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Cardiotossicità

Saggi in vitro predittivi per la valutazione ad alto rendimento della tossicità cardiaca e della sicurezza dei farmaci

Cardiotossicità: valutazione di composti tossici nelle fasi iniziali del processo di scoperta farmacologica

Il termine cardiotossicità, o tossicità cardiaca, si riferisce a sostanze chimiche che sono tossiche per il cuore, causando danni muscolari o disfunzioni nell’elettrofisiologia cardiaca.

La valutazione della cardiotossicità è importante negli stadi iniziali del processo di scoperta farmacologica per escludere i composti potenzialmente tossici dalle ulteriori fasi di sviluppo. Questa operazione è fondamentale per ridurre l’inefficienza e gli elevati costi associati ai composti che non superano la valutazione di sicurezza cardiaca.

I composti cardioattivi vengono utilizzati nel trattamento clinico dell’insufficienza cardiaca, dell’aritmia e di altre malattie cardiache. La tossicità cardiaca può causare aritmie e insufficienza cardiaca. Pertanto, esiste una crescente necessità di saggi di cardiotossicità in vitro altamente predittivi basati su modelli cellulari biologicamente rilevanti e idonei per lo screening ad alto rendimento.

Il movimento meccanico e i flussi di calcio dello sferoide cardiaco possono essere osservati mediante serie di immagini acquisite in time-lapse.

Valutazione degli effetti dei composti cardiotossici utilizzando cardiomiociti derivati da iPSC umane

I cardiomiociti sono le cellule che compongono i muscoli cardiaci e sono responsabili della funzione contrattile del cuore. I cardiomiociti specializzati come quelli derivati da cellule staminali pluripotenti indotte (induced Pluripotent Stem Cells, iPSC) rappresentano modelli cellulari particolarmente interessanti perché esprimono GPCR e canali ionici che forniscono profili di espressione genica e caratteristiche fenotipiche, presentando allo stesso tempo un’attività meccanica ed elettrica spontanea simile a quella delle cellule cardiache native. I cardiomiociti derivati da iPSC formano un monostrato di cellule che battono in maniera sincrona e possono essere utilizzate per riprodurre in maniera affidabile fenotipi cardiaci fisiologici associati ai farmaci mediante l’uso di un rapido saggio cinetico in fluorescenza che permette di monitorare le variazioni nelle oscillazioni del calcio intracellulare.

Iniziativa CiPA - Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay

In collaborazione con Eurofins, esaminiamo la valutazione della potenziale cardiotossicità dei composti con l’iniziativa CiPA, il nuovo paradigma di analisi della sicurezza cardiaca che include saggi in vitro basati sull’uso di hiPSC-CM.

Iniziativa CiPA - Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay

I cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti indotte umane (human induced Pluripotent Stem Cell Cardiomyocytes, hiPSC–CM) possono essere utilizzati per identificare e valutare gli effetti di composti potenzialmente cardiotossici. La FDA statunitense ha sponsorizzato un’iniziativa chiamata Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay (CiPA) per valutare i composti che rientrano in questa categoria. Esistono 28 composti con vari effetti sui cardiomiociti che possono essere tossici. L’obiettivo di questa iniziativa è quello di individuare saggi che siano predittivi in una fase più precoce del processo di scoperta farmacologica per evitare l’insuccesso in fasi di sviluppo terminali o anche dopo la commercializzazione. Numerosi composti inclusi nell’elenco CiPA sono stati ritirati dal mercato a causa di problemi di tossicità cardiaca. Gli effetti tossici di questi composti possono essere identificati mediante l’uso combinato della misurazione del flusso di calcio e dell’imaging ad alto contenuto. Lo sviluppo di saggi in vitro altamente predittivi idonei per lo screening ad alto rendimento è fondamentale per migliorare l’inefficienza e gli elevati costi associati all’insuccesso dei composti per problemi di sicurezza cardiaca.

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Soluzione di screening cinetico ad alto rendimento per la tossicologia e l'identificazione di composti guida

Il sistema di screening cellulare ad alto rendimento FLIPR® Penta è un flessibile e affidabile sistema di screening cinetico ad alto rendimento in tempo reale basato su saggi cellulari per l’identificazione precoce di composti guida diretti contro GPCR e recettori dei canali ionici. È progettato per raccogliere contemporaneamente i segnali di tutti i pozzetti. Il sistema permette anche di monitorare le variazioni del flusso di Ca2+ intracellulare (oscillazioni del calcio) associate alle contrazioni dei cardiomiociti mediante il kit per la cardiotossicità EarlyTox. I saggi utilizzano cardiomiociti derivati da iPSC trattati con un colorante sensibile al calcio e consentono di monitorare l’impatto dei composti sulle oscillazioni del calcio all’interno delle cellule mentre battono.

Il software ScreenWorks® Peak Pro offre la possibilità di analizzare le risposte delle cellule in termini di oscillazioni del calcio multi-picco, in particolare la frequenza di battito dei cardiomiociti e le caratteristiche temporali dei picchi, compresi aumento, diminuzione e ampiezza. Queste proprietà sono importanti per capire meglio la funzione dei cardiomiociti in vitro e l’impatto dei composti tossici che inducono anomalie cardiache, come il blocco dei canali del potassio hERG. Di conseguenza, è possibile scartare o studiare ulteriormente specifici composti in una fase più precoce e privilegiare in maniera più efficace i composti guida più sicuri e promettenti da portare avanti negli studi preclinici.

Le oscillazioni spontanee del calcio acquisite con il kit di saggio del calcio FLIPR e il sistema FLIPR in cardiomiociti derivati da iPSC o sferoidi cardiaci 3D possono essere combinate con i dati di citotossicità e integrità mitocondriale ottenuti con il sistema confocale ImageXpress per un’analisi fenotipica completa e una profilazione della bioattività di composti farmaceutici e ambientali.

Sferoidi neuronali e cardiomiociti derivati da iPSC

Il sistema FLIPR Penta consente di misurare e analizzare i picchi delle cellule staminali pluripotenti indotte di derivazione umana (human-derived induced Pluripotent Stem Cells, hiPSC), differenziate in cardiomiociti e neuroni, fino a 100 volte al secondo, e di scegliere selettivamente e rapidamente eventi come quelli simili alla post-depolarizzazione precoce (eventi EAD-simili), la fibrillazione e il battito irregolare.

 

Applicazioni per la caratterizzazione dei composti cardiotossici utilizzando cardiomiociti derivati da cellule staminali

I metodi tradizionali per la caratterizzazione dei composti cardiotossici sono lenti e laboriosi. Le tecniche di patch-clamp manuale e di elettrofisiologia automatizzata possono essere applicate soltanto per l’analisi di singoli canali su cellule individuali e presentano costi elevati e basso rendimento. Altri metodi offrono un rendimento più elevato, ma richiedono l’esportazione dei dati in ulteriori software di analisi spesso complessi o lunghe procedure di analisi manuale dei dati.

Le nostre risorse applicative elencate di seguito descrivono come caratterizzare in modo semplice e rapido i composti cardiotossici in cardiomiociti derivati da cellule staminali utilizzando il software ScreenWorks Peak Pro eseguito sul sistema FLIPR con il kit per la cardiotossicità EarlyTox. Inoltre, il sistema FLIPR può anche essere utilizzato per analizzare gli effetti neurotossici in sferoidi neuronali in maniera del tutto simile ai cardiomiociti derivati da iPSC.

Ultime risorse

Risorse della cardiotossicità

Video e webinar

Studi di tossicità su sferoidi neuronali e cardiomiociti derivati da iPSC

Studi di tossicità su sferoidi neuronali e cardiomiociti derivati da iPSC

Iniziativa e convalida CiPA di metodiche ad alto rendimento per caratterizzare gli effetti dei composti in cardiomiociti umani derivati da iPSC sul sistema FLIPR Penta

Validazione di canali ionici cardiaci mediante elettrofisiologia automatizzata per il paradigma CiPA