ヒト誘導多能性幹細胞由来心筋細胞を用いた収縮運動特性に対する薬物誘発効果のビデオベースの評価

Video-based assessment of drug-induced effects on contractile motion properties using human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes.

• Yoshiko Okai
• Keiko Matsune
• Kazunori Yamanaka
• Toshikatsu Matsui
• Emily Pfeiffer Kaushik
• Kosuke Harada
• Hiroshi Kohara
• Akimitsu Miyawaki
• Harushige Ozaki
• Matthew Wagoner
• Tadahiro Shinozawa

抄録

はじめに:

薬物誘発性の強心性変化は医薬品開発におけるリスク因子であるため、医薬品開発の初期段階ではリスクを軽減するこ とが望まれている。ヒト人工多能性幹細胞由来心筋細胞（hiPSC-CMs）を用いた不整脈リスク評価とは異なり、心収縮力を予測するためのin vitroモデルはほとんど検証されていない。モーションフィールドイメージング（MFI）は、ブロックマッチングに基づいた高解像度の光学フロー技術であり、収縮速度の検出において高い定量的予測性が期待されていた。我々は、hiPSC-CMs と MFI を用いて、薬物誘発性の収縮変化を評価する in vitro モデルの確立を目指した。

INTRODUCTION: Drug-induced inotropic change is a risk factor in drug development; thus, de-risking is desired in the early stages of drug development. Unlike proarrhythmic risk assessment using human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs), few in vitro models were validated to predict cardiac contractility. Motion field imaging (MFI), a high-resolution block matching-based optical flow technique, was expected to possess high quantitative predictivity in the detection of contraction speed. We aimed to establish an in vitro model to assess drug-induced contractile changes using hiPSC-CMs and MFI.

方法:

MFI は光顕微鏡映像を解析することで心筋細胞の収縮挙動を非侵襲的に特徴づけるように設計されており、最大収縮速度（MCS）を収縮力の指標とした。MFIを用いて、9種類の不活性化合物、10種類の陰性クロノトロピー、10種類の陽性クロノトロピーを試験した。2つの陰性クロノトロピー、ZD7288およびイブラジンも試験した。アッセイの感度および特異性を決定するために、MCSの最小有効濃度を、臨床で使用されている28化合物のヒト有効総治療濃度と比較した。

METHODS: MFI was designed to noninvasively characterize cardiomyocyte contractile behavior by analyzing light microscope video images, and maximum contraction speed (MCS) was used as the index of contractility. Using MFI, 9 inactive compounds, 10 negative inotropes, and 10 positive inotropes were tested. Two negative chronotropes, ZD7288 and ivabradine, were also tested. To determine the sensitivity and specificity of the assay, the minimum effective concentration of the MCS was compared with the human effective total therapeutic concentration for 28 compounds in clinical use.

結果:

陰性の強心薬8種と陽性の強心薬8種について、生体内および臨床試験で観察された効果をMFIアッセイで検出した。MFI アッセイは、強心性変化を伴わない陰性の慢性変化を示した。MFI アッセイは十分な特異度（83％）と感度（88％）を示し、RNA 配列解析により、偽化合物の発生と標的遺伝子の発現との関係についての知見が得られた。

RESULTS: For 8 negative and 8 positive inotropes, the effects observed in in vivo and clinical studies were detected in MFI assay. MFI assay showed negative chronotropic changes without inotropic changes. MFI assay presented sufficient specificity (83%) and sensitivity (88%), and RNA-sequence analysis provided an insight into the relationship between occurrence of the false compounds and target gene expression.

DISCUSSION:

我々は、hiPSC-CMs を用いた MFI アッセイの有用性を実証した。これらの結果は、早期の創薬開発における化合物のデリスク化を促進するものである。

DISCUSSION: We demonstrated the utility of MFI assay using hiPSC-CMs to assess drug-induced contractile function. These results will facilitate the de-risking of compounds during early drug development.

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