Drug- and cell-based strategies for treating heart disease, including myocardial infarction, face significant roadblocks on the path to the clinic, a primary obstacle being the lack of information-rich in vitro human model systems. Conventional model systems are hampered by at least one of three fundamental limitations which include a) the lack of an in vivo-like microenvironment specifically engineered for the input cell population, b) a relatively low-throughput assays, and c) the low-content nature of output parameters. We describe an integrated computational, design, and experimental strategy for the rational design of a microfabricated high-content screening platform which we term the Cardiac MicroWire (CMW) system. Within this system, we recapitulate the basic microenvironment found in the heart, one which integrates cardiomyocytes, non-myocytes, the extracellular matrix, and dynamic electromechanical forces. Our results highlight the CMW system’s potential as a powerful discovery tool for screening small molecules and transplantable cells toward heart regeneration therapies.

Drug- and cell-based strategies for treating heart disease, including myocardial infarction, face significant roadblocks on the path to the clinic, a primary obstacle being the lack of information-rich in vitro human model systems. Conventional model systems are hampered by at least one of three fundamental limitations which include a) the lack of an in vivo-like microenvironment specifically engineered for the input cell population, b) a relatively low-throughput assays, and c) the low-content nature of output parameters. We describe an integrated computational, design, and experimental strategy for the rational design of a microfabricated high-content screening platform which we term the Cardiac MicroWire (CMW) system. Within this system, we recapitulate the basic microenvironment found in the heart, one which integrates cardiomyocytes, non-myocytes, the extracellular matrix, and dynamic electromechanical forces. Our results highlight the CMW system’s potential as a powerful discovery tool for screening small molecules and transplantable cells toward heart regeneration therapies.

Este estudo apresenta o desenvolvimento e validação de uma nova abordagem para a avaliação do cálcio intracelular em culturas de cardiomiócitos derivados de células-tronco pluripotentes induzidas humanas (hiPSC-CM - do inglês human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes) que pode ser aplicada para avaliar o efeito de drogas no acoplamento excitação-contração. O método consiste na estimulação elétrica e medição conjunta da fluorescência de forma automatizada e foi viabilizado a partir da inclusão de um sistema de estimulação elétrica em um leitor de ELISA (do inglês Enzyme-Linked Immunosorbent Assay). Um estimulador eletrônico compacto foi projetado para operar junto a um leitor de placas gerando pulsos quadrados monofásicos com duração de 5 ms e campo elétrico de 8 Vcm-1 aplicados por microeletrodos metálicos de platina-irídio em células em cultura. Uma placa de cultura normalmente utilizada em leitor de placas foi modificada para permitir a colocação do estimulador e dos eletrodos. A intensidade de fluorescência do cálcio intracelular foi avaliada utilizando um leitor de ELISA durante a estimulação elétrica em culturas de células marcadas com o indicador de Ca2+ Fluo-4 AM. A estimulação elétrica das células resultou em contrações regulares nas frequências de 0,1 Hz; 0,2 Hz; 0,3 Hz e 0,5 Hz induzidas pelo estimulador. Parâmetros dos transientes de cálcio foram estudados após a exposição de culturas de células ao Verapamil (0,05; 0,5 e 5,0 µM), a amplitude e a inclinação máxima da fase de subida foram progressivamente reduzidas com doses crescentes da droga. Os dados obtidos demonstraram que o método apresentado permite a avaliação automatizada de transientes de cálcio durante a estimulação elétrica de culturas de hiPSC-CM utilizando o sistema de estimulação em um leitor de ELISA. Esses resultados validaram a aplicabilidade do sistema ao estudo das alterações da dinâmica do cálcio intracelular induzidas por drogas em células sob estimulação elétrica. O sistema de avaliação automatizada desenvolvido pode ser ampliado para realizar a triagem de alto rendimento em bibliotecas de compostos que tem como alvo o acoplamento excitação-contração em células cardíacas humanas in vitro. / This study presents the development and validation of a new approach for the evaluation of intracellular calcium in cultures of cardiomyocytes derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC-CM), which can be applied to evaluate the effect of drugs on excitation-contraction coupling. The method consists of electrical stimulation and joint measurement of fluorescence in an automated manner and was made possible by the inclusion of an electrical stimulation system in an ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay). A compact electronic stimulator was designed to operate inside a plate reader generating monophasic square pulses with duration of 5 ms and electric field of 8 Vcm-1 applied by platinum-iridium metal microelectrodes to cells in culture. A culture plate used in a plate reader was modified to allow placement of the stimulator and electrodes. Fluorescence intensity of intracellular calcium was measured during electrical stimulation of cell cultures loaded with Ca2+ Fluo-4 AM indicator using a plate reader. The electrical stimulation of the cells generated regularly spaced contractions following the pace of the stimulator at the frequencies of 0.1 Hz, 0.2 Hz, 0.3 Hz and 0.5 Hz. Transient profile parameters were studied after treating cell cultures with Verapamil (0.05, 0.5 and 5.0 µM) the amplitude and the maximum slope of rising phase were progressively reduced with increasing verapamil doses. The data obtained demonstrated that the method presented allows the automated evaluation of calcium transients during the electrical stimulation of hiPSC-CM cultures using the stimulation system in an ELISA reader. These results demonstrated the applicability of the system to the study of changes in the intracellular calcium dynamics induced by drugs in electrically stimulated cells. The system developed is amenable to scaling thus allowing high content automated drug library screening for compounds that target the excitationcontraction coupling in human heart cells in vitro.

Este estudo apresenta o desenvolvimento e validação de uma nova abordagem para a avaliação do cálcio intracelular em culturas de cardiomiócitos derivados de células-tronco pluripotentes induzidas humanas (hiPSC-CM - do inglês human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes) que pode ser aplicada para avaliar o efeito de drogas no acoplamento excitação-contração. O método consiste na estimulação elétrica e medição conjunta da fluorescência de forma automatizada e foi viabilizado a partir da inclusão de um sistema de estimulação elétrica em um leitor de ELISA (do inglês Enzyme-Linked Immunosorbent Assay). Um estimulador eletrônico compacto foi projetado para operar junto a um leitor de placas gerando pulsos quadrados monofásicos com duração de 5 ms e campo elétrico de 8 Vcm-1 aplicados por microeletrodos metálicos de platina-irídio em células em cultura. Uma placa de cultura normalmente utilizada em leitor de placas foi modificada para permitir a colocação do estimulador e dos eletrodos. A intensidade de fluorescência do cálcio intracelular foi avaliada utilizando um leitor de ELISA durante a estimulação elétrica em culturas de células marcadas com o indicador de Ca2+ Fluo-4 AM. A estimulação elétrica das células resultou em contrações regulares nas frequências de 0,1 Hz; 0,2 Hz; 0,3 Hz e 0,5 Hz induzidas pelo estimulador. Parâmetros dos transientes de cálcio foram estudados após a exposição de culturas de células ao Verapamil (0,05; 0,5 e 5,0 µM), a amplitude e a inclinação máxima da fase de subida foram progressivamente reduzidas com doses crescentes da droga. Os dados obtidos demonstraram que o método apresentado permite a avaliação automatizada de transientes de cálcio durante a estimulação elétrica de culturas de hiPSC-CM utilizando o sistema de estimulação em um leitor de ELISA. Esses resultados validaram a aplicabilidade do sistema ao estudo das alterações da dinâmica do cálcio intracelular induzidas por drogas em células sob estimulação elétrica. O sistema de avaliação automatizada desenvolvido pode ser ampliado para realizar a triagem de alto rendimento em bibliotecas de compostos que tem como alvo o acoplamento excitação-contração em células cardíacas humanas in vitro. / This study presents the development and validation of a new approach for the evaluation of intracellular calcium in cultures of cardiomyocytes derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC-CM), which can be applied to evaluate the effect of drugs on excitation-contraction coupling. The method consists of electrical stimulation and joint measurement of fluorescence in an automated manner and was made possible by the inclusion of an electrical stimulation system in an ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay). A compact electronic stimulator was designed to operate inside a plate reader generating monophasic square pulses with duration of 5 ms and electric field of 8 Vcm-1 applied by platinum-iridium metal microelectrodes to cells in culture. A culture plate used in a plate reader was modified to allow placement of the stimulator and electrodes. Fluorescence intensity of intracellular calcium was measured during electrical stimulation of cell cultures loaded with Ca2+ Fluo-4 AM indicator using a plate reader. The electrical stimulation of the cells generated regularly spaced contractions following the pace of the stimulator at the frequencies of 0.1 Hz, 0.2 Hz, 0.3 Hz and 0.5 Hz. Transient profile parameters were studied after treating cell cultures with Verapamil (0.05, 0.5 and 5.0 µM) the amplitude and the maximum slope of rising phase were progressively reduced with increasing verapamil doses. The data obtained demonstrated that the method presented allows the automated evaluation of calcium transients during the electrical stimulation of hiPSC-CM cultures using the stimulation system in an ELISA reader. These results demonstrated the applicability of the system to the study of changes in the intracellular calcium dynamics induced by drugs in electrically stimulated cells. The system developed is amenable to scaling thus allowing high content automated drug library screening for compounds that target the excitationcontraction coupling in human heart cells in vitro.

Le glioblastome (GBM) est la tumeur cérébrale primaire la plus agressive comportant une sous-population de cellules souches tumorales (CSG). Elles sont capables d’auto-renouvellement, de prolifération, de différenciation en cellules exprimant les marqueurs neuraux et de trans-différenciation en cellules de types vasculaires. Dans ce contexte, j’ai dérivé et caractérisé plusieurs lignées de CSG à partir de biopsies de patients. Puis j’ai évalué l’impact des peptides thérapeutiques transmembranaires développés au laboratoire, visant les plateformes de récepteurs de neuropiline-1 et de plexine-A1 surexprimées dans les CSG. Les deux peptides diminuent la croissance des CSG in vitro et in vivo. Finalement, j’ai développé un outil génétique fluorescent permettant de suivre le destin des CSG en direct. Basé sur l’expression de 4 rapporteurs fluorescents contrôlés par des promoteurs spécifiques des types cellulaires, il permet d’identifier l’hétérogénéité de ces cellules en différenciation. / The glioblastoma multiforme (GBM) is the most aggressive primary brain tumor and includes a subpopulation of tumoral stem cells (CSG). Those cells can self-renew, proliferate and differentiate by expressing specific neural markers and/or transdifferentiate into vascular-like cells. In this context, my work consisted first to produce and characterize several CSG lines from patient biopsies to constitute a bank of cell lines with different properties. We also evaluated the impact of in house therapeutic transmembrane peptides targeting the neuropilin-1 / plexin-A1 receptor platforms overexpressed in GBM. We thus showed that both targeting peptides decrease the growth of GSC in in vitro and in vivo models. Finally, I developed an inducible mosaic expression system to track the live differentiation of CSG. This system is based on the expression of four different fluorescent reporters controlled by the activity of cell type specific promoters.