Almanac of Clinical MedicineAlmanac of Clinical MedicineАльманах клинической медицины2072-05052587-9294Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)155210.18786/2072-0505-2021-49-036ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИInvestigation of the formation of cardiac tissue on substrates of varying degrees of anisotropy and rigidityИсследование формирования тканево-инженерного конструкта на основе кардиомиоцитов и матрикса различной степени анизотропии и жесткостиhttps://orcid.org/0000-0002-4223-0133ShcherbinaS. A.ЩербинаС. А.
Russian Federation

Serafima A. Shcherbina – Master's Student, Engineer, Laboratory of Biophysics of Excitable Systems

9 Institutskiy per., Dolgoprudny, 140180

Щербина Серафима Артуровна – студент магистратуры, инженер лаборатории биофизики возбудимых систем

140180, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9

https://orcid.org/0000-0002-1921-571XShutkoA. V.ШутькоА. В.
Russian Federation

Angelina V. Shutko – Master, Engineer, Laboratory of Biophysics of Excitable Systems

9 Institutskiy per., Dolgoprudny, 140180

Шутько Ангелина Владимировна – магистр, инженер лаборатории биофизики возбудимых систем

140180, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9

https://orcid.org/0000-0002-7162-5214NizamievaA. A.НизамиеваА. А.
Russian Federation

Aygul A. Nizamieva – Postgraduate Student, Engineer, Laboratory of Biophysics of Excitable Systems

9 Institutskiy per., Dolgoprudny, 140180

Низамиева Айгуль Альфредовна – аспирант, инженер лаборатории биофизики возбудимых систем

140180, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9

https://orcid.org/0000-0002-6462-7027NikitinaA. V.НикитинаА. В.
Russian Federation

Anna V. Nikitina – Master, Engineer, Laboratory of Biophysics of Excitable Systems

9 Institutskiy per., Dolgoprudny, 140180

Никитина Анна Владимировна – магистр, инженер лаборатории биофизики возбудимых систем

140180, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9

https://orcid.org/0000-0003-2237-4217SlotvitskyM. M.СлотвицкийМ. М.
Russian Federation

Mikhail M. Slotvitsky – Postgraduate Student, Engineer, Laboratory of Biophysics of Excitable Systems

9 Institutskiy per., Dolgoprudny, 140180

Слотвицкий Михаил Михайлович – аспирант, инженер лаборатории биофизики возбудимых систем

140180, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9

https://orcid.org/0000-0002-3554-9736TsvelayaV. A.ЦвелаяВ. А.
Russian Federation

Valeria A. Tsvelaya – PhD (in Biol.), Research Fellow, Laboratory of Biophysics of Excitable Systems Moscow Institute of Physics and Technology; Senior Research Fellow, Laboratory of Molecular and Cell Diagnostics Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)

9 Institutskiy per., Dolgoprudny, 140180;

61/2–8 Shchepkina ul., Moscow, 129110

Цвелая Валерия Александровна – кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории биофизики возбудимых систем ФГАОУ ВО «Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)»; старший научный сотрудник лаборатории молекулярной и клеточной диагностики ГБУЗ МО «Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского»

140180, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9;

129110, г. Москва, ул. Щепкина, 61/2–8

v.tsvelaya@monikiweb.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9258-436XAgladzeK. I.АгладзеК. И.
Russian Federation

Konstantin I. Agladze – Doctor of Biol. Sci., Professor, Head of Laboratory of Biophysics of Excitable Systems Moscow Institute of Physics and Technology; Head of Laboratory of Molecular and Cell Diagnostics Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)

9 Institutskiy per., Dolgoprudny, 140180;

61/2 Shchepkina ul., Moscow, 129110

Агладзе Константин Игоревич – доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией биофизики возбудимых систем ФГАОУ ВО «Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет); заведующий лабораторией молекулярной и клеточной диагностики ГБУЗ МО «Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского»

140180, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9;

129110, г. Москва, ул. Щепкина, 61/2

Moscow Institute of Physics and TechnologyФГАОУ ВО «Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)»Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)ГБУЗ МО «Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского»081220214963653740110202101102021Copyright ©; 2021, Shcherbina S.A., Shutko A.V., Nizamieva A.A., Nikitina A.V., Slotvitsky M.M., Tsvelaya V.A., Agladze K.I.Copyright ©; 2021, Щербина С.А., Шутько А.В., Низамиева А.А., Никитина А.В., Слотвицкий М.М., Цвелая В.А., Агладзе К.И.2021Shcherbina S.A., Shutko A.V., Nizamieva A.A., Nikitina A.V., Slotvitsky M.M., Tsvelaya V.A., Agladze K.I.Щербина С.А., Шутько А.В., Низамиева А.А., Никитина А.В., Слотвицкий М.М., Цвелая В.А., Агладзе К.И.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://almclinmed.ru/jour/article/view/1552

In the last decade, in vitro experiments have shown that mechanical properties of the bases could markedly influence the efficacy of differentiation of the induced pluripotent and embryonic stem cells and their development into the mature phenotype. By changing of mechanical, elastic and structural characteristics of the base, it is possible to increase the percentage of stem cells that differentiate to cardiomyocytes. The study was aimed at evaluation of the effects induced by changing physical characteristics of the base on the formation of phenotypic characteristics of cardiac cells. This included the comparison of structural properties of the cultured layer of heart tissue obtained by changing of elasticity and structure of polymeric bases. The results showed significant differences in calcium activity and structural characteristics of cardiomyocytes depending on the base properties, as well as significant variation in the excitation conduction. As long as conduction abnormalities in the heart tissues can often lead to occurrence of life-threatening cardiac arrhythmias, the results can be used to determine patient groups at increased risk of death from heart failure.

В экспериментах in vitro в последнее десятилетие было установлено, что механические свойства подложек сильно влияют на эффективность дифференцировки индуцированных плюрипотентных и эмбриональных стволовых клеток и их развития в зрелый фенотип. Меняя механо-эластические и структурные характеристики подложки, можно повышать процентный выход дифференцировки стволовых клеток в кардиомиоциты. Цель данной работы состояла в изучении влияния изменения физических характеристик подложек на формирование фенотипических особенностей сердечных клеток. В задачи входило сравнение структурных свойств культивируемых слоев сердечной ткани, полученных при варьировании эластичности и структуры полимерных подложек. Pезультаты показали значительные различия в кальциевой активности и структурных особенностях кардиомиоцитов в зависимости от свойств подложки, а также существенное варьирование проведения возбуждения. В связи с тем что нарушения проведения в сердечной ткани часто приводят к возникновению опасных сердечных аритмий, полученные данные предполагается использовать для определения группы пациентов с повышенным риском смерти от сердечной недостаточности.

cardiomyocytecardiac differentiationstem cellstissue engineered constructionsoptic mappingкардиомиоциткардиальная дифференцировкастволовые клеткитканево-инженерные конструкцииоптическое картирование1. Besser RR, Ishahak M, Mayo V, Carbonero D, Claure I, Agarwal A. Engineered Microenvironments for Maturation of Stem Cell Derived Cardiac Myocytes. Theranostics. 2018;8(1): 124–140. doi: 10.7150/thno.19441.2. Mummery CL, Zhang J, Ng ES, Elliott DA, Elefanty AG, Kamp TJ. Differentiation of human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells to cardiomyocytes: a methods overview. Circ Res. 2012;111(3): 344–358. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.110.227512.3. Lundy SD, Zhu WZ, Regnier M, Laflamme MA. Structural and functional maturation of cardiomyocytes derived from human pluripotent stem cells. Stem Cells Dev. 2013;22(14): 1991– 2002. doi: 10.1089/scd.2012.0490.4. Slotvitsky M, Tsvelaya V, Frolova S, Dementyeva E, Agladze K. Arrhythmogenicity Test Based on a Human-Induced Pluripotent Stem Cell (iP-SC)-Derived Cardiomyocyte Layer. Toxicol Sci. 2019;168(1): 70–77. doi: 10.1093/toxsci/kfy274.5. Slotvitsky MM, Tsvelaya VA, Podgurskaya AD, Agladze KI. Formation of an electrical coupling between differentiating cardiomyocytes. Sci Rep. 2020;10(1): 7774. doi: 10.1038/s41598-020-64581-5.6. Herron TJ, Rocha AM, Campbell KF, Ponce-Balbuena D, Willis BC, Guerrero-Serna G, Liu Q, Klos M, Musa H, Zarzoso M, Bizy A, Furness J, Anumonwo J, Mironov S, Jalife J. Extracellular Matrix-Mediated Maturation of Human Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiac Monolayer Structure and Electrophysiological Function. Circ Arrhythm Electrophysiol. 2016;9(4):e003638. doi: 10.1161/CIRCEP.113.003638.7. LaBarge W, Mattappally S, Kannappan R, Fast VG, Pretorius D, Berry JL, Zhang J. Maturation of three-dimensional, hiPSC-derived cardiomyocyte spheroids utilizing cyclic, uniaxial stretch and electrical stimulation. PLoS One. 2019;14(7):e0219442. doi: 10.1371/journal.pone.0219442.8. Слотвицкий ММ, Цвелая ВА, Фролова ШР, Дементьева ЕВ, Агладзе КИ. Исследование функциональности получаемых из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток кардиомиоцитов для моделирования сердечных аритмий при синдроме удлиненного интервала QT. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018;22(2): 187–195. doi: 10.18699/VJ18.346.9. Lian X, Zhang J, Azarin SM, Zhu K, Hazeltine LB, Bao X, Hsiao C, Kamp TJ, Palecek SP. Directed cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells by modulating Wn-t/β-catenin signaling under fully defined conditions. Nat Protoc. 2013;8(1): 162–175. doi: 10.1038/nprot.2012.150.10. Burridge PW, Matsa E, Shukla P, Lin ZC, Churko JM, Ebert AD, Lan F, Diecke S, Huber B, Mordwinkin NM, Plews JR, Abilez OJ, Cui B, Gold JD, Wu JC. Chemically defined generation of human cardiomyocytes. Nat Methods. 2014;11(8): 855–860. doi: 10.1038/nmeth.2999.11. Цвелая ВА. Тканевая инженерия сердца как средство для исследования фундаментальных процессов возникновения реентри [диссертация]. Долгопрудный; 2019. 164 с.12. Tsvelaya VA, Gams A, Aziz J, Efimov IR. Induced pluripotent stem-cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs): novel diagnostic platform. In: Haider KH, Aziz SM. Stem Cells – from Hype to Real Hope. Berlin: De Gruyter; 2018.13. Zhang F, Qu K, Li X, Liu C, Ortiz LS, Wu K, Wang X, Huang N. Gelatin-based hydrogels combined with electrical stimulation to modulate neonatal rat cardiomyocyte beating and promote maturation. Bio-Design and Manufacturing. 2021;4(1): 100–110. doi: 10.1007/s42242-020-00100-9.14. Schoen I, Pruitt BL, Vogel V. The Yin-Yang of Rigidity Sensing: How Forces and Mechanical Properties Regulate the Cellular Response to Materials. Annual Review of Materials Research. 2013;43(1): 589–618. doi: 10.1146/annurev-matsci-062910-100407.15. Kudryashova N, Nizamieva A, Tsvelaya V, Panfilov AV, Agladze KI. Self-organization of conducting pathways explains electrical wave propagation in cardiac tissues with high fraction of non-conducting cells. PLoS Comput Biol. 2019;15(3):e1006597. doi: 10.1371/journal.pcbi.1006597.16. Kadota S, Minami I, Morone N, Heuser JE, Agladze K, Nakatsuji N. Development of a reentrant arrhythmia model in human pluripotent stem cell-derived cardiac cell sheets. Eur Heart J. 2013;34(15): 1147–1156. doi: 10.1093/eurheartj/ehs418.