coupling based on multiple probe impedances.

CiPA에서 제안한 심독성 평가를 수행하려면 hiPSC 유래 고기능성 고순도 CM을 생산하는 것이 중요하다. 따라서 본 발명자들은 저분자화합물 기반 분화 프로토콜 및 대사 선택을 통해 심장 독성 평가 플랫폼에 사용할 수 있는 세포 소스를 생산했다(도 1). CM 특이적 마커 cTnT 및 알파-엑티닌(α-actinin)의 발현과 심장 특이적 근절(sarcomeric) 구조의 형성만으로는 생체 내에서 심장의 기능을 모방하기가 어렵고 성숙이 이루어져야 한다. 따라서, 기능성 심장 세포의 주요 특징인 이온 전류와 전기 전도를 관찰하는 것은 필수적이다. 이에 본 발명자들은 30일까지 배양한 hiPSC-CM을 MEA 플레이트에 시드 후 안전화 과정을 거쳤고, 성숙화된 심근세포에서 필드 전위(FP)가 잘 관찰되었음을 확인하였다(도 3 G). 그런 다음 이전에 알려진 이온 채널 차단제를 처리하여 플랫폼의 전기 생리학적 변화를 비교하고 평가했다.To perform the cardiotoxicity assessment proposed by CiPA, it is important to produce hiPSC-derived highly functional and highly purified CM. Therefore, we produced a cell source that can be used in a cardiotoxicity assessment platform through a small molecule-based differentiation protocol and metabolic selection (Figure 1). It is difficult to mimic cardiac function in vivo solely through the expression of CM-specific markers cTnT and α-actinin and the formation of cardiac-specific sarcomeric structures, and maturation must be achieved. Therefore, it is essential to observe ionic currents and electrical conduction, which are key features of functional cardiac cells. Accordingly, the present inventors seeded hiPSC-CMs cultured for up to 30 days on MEA plates and underwent a stabilization process, and confirmed that field potential (FP) was well observed in mature cardiomyocytes (Figure 3 G). We then compared and evaluated electrophysiological changes in the platforms by treating them with previously known ion channel blockers.

또한 FP의 변화와 함께 임피던스를 기반으로 수축력을 측정하여 CM의 약물 반응을 보다 정확하게 평가하고자 했다. 현재 심장 독성을 평가하는데 일상적으로 사용되는 약물 유래 심전도의 변화는 형태적 손상으로 인한 신체 기능의 변화나 구조적 이상을 반영하지 않는다. 따라서 심독성에 대한 보다 정확한 평가를 위해서는 부정맥이 아닌 변화를 감지할 수 있도록 수축성을 추가로 평가해야 한다. 전통적으로, 성견 CMs의 수축 속도 및 근절 단축을 정량화하고, hiPSC-CMs의 현미경 비디오를 분석하기 위한 컴퓨터 플랫폼을 활용하고, 형광 염료를 사용하여 세포 내 Ca2+의 전이를 추적하는 것과 같은 광학 이미지 분석 방법이 수행되었다. 더 나아가, MEA 기반 임피던스 측정은 광학 분석에 비해 처리량이 향상되었다. 민감도, 예측 가능성, 특이성 은 유사하며, 동일한 플랫폼에서 구조적 심장 독성 및 부정맥 위험을 측정할 수 있다. 따라서 특정 약물의 심장 독성에 대한 기계적 통찰력을 제공하는 이점이 있다.In addition, we sought to more accurately evaluate the drug response of CM by measuring contractile force based on impedance along with changes in FP. Drug-induced electrocardiographic changes currently routinely used to assess cardiac toxicity do not reflect changes in body function or structural abnormalities due to morphological damage. Therefore, for a more accurate assessment of cardiotoxicity, contractility must be additionally evaluated to detect changes other than arrhythmia. Traditionally, optical image analysis methods, such as quantifying contraction velocity and sarcomere shortening of adult CMs, utilizing computational platforms to analyze microscopy videos of hiPSC-CMs, and tracking the translocation of intracellular Ca2+ using fluorescent dyes. This was done. Furthermore, MEA-based impedance measurements have improved throughput compared to optical analysis. Sensitivity, predictability, and specificity are similar, and structural cardiac toxicity and arrhythmia risk can be measured on the same platform. Therefore, it has the advantage of providing mechanistic insight into the cardiotoxicity of specific drugs.

본 발명자들은 자체 플랫폼에서 칼슘 채널 차단제인 니페디핀(nifedipine)을 처리했으며 FPD, FPDc 및 박동 기간이 농도에 따라 감소하고(도 4 A) 수축력을 나타내는 박동 진폭이 감소하였으며(도 7 A); 또한 이 두 결과는 상관 관계가 있음을 확인할 수 있었다(도 10). 니페디핀은 고혈압 및 심장 마비 환자 치료에 사용되는 L 형 칼슘 채널 차단제이다. 그러나 고용량을 사용하면 활동 전위를 단축시키고 심장의 부정맥을 유발하기 때문에 병원 밖에서 심정지 위험이 증가하는 것으로 알려져 있다. 이전 연구에서 니페디핀에 대한 노출은 hiPSC-CM에서 Ca2+ 파 진폭과 FPDc를 감소시키고 기니피그 심장의 수축성을 감소시켰다. 즉, 본 발명의 심장 독성 평가 플랫폼은 Ca2+ 채널과 관련된 전기 생리학적 및 수축력의 변화를 평가할 수 있다.We treated our platform with nifedipine, a calcium channel blocker, and found that FPD, FPDc, and beat duration decreased in a concentration-dependent manner (Figure 4 A) and beat amplitude, indicative of contractility, decreased (Figure 7 A); Additionally, it was confirmed that these two results were correlated (Figure 10). Nifedipine is an L-type calcium channel blocker used to treat patients with high blood pressure and heart failure. However, high doses are known to increase the risk of out-of-hospital cardiac arrest because they shorten action potentials and cause cardiac arrhythmias. In a previous study, exposure to nifedipine decreased Ca2+ wave amplitude and FPDc in hiPSC-CMs and reduced contractility in guinea pig hearts. That is, the cardiotoxicity evaluation platform of the present invention can evaluate changes in electrophysiology and contractility related to Ca2+ channels.

대조적으로 퀴니딘(quinidine), E-4031, 도페틸리드(dofetilide), 멕실레틴(mexiletine), 테르페나딘(terfenadine)을 투여했을 때 FPD와 FPDc는 증가하고 스파이크 진폭은 감소했으며 박동 진폭에는 큰 변화가 없었다(도 4 ~ 도 6). 테르페나딘(항히스타민제)을 제외한 상기 약물들은 항 부정맥제로 사용되며 hERG 채널 또는 다중 채널을 억제하는 것으로 알려져 있다. 심장 세포가 탈분극되면 세포 내부의 K+가 hERG 채널을 통해 밖으로 이동하여 막 전위를 재분극한다. hERG 채널의 기능 장애는 K+ 이온의 누출을 억제하고 막 횡단 전위를 변경하여 활동 전위 간격의 증가, FPDc의 연장 및 스파이크 진폭의 감소를 유도한다. 수축성 측면에서, 이전 연구에서 hERG 차단제가 hiPSC-CM에서 쥐 근육 세포의 Ca2+ 과도 현상을 증가시키고 수축을 변화시킬 수 있다고 보고했지만, FPD 지연 및 조기 탈분극과 같은 활동이 발생하더라도 수축성은 크게 영향을 받지 않는다고 보고했다. 또한 다른 hERG 채널 차단제인 펜타미딘(pentamidine)을 hiPSC-CM으로 처리했을 때 단기간에 FPD 또는 박동 진폭에 큰 변화가 없었다. 니페디핀에 대한 결과를 포함하여 위의 결과를 종합하면, 본 발명의 데이터는 각 약물이 이온 채널 및 수축성에 작용하는 메커니즘과 일치한다.In contrast, when quinidine, E-4031, dofetilide, mexiletine, and terfenadine were administered, FPD and FPDc increased, spike amplitude decreased, and there was a significant change in beat amplitude. There was none (Figures 4 to 6). These drugs, except terfenadine (an antihistamine), are used as antiarrhythmic drugs and are known to inhibit hERG channels or multiple channels. When a heart cell is depolarized, K+ inside the cell moves out through the hERG channel and repolarizes the membrane potential. Dysfunction of hERG channels inhibits leakage of K+ ions and alters the transmembrane potential, leading to an increase in the action potential interval, a prolongation of the FPDc, and a decrease in spike amplitude. In terms of contractility, a previous study reported that hERG blocker could increase Ca2+ transients and change contractility in rat muscle cells in hiPSC-CMs, but contractility was not significantly affected even though activities such as delayed FPD and premature depolarization occurred. reported that it did not. Additionally, when hiPSC-CMs were treated with pentamidine, another hERG channel blocker, there was no significant change in FPD or beat amplitude in the short term. Taking the above results together, including the results for nifedipine, our data are consistent with the mechanisms by which each drug acts on ion channels and contractility.

결론적으로 본 발명자들은 전기생리학적 및 임피던스 기반 수축성을 통해 신약 후보 물질의 심장 독성을 선별할 수 있는 hiPSC-CM/MEA 플랫폼을 개발하고, 심장 독성 메커니즘이 확인된 6 개의 기준 약물을 사용하여 평가했으며, 자극-수축 커플링을 동시에 포괄적으로 분석할 수 있음을 확인했다. 본 발명을 이용하는 경우 1) 기존의 전기 생리학적 분석을 통해 놓칠 수 있는 심장의 구조 또는 세포 독성 손상에 대한 약물의 영향을 파악하고 2) 복잡한 이온 채널에 의해 발생할 수 있는 부정맥 메커니즘을 규명할 수 있다.In conclusion, we developed a hiPSC-CM/MEA platform that can screen for cardiotoxicity of new drug candidates through electrophysiology and impedance-based contractility, and evaluated it using six reference drugs with confirmed cardiotoxicity mechanisms. , it was confirmed that stimulation-contraction coupling can be comprehensively analyzed simultaneously. Using the present invention, it is possible to 1) identify the effects of drugs on cardiac structure or cytotoxic damage that may be missed through existing electrophysiological analysis, and 2) identify arrhythmia mechanisms that may be caused by complex ion channels. .

따라서, 본 발명은 i) 다중전극 분석(Multi-electrode system) 를 이용하여 심근세포에 피검물질을 처리한 후 전기생리학적 신호를 측정하는 단계; 및Therefore, the present invention includes the steps of i) measuring electrophysiological signals after treating cardiomyocytes with a test substance using a multi-electrode system; and

ii) 상기 전기생리학적 신호를 측정한 후 다중전극 분석을 이용하여 수축력을 측정하는 단계; ii) measuring the contractile force using multi-electrode analysis after measuring the electrophysiological signal;

를 포함하는 이중-심장독성평가방법을 제공할 수 있다. A dual-cardiotoxicity evaluation method including: can be provided.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i) 의 심근세포는 인간 포피 섬유아세포 유래 hi-PSC 에서 분화된 심근세포인 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the cardiomyocytes of step i) may be cardiomyocytes differentiated from hi-PSCs derived from human foreskin fibroblasts.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i) 의 심근세포는, According to a preferred embodiment of the present invention, the cardiomyocytes of step i) are,

a) 인간 포피 섬유아세포 를 hiPSC로 재프로그래밍하는 단계; b) 상기 hiPSC 를 심근세포로 10일 ~ 14일 동안 분화시키는 단계; c) 상기 분화된 심근세포를 4일 ~ 8일 동안 정제하는 단계; 및 d) 상기 정제된 심근세포를 10일 ~ 14일 동안 성숙시키는 단계; 를 포함하여 제작된 것일 수 있다. a) reprogramming human foreskin fibroblasts into hiPSCs; b) Differentiating the hiPSCs into cardiomyocytes for 10 to 14 days; c) purifying the differentiated cardiomyocytes for 4 to 8 days; and d) maturing the purified cardiomyocytes for 10 to 14 days; It may be manufactured including.

바람직하게는, 상기 단계 i) 의 심근세포는, Preferably, the cardiomyocytes of step i) are,

a) 인간 포피 섬유아세포 를 hiPSC로 재프로그래밍하는 단계; b) 상기 hiPSC 를 심근세포로 11일 ~ 13일 동안 분화시키는 단계; c) 상기 분화된 심근세포를 5일 ~ 7일 동안 정제하는 단계; 및 d) 상기 정제된 심근세포를 11일 ~ 13일 동안 성숙시키는 단계; 를 포함하여 제작된 것일 수 있다. a) reprogramming human foreskin fibroblasts into hiPSCs; b) Differentiating the hiPSCs into cardiomyocytes for 11 to 13 days; c) purifying the differentiated cardiomyocytes for 5 to 7 days; and d) maturing the purified cardiomyocytes for 11 to 13 days; It may be manufactured including.

더욱 바람직하게는, 상기 단계 i) 의 심근세포는, More preferably, the cardiomyocytes of step i) are,

a) 인간 포피 섬유아세포 를 hiPSC로 재프로그래밍하는 단계; b) 상기 hiPSC 를 심근세포로 12일 동안 분화시키는 단계; c) 상기 분화된 심근세포를 6일 동안 정제하는 단계; 및 d) 상기 정제된 심근세포를 12일 동안 성숙시키는 단계; 를 포함하여 제작된 것일 수 있다. a) reprogramming human foreskin fibroblasts into hiPSCs; b) Differentiating the hiPSCs into cardiomyocytes for 12 days; c) purifying the differentiated cardiomyocytes for 6 days; and d) maturing the purified cardiomyocytes for 12 days; It may be manufactured including.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i)의 심근세포는 고순도의 성숙화된 심근세포일 수 있다. 상기 고순도란, FACS 분석시 심근세포 특이마커 cTnT 발현량이 90% 내지 100% 임을 의미할 수 있으며, 보다 바람직하게는 cTnT 발현량이 94% 내지 100% 임을 의미할 수 있다. 상기 성숙화된 심근세포란, 근절(sarcomere) 구조가 확인되고 cTnT(cardiac troponin T) 단백질 발현이 확인되며, 더 나아가 이온 전류 및 전기 전도가 잘 관찰되는 심근세포를 의미할 수 있다(실시예 1). 또는, 상기 성숙화된 심근세포란, MEA 측정을 위하여 baseline beating rate가 20-90 beat/min (i.e., 0.3-1.5 Hz) 이고, baseline spike amplitude가 0.3 mV 이상인 심근세포를 의미할 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the cardiomyocytes of step i) may be highly purified, mature cardiomyocytes. The high purity may mean that the expression level of the cardiomyocyte specific marker cTnT is 90% to 100% upon FACS analysis, and more preferably, it may mean that the expression level of cTnT is 94% to 100%. The matured cardiomyocytes may refer to cardiomyocytes in which the sarcomere structure is confirmed, cTnT (cardiac troponin T) protein expression is confirmed, and ionic current and electrical conduction are well observed (Example 1) . Alternatively, the matured cardiomyocytes may mean cardiomyocytes with a baseline beating rate of 20-90 beats/min (i.e., 0.3-1.5 Hz) and a baseline spike amplitude of 0.3 mV or more for MEA measurement.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i)의 심근세포는 10,000 개 내지 100,000 개로 MEA 플레이트에 시드되는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, 10,000 to 100,000 cardiomyocytes in step i) may be seeded on the MEA plate.

상기 단계 i)의 피검물질은 심장에 독성을 일으키는지 여부에 확인이 필요한 물질이라면 제한없이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 독성물질 또는 약물 후보 물질일 수 있다. 또한, 상기 단계 i)의 피검물질은 0.0001 ~ 30 μM 의 농도로 처리되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 0.001 ~ 3 μM 의 농도로 처리되는 것일 수 있다. The test substance in step i) may be used without limitation as long as it is a substance that needs to be confirmed as to whether it causes toxicity to the heart, but is preferably a toxic substance or a drug candidate. Additionally, the test substance in step i) may be treated at a concentration of 0.0001 to 30 μM, and preferably may be treated at a concentration of 0.001 to 3 μM.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i)의 전기생리학적 신호 측정은, FP 지표로서 필드 전위 지속기간(FPD), 보정된 필드 전위 지속기간(FPDc), 박동 주기 및 스파이크 진폭으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 측정하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the electrophysiological signal measurement in step i) consists of field potential duration (FPD), corrected field potential duration (FPDc), beat period, and spike amplitude as FP indicators. It may be measuring one or more items selected from the group.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i)의 전기생리학적 신호 측정은, 피검물질을 처리한 후 변화하는 심근세포의 FP 지표를 측정하는 것일 수 있다. 즉, 상기 단계 i)의 전기생리학적 신호의 측정은, 피검물질을 처리한 후 20분 ~ 30분 후 1분 ~ 10분 동안 측정하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 단계 i)의 전기생리학적 신호 측정은, 피검물질을 처리한 후 23분 ~ 27분 후 3분 ~ 7분 동안 측정하는 것일 수 있으며, 보다 바람직하게는 피검물질을 처리한 후 25분 후 5분 동안 측정하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the electrophysiological signal measurement in step i) may be to measure the FP index of cardiomyocytes that changes after treatment with the test substance. That is, the measurement of the electrophysiological signal in step i) may be performed for 1 to 10 minutes 20 to 30 minutes after processing the test material. Preferably, the electrophysiological signal measurement in step i) may be measured for 3 to 7 minutes 23 to 27 minutes after processing the test material, and more preferably, after processing the test material. This may be measured for 5 minutes after 25 minutes.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 ii)의 수축력 측정은 박동 진폭을 측정하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the contractile force measurement in step ii) may be to measure the beat amplitude.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 iii) 의 수축력 측정은, 상기 전기생리학적 신호를 측정한 후 변화하는 박동 진폭을 측정하는 것일 수 있다. 즉, 상기 단계 ii)의 수축력 측정은 상기 전기생리학적 신호를 측정한 후 1분 ~ 10분 동안 측정하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 단계 ii)의 수축력 측정은 상기 전기생리학적 신호를 측정한 후 3분 ~ 7분 동안 측정하는 것일 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 전기생리학적 신호를 측정한 후 5분 동안 측정하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the contractile force of step iii) may be measured by measuring the changing beat amplitude after measuring the electrophysiological signal. That is, the contractile force measurement in step ii) may be measured for 1 to 10 minutes after measuring the electrophysiological signal. Preferably, the contractile force in step ii) may be measured for 3 to 7 minutes after measuring the electrophysiological signal, and more preferably for 5 minutes after measuring the electrophysiological signal. It may be.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단계 i) 에서 측정한 전기생리학적 신호; 및 상기 단계 ii) 에서 측정한 수축력; 이 모두 정상대조군에 비하여 5% 내지 15% 이상 차이가 나는 경우 피검물질이 심장독성을 나타내는 것으로 판단하는 것일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 단계 i) 에서 측정한 전기생리학적 신호; 및 상기 단계 ii) 에서 측정한 수축력; 이 모두 정상대조군에 비하여 10% 이상 차이가 나는 경우 피검물질이 심장독성을 나타내는 것으로 판단하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the electrophysiological signal measured in step i); and the contractile force measured in step ii); If all of these differ by more than 5% to 15% compared to the normal control group, it may be judged that the test substance exhibits cardiotoxicity. More preferably, the electrophysiological signal measured in step i); and the contractile force measured in step ii); If all of these differ by more than 10% compared to the normal control group, it may be judged that the test substance exhibits cardiotoxicity.

상기 전기생리학적 신호는 FP 지표로서 필드 전위 지속기간(FPD), 보정된 필드 전위 지속기간(FPDc), 박동 주기 및 스파이크 진폭으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 필드 전위 지속기간(FPD), 보정된 필드 전위 지속기간(FPDc) 및 박동 주기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 상기 수축력은 박동 진폭의 변화일 수 있다. The electrophysiological signal may be any one or more selected from the group consisting of field potential duration (FPD), corrected field potential duration (FPDc), beat period, and spike amplitude as an FP indicator, and is preferably field potential duration. It may be any one or more selected from the group consisting of period (FPD), corrected field potential duration (FPDc), and beat period. The contractile force may be a change in beat amplitude.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 심장독성은 약물로 인한 심장독성인 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the cardiotoxicity may be drug-induced cardiotoxicity.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 심장독성은 부정맥(arrhythmia)을 의미하는 것일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the cardiotoxicity may mean arrhythmia.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석하지 않는 것은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다. 본 발명에서 사용된 모든 화학 시약은 Tocris와 Sigma-Aldrich에서 구입했다. 1000 배 화학 저장 용액을 DMSO에서 준비하고 -20 ℃에서 보관했으며, 연속 희석(serial dilution)된 화학 물질(1000 배)은 화합물 첨가 직전에 DMSO에서 추가로 준비되었다. 화학 물질의 10 배 최종 희석액은 1 회용 배양 배지로 준비되었다. 처리된 웰에서 DMSO의 최종 농도는 0.1 % 였다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that the scope of the present invention should not be construed as limited by these examples. All chemical reagents used in the present invention were purchased from Tocris and Sigma-Aldrich. 1000-fold chemical stock solutions were prepared in DMSO and stored at -20 °C, and serial dilutions (1000-fold) of chemicals were further prepared in DMSO immediately prior to compound addition. A 10-fold final dilution of chemicals was prepared as disposable culture medium. The final concentration of DMSO in treated wells was 0.1%.

심독성 테스트를 위한 hiPSC-CM의 생성 및 특성화Generation and characterization of hiPSC-CMs for cardiotoxicity testing

<1-1> hiPSC-CM 생성<1-1> hiPSC-CM generation

CiPA는 인간 환경과 유사한 시스템에서 위험 평가를 위해 hiPSC-CM을 목표로 하는 개정된 심혈관 약리학 테스트이다. CM은 CiPA가 제시한 방향에 따라 자체 제작하여 MEA에 적용했다. hiPSC는 화학적으로 정의된 프로토콜을 사용하여 분화되어 박동 CM을 생성하고 고순도 CM은 젖산 나트륨을 사용하여 대사 선택을 통해 획득되었다(도 1 A). CiPA is a revised cardiovascular pharmacology test targeting hiPSC-CMs for risk assessment in a system similar to the human environment. CM was produced in-house according to the direction suggested by CiPA and applied to MEA. hiPSCs were chemically differentiated using a defined protocol to generate beating CMs, and highly purified CMs were obtained through metabolic selection using sodium lactate (Figure 1 A).

구체적으로, 인간 포피 섬유아세포(BJ-섬유아세포, ATCC; VA, USA)를 재프로그래밍 에피솜 벡터를 사용하여 재프로그래밍 하였다(비특허문헌 1). 그 후, 심장 계통으로의 분화시키기 위해 hiPSC를 Matrigel(Corning Inc .; Corning, NY, USA) 코팅된 세포 배양 접시(Eppendorf; Hamburg, Germany)에 시드했다. hiPSC를 시드할 때 5μM Y-27632(Tocris Bioscience; 영국 브리스톨)를 mTeSRTM1(STEMCELL Technologies Inc; Vancouver, BC, Canada) 배지에 첨가하고 24 시간 후에 배지를 교체했다. 그 이후로 3-4 일 동안 밀집(confluency)이 90 %에 도달할 때까지 배지를 매일 교체했다. 0 일에 세포를 RPMI 1640(Gibco)+ B27 보충제(B27(-); Gibco)에서 CHIR99021(Tocris) 6 μM으로 처리했다. 48 시간 후, 배지를 2μM C59(Selleckchem; Houston, TX, USA)가 보충된 RPMI1640 + B27(-)로 추가 48 시간 동안 교체했다. 4 일째에 배지를 RPMI1640 + B27 보충제(B27(+); Gibco)로 교체하고 수축이 발생할 때까지 2 일마다 새로 교체했다. 8 일 ~ 10 일에 수축하는 세포가 나타나면 TrypeLE(Gibco)를 사용하여 세포를 분리하고 마트리겔 코팅 접시에 계대배양 하였다. 12 일부터 17 일까지 배지를 글루코스가 없는 RPMI1640 + L-락테이트 나트륨(Simgma-Aldrich; St. Louis, MO, USA)을 함유하는 B27(+)로 교체하여 hiPSC-CM을 대사적으로 선택하고 정제하였다. 정제 후, 배지는 hiPSC-CM이 성숙될 수 있도록 30 일까지 2 일마다 RPMI1640 + B27(+)로 교체하였다.Specifically, human foreskin fibroblasts (BJ-fibroblasts, ATCC; VA, USA) were reprogrammed using a reprogramming episomal vector (Non-patent Document 1). Afterwards, hiPSCs were seeded on Matrigel (Corning Inc.; Corning, NY, USA) coated cell culture dishes (Eppendorf; Hamburg, Germany) for differentiation into the cardiac lineage. When seeding hiPSCs, 5 μM Y-27632 (Tocris Bioscience; Bristol, UK) was added to mTeSRTM1 (STEMCELL Technologies Inc; Vancouver, BC, Canada) medium, and the medium was replaced 24 h later. Thereafter, the medium was changed daily for 3-4 days until confluency reached 90%. On day 0, cells were treated with CHIR99021 (Tocris) 6 μM in RPMI 1640 (Gibco) + B27 supplement (B27(-); Gibco). After 48 h, the medium was replaced with RPMI1640 + B27(-) supplemented with 2 μM C59 (Selleckchem; Houston, TX, USA) for an additional 48 h. On day 4, the medium was replaced with RPMI1640 + B27 supplement (B27(+); Gibco) and refreshed every 2 days until contraction occurred. When shrinking cells appeared on days 8 to 10, cells were isolated using TrypeLE (Gibco) and subcultured on Matrigel-coated dishes. From days 12 to 17, hiPSC-CMs were metabolically selected by replacing the medium with glucose-free RPMI1640 + B27(+) containing sodium L-lactate (Simgma-Aldrich; St. Louis, MO, USA). Purified. After purification, the medium was replaced with RPMI1640 + B27(+) every 2 days until day 30 to allow hiPSC-CMs to mature.

<1-2> hiPSC-CM 특징 분석<1-2> hiPSC-CM characteristic analysis

생성된 CM의 특성을 확인하기 위해 CM-특이적 마커 항체를 사용하여 면역 형광 염색 및 FACS 분석을 수행하고자 하였다. To confirm the characteristics of the generated CM, we attempted to perform immunofluorescence staining and FACS analysis using a CM-specific marker antibody.

구체적으로, 유세포 분석(FACS)은 hiPSC-CM을 4 % 파라포름 알데히드 용액(PFA)에 20 분 동안 고정하고 세척 후 FACS 용액에 재현탁했다. 그 다음, 고정된 hiPSC-CM을 1 : 200 PE- 접합된 인간 항-Cardiac Troponin T 항체(cTnT; Thermo Fisher Scientific; Waltham, MA, USA)를 사용하여 30 분 동안 4 ℃에서 염색하였다. hiPSC-CM은 FACSCalibur 및 Cell Quest 소프트웨어(BD Biosciences; San Jose, CA, USA)를 사용하여 분석하였다.Specifically, for flow cytometry (FACS), hiPSC-CMs were fixed in 4% paraformaldehyde solution (PFA) for 20 min and resuspended in FACS solution after washing. Then, fixed hiPSC-CMs were stained using 1:200 PE-conjugated human anti-Cardiac Troponin T antibody (cTnT; Thermo Fisher Scientific; Waltham, MA, USA) for 30 min at 4 °C. hiPSC-CMs were analyzed using FACSCalibur and Cell Quest software (BD Biosciences; San Jose, CA, USA).

면역형광염색은, hiPSC-CM을 마트리겔 코팅 접시에 플레이팅하고 5 일 동안 배양했다. 그 다음 세포를 4 ℃에서 20 분 동안 4 % PFA로 고정하고, 실온에서 0.03 % Triton X-100으로 10 분 동안 투과시키고 0.03% Triton X-100 의 3 % 일반 염소 혈청(NGS; Thermo Fisher Scientific)에서 30 분 동안 실온에서 차단했다. 이어서, 세포를 0.03 % Triton X-100 에서 하루동안 4 ℃에서 1 : 200 cTnT(Abcam; Cambridge, MA, USA) 및 α-sarcomeric actinin(α-actinin; Sigma-Aldrich; St Louis, MO, USA)으로 염색했다. 쉐이커에서 세포를 0.03 % Triton X-100으로 10 분 동안 3 회 세척하고 2 차 항체 1 : 1000 Alexa Fluor 488 염소 항-마우스 IgG 및 1 : 1000 Alexa Fluor 594 염소 항-토끼 IgG(Thermo Fisher Scientific)와 함께 어두운 곳에서 실온에서 2 시간 동안 배양했다. 세포는 핵을 DAPI(Thermo Fisher Scientific)로 염색하기 전에 세 번 세척했다. 모든 이미지는 형광 현미경 Nikon TE2000-U(Nikon; Japan)를 사용하여 분석되었다.For immunofluorescence staining, hiPSC-CMs were plated on Matrigel-coated dishes and cultured for 5 days. Cells were then fixed with 4% PFA for 20 min at 4 °C, permeabilized with 0.03% Triton X-100 for 10 min at room temperature, and incubated with 3% normal goat serum in 0.03% Triton Blocked at room temperature for 30 min. Then, cells were incubated with 1:200 cTnT (Abcam; Cambridge, MA, USA) and α-sarcomeric actinin (α-actinin; Sigma-Aldrich; St Louis, MO, USA) in 0.03% Triton X-100 for one day at 4°C. dyed with On a shaker, cells were washed three times for 10 min with 0.03% Triton Together, they were incubated in the dark at room temperature for 2 hours. Cells were washed three times before nuclei were stained with DAPI (Thermo Fisher Scientific). All images were analyzed using a fluorescence microscope Nikon TE2000-U (Nikon; Japan).

알파-엑티닌(α-actinin)과 cTnT를 염색한 결과 CM 특이적 구조인 근절(sarcomere) 구조가 확인되었다(도 1 B). 또한 FACS 분석은 94.51 % cTnT가 발현되었음을 확인했다(도 1 C). 이러한 결과는 생산된 CM이 MEA 기반 심장 독성 테스트에 적합한 소스임을 보여준다.As a result of staining for α-actinin and cTnT, the sarcomere structure, a CM-specific structure, was confirmed (Figure 1 B). Additionally, FACS analysis confirmed that 94.51% cTnT was expressed (Figure 1 C). These results show that the produced CM is a suitable source for MEA-based cardiotoxicity testing.

hiPSC-CM을 사용한 두 가지 MEA 기반 분석 방법 정의Defining two MEA-based analysis methods using hiPSC-CMs

MEA를 사용한 심장 독성 테스트 및 CiPA에 대하여 보고된 참고 자료를 기반으로, hiPSC-CM을 시드한 후 이를 안정화시켜 기준선을 기록하고 약물 투여 후 FP 활성 및 수축력을 기록했다(도 2 D). CM의 FP는 주로 MEA를 사용하여 측정하지만, Maestro Edge 버전의 MEA는 FP뿐만 아니라 수축력도 평가할 수 있다. Based on reported references for cardiotoxicity testing using MEA and CiPA, hiPSC-CMs were seeded and then stabilized to record baseline and FP activity and contractility after drug administration (Figure 2 D). FP of CM is mainly measured using MEA, but the Maestro Edge version of MEA can evaluate not only FP but also contractile force.

구체적으로, 24 웰 MEA 플레이트에 hiPSC-CM을 시드하기 위해 50 μg/ml 피브로넥틴(Sigma-Aldrich)을 전극이 포함된 기록 부위의 웰 중앙에 1 시간 동안 코팅했다. 피브로넥틴을 제거한 후, 50,000 개의 세포에 6ul의 배지 방울을 주입하여 방울형태로 MEA 플레이트에 시드하였고, 500 ㎕의 배지를 1 시간 후에 첨가하였다. CM의 전기 생리학적 신호가 나타날 때까지 2 일마다 배지를 교체하고 약 6 일 후에 실험을 진행하였다. 실험 당일, hiPSC-CM으로 시드된 MEA 플레이트를 인큐베이터에서 MEA 장치, Maestro Edge 버전(Axion BioSystems Inc; Atlanta, GA, USA)으로 직접 옮겼다. 온도와 pH를 유지하기 위해 Environmental controls(37 ℃및 5 % CO2)을 사용했다. 전기 신호의 오류 범위를 최소화하기 위해 기준 기록은 MEA에서 25 분 후 5 분 동안 FP를 측정하고 추가로 5 분 동안 수축성을 측정했다. 약물은 최종 농도의 10 배로 새로 준비되었으며, 배지 부피의 10 %를 각 웰에서 제거하고 동일한 부피의 준비된 약물을 추가했다. 기계적 및 온도 섭동을 최소화하기 위해 플레이트가 MEA 장치에 남아있는 동안 투여가 수행되었다. FP 및 수축성은 기준선 기록과 동일한 방식으로 약물 주입 후 25 분마다 5 분 동안 기록되었다. 실험은 웰당 1 회 투여량을 주입하고 각 약물 농도당 3 웰 이상에서 CM의 전기 생리학적 신호 변화를 측정하였다. AxIS 소프트웨어에서 FP 및 수축 값의 원시 데이터를 기록한 후 Cardiac Analysis Tool 및 AxIS Metric Plotting Tool(Axion BioSystems Inc) 을 사용하여 분석했다. 모든 데이터는 평균 ± SD로 표시되었다.Specifically, to seed hiPSC-CMs in a 24-well MEA plate, 50 μg/ml fibronectin (Sigma-Aldrich) was coated on the center of the well at the recording site containing the electrode for 1 hour. After removing fibronectin, 6 ul of medium droplets were injected into 50,000 cells and seeded on the MEA plate in the form of droplets, and 500 µl of medium was added 1 hour later. The medium was changed every 2 days until electrophysiological signals from CM appeared, and the experiment was performed after about 6 days. On the day of the experiment, MEA plates seeded with hiPSC-CMs were transferred directly from the incubator to the MEA device, Maestro Edge version (Axion BioSystems Inc; Atlanta, GA, USA). Environmental controls (37 °C and 5% CO2) were used to maintain temperature and pH. To minimize the error margin of the electrical signal, baseline recordings were made after 25 min on the MEA, with FP measured for 5 min and contractility measured for an additional 5 min. Drugs were freshly prepared at 10 times the final concentration, 10% of the medium volume was removed from each well and an equal volume of prepared drug was added. Dosing was performed while the plate remained in the MEA device to minimize mechanical and temperature perturbations. FP and contractility were recorded for 5 min every 25 min after drug injection in the same manner as baseline recordings. In the experiment, one dose was injected per well and changes in electrophysiological signals of CM were measured in more than 3 wells for each drug concentration. Raw data of FP and contraction values were recorded in AxIS software and then analyzed using Cardiac Analysis Tool and AxIS Metric Plotting Tool (Axion BioSystems Inc). All data were expressed as mean ± SD.

그 결과, hiPSC-CM의 50,000 개 세포가 MEA 플레이트의 전극에 잘 시드된 것으로 확인되었다(도 2 E). 심장은 이온의 유입과 유출에 따라 탈분극과 재분극을 겪고, 수축과 이완이라는 펌핑 작용을 통해 혈액이 순환한다. 심장의 구성 세포인 심실 CM은 심장의 기능을 반영한다. 따라서 MEA에 나타나는 hiPSC-CM에서 파생된 복잡한 파형은 기본 매개 변수의 변수를 반영한다(도 3). FP는 (1) FPD, (2) 수정된 FPD(FPDc), (3) 박동주기 및 (4) 스파이크 진폭(도 3 F)의 네 가지 주요 매개 변수로 구성된다. FPD는 탈분극 스파이크와 재분극 기능의 피크 사이의 간격으로 정의되며 임상 ECG의 QT 간격과 거의 유사하다. FPD 측정은 체외 심장 독성 테스트에서 가장 일반적으로 사용되는 속도 보정 공식인 Fridericia 보정(FPDc)을 사용하여 속도 보정되었다. 약물 치료와 기준 조건 사이의 백분율 변화는 각 웰에 대해 계산되었다. 박동 기간은 두 개의 연속적인 탈분극 스파이크 사이의 간격으로 정의되었으며 스파이크 진폭은 전파 활동 전위의 상승에 대한 약물의 영향을 간접적으로 측정하였다. 수축력의 주요 매개 변수는 박동 진폭이며(도 3 G). 임피던스 신호를 기반으로한 파형의 박동 진폭은 수축 정도를 나타낸다.As a result, it was confirmed that 50,000 cells of hiPSC-CM were well seeded on the electrode of the MEA plate (Figure 2 E). The heart undergoes depolarization and repolarization according to the inflow and outflow of ions, and blood circulates through the pumping action of contraction and relaxation. Ventricular CM, the constituent cells of the heart, reflect the function of the heart. Therefore, the complex waveforms derived from hiPSC-CMs appearing on MEA reflect variations in baseline parameters (Figure 3). FP consists of four main parameters: (1) FPD, (2) FPD corrected (FPDc), (3) beat period, and (4) spike amplitude (Figure 3 F). FPD is defined as the interval between the depolarizing spike and the peak of the repolarizing function and closely resembles the QT interval in clinical ECG. FPD measurements were rate corrected using the Fridericia correction (FPDc), the most commonly used rate correction formula in in vitro cardiotoxicity testing. The percent change between drug treatment and baseline conditions was calculated for each well. Beat duration was defined as the interval between two consecutive depolarizing spikes, and spike amplitude was an indirect measure of the effect of the drug on the rise of propagating action potentials. The main parameter of contractility is the beat amplitude ( Figure 3 G). The beat amplitude of the waveform based on the impedance signal indicates the degree of contraction.

임상 torsadogenic 약물 노출에 따른 FP 활성 분석Analysis of FP activity following clinical torsadogenic drug exposure

CiPA 및 JiCSA(Japan iPS Cardiac Safety Assessment)에서 MEA 기반 심혈관 약리학 테스트는 임상 torsadogenic 정보가 포함된 다양한 약물을 사용하여 평가되었다. 이러한 약물에는 심혈관 약물(항 부정맥, 항 협심증 및 고혈압 약물), 삶의 질 향상 약물(항 알레르기, 소화계, 비뇨기 계통 및 항 혈소판 약물), 정신병 약물 및 항 질병 약물(항생제, 말라리아 및 항암제)이 있다. CM의 이온 채널에 영향을 미치는 TdP(torsade de pointes, 염전성 심실빈맥) 위험 약물을 사용하여 hiPSC-CM에서 FP의 네 가지 주요 매개 변수의 변화를 확인했다(도 4 ~ 도 6, 표 1 및 2). 약물의 용량은 참고 문헌에 따라 결정되었다(비특허문헌 2).MEA-based cardiovascular pharmacology tests in CiPA and JiCSA (Japan iPS Cardiac Safety Assessment) were evaluated using a variety of drugs with clinical torsadogenic information. These drugs include cardiovascular drugs (anti-arrhythmia, anti-angina and anti-hypertensive drugs), quality-of-life drugs (anti-allergy, digestive, urinary and anti-platelet drugs), psychotropic drugs and anti-disease drugs (antibiotics, anti-malarial and anti-cancer drugs). . Using torsade de pointes (TdP) risk drugs that affect ion channels in CMs, we identified changes in four key parameters of FP in hiPSC-CMs (Figures 4 to 6, Tables 1 and 2). The dosage of the drug was determined according to reference literature (Non-patent Document 2).

1) 니페디핀(Nifedipine) - 니페디핀은 TdP 위험 범주에서 인간에서 분리된 TdP 사례 보고가 있는 약물에 속하는 L 형 Ca2+ 채널 억제제이다. hiPSC-CM을 니페디핀으로 처리하면 FPD, FPDc 및 박동 기간이 용량에 따라 감소했다. 그러나 스파이크 진폭은 용량에 따라 크게 변하지 않았다.1) Nifedipine - Nifedipine is an L-type Ca2+ channel inhibitor that belongs to the TdP risk category of drugs with isolated TdP case reports in humans. Treatment of hiPSC-CMs with nifedipine resulted in a dose-dependent decrease in FPD, FPDc, and beat duration. However, spike amplitude did not change significantly with dose.

2) 퀴니딘(Quinidine) - 퀴니딘은 항 부정맥제/클래스-Ia 화합물로 Na+ 및 hERG에 대한 다중 채널 차단제이며 TdP 위험 범주에서 재분극-연장 항 부정맥제에 속한다. hiPSC-CM을 퀴니딘으로 처리했을 때 FPD와 FPDc가 증가하고, 투여량에 따라 박동주기가 약간 증가했다. 또한 스파이크 진폭은 용량에 따라 약간 감소했다.2) Quinidine - Quinidine is an antiarrhythmic/class-Ia compound, a multi-channel blocker for Na+ and hERG and belongs to the repolarization-prolonging antiarrhythmic drugs in the TdP risk category. When hiPSC-CMs were treated with quinidine, FPD and FPDc increased, and beat cycle slightly increased in a dose-dependent manner. Spike amplitude also decreased slightly dose-dependently.

3) E-4031 - E-4301은 항 부정맥제/클래스 III 화합물이며 hERG 채널 차단제로 알려져 있으며, 이는 TdP 위험 범주에 판매되지 않은 클래스 III 항 부정맥제에 속한다. E-4031로 처리하면 FPD 및 FPDc가 용량 의존적으로 증가했으며 0.03 μM에서 FPD는 36.10 ± 6.63 %로 증가했다. 0.003 μM 및 0.01 μM에서 박동주기는 변하지 않았지만 0.03 μM에서 박동주기는 대조군에 비해 11.89 ± 6.23 %로 증가했다. 스파이크 진폭은 E-4031의 농도가 증가함에 따라 크게 감소했다.3) E-4031 - E-4301 is an antiarrhythmic/class III compound and known as hERG channel blocker, it belongs to class III antiarrhythmic drugs not marketed in TdP risk category. Treatment with E-4031 increased FPD and FPDc in a dose-dependent manner, with FPD increasing to 36.10 ± 6.63% at 0.03 μM. At 0.003 μM and 0.01 μM the beating period was unchanged, but at 0.03 μM the beating period increased to 11.89 ± 6.23% compared to the control. Spike amplitude decreased significantly with increasing concentrations of E-4031.

4) 도페틸리드(Dofetilide) - 도페틸리드는 hERG 채널 차단제로 알려진 항 부정맥제/클래스 III이며 TdP 위험 범주에서 재분극-연장 항 부정맥제에 속한다. hiPSC-CM을 도페틸리드로 처리하는 경우 FPD 및 FPDc가 용량에 따라 증가했다. 그러나 박동주기는 농도에 관계없이 변하지 않았다. 스파이크 진폭은 0.0003 μM 및 0.001 μM에서 일관성이 있었지만 0.003 μM에서 감소했다.4) Dofetilide - Dofetilide is an antiarrhythmic/class III known hERG channel blocker and belongs to the repolarizing-prolonging antiarrhythmic drugs in the TdP risk category. When hiPSC-CMs were treated with dofetilide, FPD and FPDc increased in a dose-dependent manner. However, the beat cycle did not change regardless of concentration. Spike amplitude was consistent at 0.0003 μM and 0.001 μM but decreased at 0.003 μM.

5) 테르페나딘(Terfenadine) - 테르페나딘은 hERG 채널을 억제하는 항 알레르기/히스타민 H1-수용체 길항제 이다. 테르페나딘은 TdP 위험 범주에서 치료되는 상태에 대해 적어도 하나의 주요 규제 영역에서 허용할 수 없는 TdP 위험으로 인해 시장에서 철회 또는 중단된 약물이다. 테르페나딘으로 처리했을 때 FPD와 FPDc의 약간의 증가가 관찰되었으며 1 μM에서는 스파이크 진폭의 급격한 감소로 인해 감지되지 않았다. 테르페나딘의 투여는 박동주기에 영향을 미치지 않았다.5) Terfenadine - Terfenadine is an anti-allergy/histamine H1-receptor antagonist that inhibits hERG channels. Terfenadine is a drug that has been withdrawn or discontinued from the market due to an unacceptable TdP risk in at least one major regulatory area for the condition being treated in the TdP risk category. A slight increase in FPD and FPDc was observed upon treatment with terfenadine and was not detectable at 1 μM due to a rapid decrease in spike amplitude. Administration of terfenadine did not affect the beat cycle.

6) 멕실레틴(Mexiletine) - 멕실레틴은 늦은 Na+ 채널과 hERG 채널의 작용을 차단하는 것으로 알려진 항 부정맥/클래스 Ib 이며, 이는 TdP 위험 범주에서 인간의 TdP에 대한 분리된 보고가 있는 약물 그룹에 속한다. 멕실레틴으로 hiPSC-CM을 처리하면 FPD, FPDc 및 박동 기간이 용량 의존적으로 증가했다. 30 μM의 농도에서 이러한 매개 변수는 스파이크 진폭의 급격한 감소로 인해 감지되지 않았다.6) Mexiletine - Mexiletine is an antiarrhythmic/class Ib drug known to block the action of late Na+ channels and hERG channels, and it belongs to a group of drugs with isolated reports of TdP in humans in the TdP risk category. . Treatment of hiPSC-CMs with mexiletine increased FPD, FPDc, and beat duration in a dose-dependent manner. At a concentration of 30 μM, these parameters were not detectable due to a sharp decrease in spike amplitude.

약물drug Primary Ion current blockedPrimary Ion current blocked TdP risk category
(Redfern/Mirams)
TdP risk categories
(Redfern/Mirams)
실험 농도(μM)Experimental concentration (μM)
1One 22 33 44 NifedipineNifedipine Ca2+ Ca2 + 44 0.010.01 0.030.03 0.10.1 0.30.3 QunidineQunidine Na+, hERGNa + , hERG 1One 0.10.1 0.30.3 1One -- E-4031E-4031 hERGhERG ** 0.0030.003 0.010.01 0.030.03 0.10.1 DofetilideDofetilide hERGhERG 1One 0.00030.0003 0.0010.001 0.0030.003 0.010.01 TerfenadineTerfenadine Ca2+, hERGCa 2+ , hERG 22 0.030.03 0.10.1 0.30.3 1One MexiletineMexiletine Na+, hERGNa + , hERG 44 1One 33 1010 3030

상기 [표 1] 은 임상 torsadogenic 약물에 포함된 참조 약물들을 나타낸다(TdP 위험 범주(TdP risk category): 1, 재분극 연장 항 부정맥제; 2, 치료중인 상태에 대해 적어도 하나의 주요 규제 영역에서 허용할 수 없는 TdP 위험으로 인해 시장에서 철회 또는 중단된 약물; 3, 인간에서 측정 가능한 TdP 발생률이 있거나 출판된 문헌에 수많은 사례 보고서가 있는 약물; 4, 인간에서 분리된 TdP 보고가 있는 약물; 5, 인간에 대한 TdP 보고서가 발표되지 않은 약물; *, 시판되지 않은 클래스 Ⅲ 부정맥 치료제; -, 비공개 약물).Table 1 above shows the reference drugs included in the clinical torsadogenic drugs (TdP risk categories: 1, repolarization-prolonging antiarrhythmic drugs; 2, drugs acceptable in at least one major regulatory area for the condition being treated). Drugs withdrawn or discontinued from the market due to unknown TdP risk; 3, Drugs with a measurable incidence of TdP in humans or for which there are numerous case reports in the published literature; 4, Drugs with isolated reports of TdP in humans; 5, Drugs with isolated reports of TdP in humans Drugs for which no TdP reports have been published; *, unmarketed class III antiarrhythmia drugs; -, undisclosed drug).

약물drug 농도(μM)Concentration (μM) FPD 변화(%)FPD change (%) FPDc 변화(%)FPDc change (%) 박동 주기 변화(%)Beat cycle change (%) 스파이크 진폭 변화(%)Spike amplitude change (%) NifedipineNifedipine 0.010.01 3.63±4.853.63±4.85 9.18±6.109.18±6.10 -14.34±4.43-14.34±4.43 0.95±0.440.95±0.44 0.030.03 -4.14±9.88-4.14±9.88 3.76±11.313.76±11.31 -20.95±4.82-20.95±4.82 -5.09±5.43-5.09±5.43 0.10.1 -28.88±3.54-28.88±3.54 -17.36±6.43-17.36±6.43 -35.83±6.17-35.83±6.17 5.59±3.415.59±3.41 0.30.3 -58.41±3.64-58.41±3.64 -45.81±5.16-45.81±5.16 -54.55±4.89-54.55±4.89 23.95±14.1223.95±14.12 QunidineQunidine 0.10.1 7.85±12.057.85±12.05 8.53±14.188.53±14.18 -1.07±7.43-1.07±7.43 1.18±17.081.18±17.08 0.30.3 19.39±9.1619.39±9.16 17.85±13.4017.85±13.40 5.90±16.445.90±16.44 -13.74±16.75-13.74±16.75 1One 32.12±37.4432.12±37.44 26.33±38.4126.33±38.41 16.28±17.4916.28±17.49 -31.22±12.46-31.22±12.46 E-4031E-4031 0.0030.003 11.86±2.2211.86±2.22 13.56±2.7013.56±2.70 -4.38±2.12-4.38±2.12 -9.42±20.76-9.42±20.76 0.010.01 18.27±8.6918.27±8.69 18.63±8.8318.63±8.83 -0.90±1.12-0.90±1.12 -31.63±33.36-31.63±33.36 0.030.03 36.10±6.6336.10±6.63 31.20±8.8231.20±8.82 11.89±6.2311.89±6.23 -92.48±7.24-92.48±7.24 DofetilideDofetilide 0.00030.0003 4.93±5.824.93±5.82 6.05±6.846.05±6.84 -3.00±2.72-3.00±2.72 1.88±6.941.88±6.94 0.0010.001 9.36±0.969.36±0.96 9.65±1.239.65±1.23 -0.76±1.90-0.76±1.90 -2.94±4.60-2.94±4.60 0.0030.003 30.79±7.3430.79±7.34 29.73±7.5129.73±7.51 2.49±1.472.49±1.47 -49.67±33.28-49.67±33.28 TerfenadineTerfenadine 0.030.03 3.21±5.653.21±5.65 6.47±5.296.47±5.29 -8.89±3.96-8.89±3.96 -4.51±4.46-4.51±4.46 0.10.1 10.32±4.2010.32±4.20 12.84±3.69 12.84±3.69 -6.48±5.39-6.48±5.39 -8.06±4.41-8.06±4.41 0.30.3 12.94±10.0112.94±10.01 12.57±8.9412.57±8.94 0.99±6.170.99±6.17 -67.00±17.96-67.00±17.96 1One Not detectedNot detected Not detectedNot detected Not detectedNot detected -100±0.00-100±0.00 MexiletineMexiletine 1One 1.92±7.061.92±7.06 2.16±7.402.16±7.40 -0.60±3.90-0.60±3.90 3.85±12.183.85±12.18 1010 45.74±1.0345.74±1.03 36.27±2.5536.27±2.55 22.53±9.4822.53±9.48 -82.94±8.33-82.94±8.33 3030 Not detectedNot detected Not detectedNot detected Not detectedNot detected -100±0.00-100±0.00

상기 [표 2] 는 필트 전위 활성의 주요 4가지 파라미터에 대한 약물의 농도에 따른 효과를 나타낸다. [Table 2] above shows the effect of drug concentration on the four main parameters of field potential activity.

임상 torsadogenic 약물 노출에 따른 수축력 분석Contractile force analysis following clinical torsadogenic drug exposure

TdP 약물은 특정 이온 채널을 차단하여 QT 간격의 변화를 유도하는 것으로 알려져 있으며, 이는 주로 CM에서 전기 생리학적 변화(예 : 활동 전위 또는 FP 활동)로 관찰된다. 그러나 TdP 약물이 적용될 때 심근 수축의 변화에 대한 정보는 거의 없다. 따라서 심독성을 보다 정확하게 예측하기 위해 FP를 기록한 후 수축의 주요 매개 변수인 박동 진폭의 변화를 확인했다(도 7 ~ 도 9, 표 3). 칼슘 채널 차단제인 니페디핀을 투여했을 때 농도가 증가함에 따라 박동 진폭이 감소하고 0.3 μM 니페디핀 처리 후 박동 진폭이 62.01 ± 9.00 % 감소했다(도 7 A). 그러나 hERG 및 다중 채널 차단제인 다양한 약물을 투여했을 때 박동 진폭에 큰 변화가 없었다(도 7 ~ 도 9).TdP drugs are known to induce changes in the QT interval by blocking specific ion channels, which are mainly observed as electrophysiological changes (e.g. action potentials or FP activity) in the CM. However, little information is available on changes in myocardial contractility when TdP drugs are applied. Therefore, to more accurately predict cardiotoxicity, changes in beat amplitude, a key parameter of contraction, were confirmed after recording FP (Figures 7 to 9, Table 3). When nifedipine, a calcium channel blocker, was administered, beat amplitude decreased with increasing concentration, and after treatment with 0.3 μM nifedipine, beat amplitude decreased by 62.01 ± 9.00% (Figure 7 A). However, there was no significant change in the beat amplitude when various drugs that were hERG and multi-channel blockers were administered (Figures 7 to 9).

흥미롭게도 수축력의 파형은 박동 진폭 뿐만 아니라 FPD와 박동주기와 같은 FP의 매개 변수도 반영하는 것으로 확인되었다. 니페디핀의 경우 농도가 증가함에 따라 FPD와 박동주기가 감소하고 수축력의 파형에서 알 수 있듯이 니페디핀 치료 중 1 회 수축에 나타난 간격이 감소했다(도 7 A). 또한 퀴니딘, E-4031 및 Dofetilide의 경우 농도가 증가함에 따라 FPD가 증가하고 수축력 파형에서 알 수 있듯이 투여 중 수축 간격이 베이스에 비해 약간 증가했다(도 7, 도 8). 임피던스 값을 기반으로 한 수축력 분석은 FP 활동의 주요 매개 변수 중 일부를 반영하고 FP 분석만으로는 찾을 수 없는 새로운 패턴의 존재를 입증했다.Interestingly, the waveform of contractile force was found to reflect not only beat amplitude but also parameters of FP such as FPD and beat period. In the case of nifedipine, the FPD and beat cycle decreased with increasing concentration, and the interval seen in one contraction decreased during nifedipine treatment, as can be seen from the waveform of the contractile force (Figure 7 A). Additionally, in the case of quinidine, E-4031, and Dofetilide, FPD increased as the concentration increased, and the contraction interval during administration slightly increased compared to base, as can be seen from the contraction force waveform (Figure 7, Figure 8). Contractile force analysis based on impedance values reflected some of the key parameters of FP activity and demonstrated the existence of new patterns that could not be found by FP analysis alone.

약물drug 농도(μM)Concentration (μM) 박동 진폭 변화(%)Beat amplitude change (%) NifedipineNifedipine 0.030.03 -9.32±12.16-9.32±12.16 0.10.1 -31.12±13.77-31.12±13.77 0.30.3 -62.01±9.00-62.01±9.00 QunidineQunidine 0.10.1 2.63±10.292.63±10.29 0.30.3 -8.40±14.23-8.40±14.23 1One -7.39±14.48-7.39±14.48 E-4031E-4031 0.010.01 -0.30±15.51-0.30±15.51 0.030.03 -6.36±26.17 -6.36±26.17 0.10.1 -8.90±29.61-8.90±29.61 DofetildeDofetilde 0.0010.001 2.73±8.792.73±8.79 0.0030.003 3.28±12.173.28±12.17 0.010.01 0.15±14.120.15±14.12 TerfenadineTerfenadine 0.10.1 10.08±6.7010.08±6.70 0.30.3 8.54±9.548.54±9.54 1One Not detectedNot detected MexiletineMexiletine 33 10.08±6.7010.08±6.70 1010 8.54±9.548.54±9.54 3030 Not detectedNot detected

니페디핀의 경우 FP/수축성 커플링 평가Evaluation of FP/inotropic coupling for nifedipine

FP 주요 매개 변수와 박동 진폭의 변화가 가장 큰 니페디핀 그룹의 FP/수축성 파형이 결합되었다(도 10). FP 및 수축 파형의 박동 기간은 처리 전에 일관되었지만 니페디핀 노출 후 FP/수축 결합 파형에서 박동 기간의 감소가 발생했다. 또한 박동 진폭의 감소와 함께 FPD 및 박동 주기 용량이 독립적으로 감소함을 확인하였다. 0.3 μM 이상의 처리에서 수축력이 거의 나타나지 않고 FP/수축성 결합 파형을 통해 박동 진폭이 감소했지만 FP의 스파이크 진폭은 감소하지 않았다. 무엇보다 FP와 수축성의 두 가지 지표를 동시에 분석한 결과, 본 발명의 이중 평가 방법은 서로 보완하여 심혈관 독성 스크리닝의 예측 가능성을 높일 수 있다. The FP/contractile waveforms of the nifedipine group with the greatest changes in FP key parameters and beat amplitude were combined (Figure 10). Beat durations in the FP and contractile waveforms were consistent before treatment, but a decrease in beat duration in the FP/contraction coupled waveform occurred after nifedipine exposure. In addition, it was confirmed that FPD and beat cycle capacity independently decreased with a decrease in beat amplitude. Treatments above 0.3 μM showed little contractility and decreased beat amplitude through the FP/contractile coupled waveform, but did not reduce the spike amplitude of FP. Above all, as a result of analyzing two indicators of FP and contractility simultaneously, the dual evaluation method of the present invention can complement each other to increase the predictability of cardiovascular toxicity screening.

Claims (11)

i) 다중전극 분석(Multi-electrode system) 를 이용하여 인간 포피 섬유아세포 유래 hi-PSC 에서 분화되고 고순도의 성숙화된 심근세포에 피검물질을 처리한 후 전기생리학적 신호를 측정하는 단계; 및
ii) 상기 전기생리학적 신호를 측정한 후 다중전극 분석을 이용하여 3분 ~ 7분 동안 수축력을 측정하는 단계;
를 포함하는 이중-심장독성평가방법으로서,
상기 단계 i) 의 심근세포는,
a) 인간 포피 섬유아세포를 hiPSC로 재프로그래밍하는 단계;
b) 상기 hiPSC 를 심근세포로 10일 ~ 14일 동안 분화시키는 단계;
c) 상기 분화된 심근세포를 4일 ~ 8일 동안 정제하는 단계; 및
d) 상기 정제된 심근세포를 10일 ~ 14일 동안 성숙시키는 단계;
를 포함하여 제작된 것을 특징으로 하는 이중-심장독성평가방법.
i) measuring electrophysiological signals after treating a test substance to highly purified, matured cardiomyocytes differentiated from human foreskin fibroblast-derived hi-PSCs using a multi-electrode system; and
ii) measuring the contractile force for 3 to 7 minutes using multielectrode analysis after measuring the electrophysiological signal;
As a dual-cardiotoxicity evaluation method comprising,
The cardiomyocytes of step i) are,
a) reprogramming human foreskin fibroblasts into hiPSCs;
b) Differentiating the hiPSCs into cardiomyocytes for 10 to 14 days;
c) purifying the differentiated cardiomyocytes for 4 to 8 days; and
d) maturing the purified cardiomyocytes for 10 to 14 days;
Dual-cardiotoxicity evaluation method, characterized in that it was produced including.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 단계 i)의 전기생리학적 신호 측정은, 필드 전위 지속기간(FPD), 보정된 필드 전위 지속기간(FPDc), 박동 주기 및 스파이크 진폭으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 측정하는 것을 특징으로 하는 이중-심장독성평가방법.
The method of claim 1, wherein the electrophysiological signal measurement in step i) is any one or more selected from the group consisting of field potential duration (FPD), corrected field potential duration (FPDc), beat period, and spike amplitude. Dual-cardiotoxicity evaluation method characterized by measuring.
제1항에 있어서, 상기 단계 i)의 전기생리학적 신호 측정은, 피검물질을 처리한 후 20분 ~ 30분 후 1분 ~ 10분 동안 측정하는 것을 특징으로 하는 이중-심장독성평가방법.
The dual-cardiotoxicity evaluation method according to claim 1, wherein the electrophysiological signal measurement in step i) is measured for 1 to 10 minutes 20 to 30 minutes after treating the test substance.
제1항에 있어서, 상기 단계 ii)의 수축력 측정은 박동 진폭을 측정하는 것을 특징으로 하는 이중-심장독성평가방법.
The method of claim 1, wherein the contractile force in step ii) is measured by measuring the beat amplitude.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 단계 i) 에서 측정한 전기생리학적 신호; 및 상기 단계 ii) 에서 측정한 수축력; 이 모두 정상대조군에 비하여 5% 내지 15% 이상 차이가 나는 경우 피검물질이 심장독성을 나타내는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 이중-심장독성평가방법.
The method of claim 1, comprising: an electrophysiological signal measured in step i); and the contractile force measured in step ii); A dual-cardiotoxicity evaluation method characterized in that the test substance is judged to be cardiotoxic if all of these differ by more than 5% to 15% compared to the normal control group.
제1항에 있어서, 상기 심장독성은 약물로 인한 심장독성인 것을 특징으로 하는 이중-심장독성평가방법.
The method of claim 1, wherein the cardiotoxicity is drug-induced cardiotoxicity.
제1항에 있어서, 상기 심장독성은 부정맥(arrhythmia)을 의미하는 것을 특징으로 하는 이중-심장독성평가방법.
The method of claim 1, wherein the cardiotoxicity refers to arrhythmia.
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