Robotic manipulation of cardiomyocytes to identify gap junction modifiers for arrhythmogenic cardiomyopathy

缝隙连接 诱导多能干细胞 心肌病 基因敲除 生物医学工程 医学 细胞培养 生物 细胞生物学 内科学 心力衰竭 细胞内 生物化学 胚胎干细胞 遗传学 基因
作者
Wenkun Dou,Guanqiao Shan,Qili Zhao,Manpreet Malhi,Aojun Jiang,Zhuoran Zhang,Andrés González-Guerra,Shaojie Fu,Junhui Law,Robert M. Hamilton,Juan A. Bernal,Binbin Ying,Yu Sun,Jason T. Maynes
出处
期刊:Science robotics [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:9 (95): eadm8233-eadm8233 被引量:6
标识
DOI:10.1126/scirobotics.adm8233
摘要

Arrhythmogenic cardiomyopathy (ACM) is a leading cause of sudden cardiac death among young adults. Aberrant gap junction remodeling has been linked to disease-causative mutations in plakophilin-2 ( PKP2 ). Although gap junctions are a key therapeutic target, measurement of gap junction function in preclinical disease models is technically challenging. To quantify gap junction function with high precision and high consistency, we developed a robotic cell manipulation system with visual feedback from digital holographic microscopy for three-dimensional and label-free imaging of human induced pluripotent stem cell–derived cardiomyocytes (iPSC-CMs). The robotic system can accurately determine the dynamic height changes in the cells’ contraction and resting phases, microinject drug-treated healthy and diseased iPSC-CMs in their resting phase with constant injection depth across all cells, and deposit a membrane-impermeable dye that solely diffuses between cells through gap junctions for measuring the gap junction diffusion function. The robotic system was applied toward a targeted drug screen to identify gap junction modulators and potential therapeutics for ACM. Five compounds were found to dose-dependently enhance gap junction permeability in cardiomyocytes with PKP2 knockdown. In addition, PCO 400 (pinacidil) reduced beating irregularity in a mouse model of ACM expressing mutant PKP2 (R735X). These results highlight the utility of the robotic cell manipulation system to efficiently assess gap junction function in a relevant preclinical disease model, thus providing a technique to advance drug discovery for ACM and other gap junction–mediated diseases.
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