[发明专利]使用生物工程化的心脏组织模拟具有心脏功能障碍的神经病症和共济失调

说明书

本公开提供了一种在患有如伴随严重心脏合并症的神经疾病或病症之类疾病的患者的细胞、组织和类器官中筛选具治疗性心脏作用化合物的系统。该系统包含：适用于心脏活性化合物的单层筛选的医疗装置设备，其包含人心室心脏各向异性片(hvCAS)和人心室心脏组织条(hvCTS)；另外包含人心室心脏类器官腔室(hvCOC)的两层系统；或另外还包含具有多个类器官的医疗装置的三层系统，该类器官包括相同或不同类型的组织或类器官(例如心脏、肝脏、胰腺、肾脏)。本公开的另一方面是适合与该系统一起使用的方法，其包含用于鉴定对患有表现出心脏影响的非心脏疾病，如神经疾病的患者的细胞、组织或类器官具有心脏作用的化合物的筛选。该方法还可用于评估化合物对此类患者的各种细胞、组织或类器官的毒性。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年3月28日提交的临时美国专利申请第62/649,468号的优先权权益，该临时申请以引入的方式并入本文中。

技术领域

本公开大体上涉及医学健康和心脏生理学领域，并且更具体地，涉及关于来自患病患者的细胞中的心脏作用的体外模型和筛选领域。

背景技术

弗里德希氏共济失调(Friedreich’s ataxia，FRDA)是一种遗传性神经退行性疾病，由9号染色体上的frataxin(FXN)基因的第一个内含子突变引起，由此在健康个体中正常重复至多40次的三核苷酸鸟嘌呤-腺嘌呤-腺嘌呤(GAA)序列会再出现数百次至一千多次。即使在FRDA患者中产生了功能齐全的野生型FXN蛋白，内含子突变也导致FXN表达量显著减少，与非携带者相比，仅残留5％至30％的残留蛋白。FXN是一种参与铁硫簇生物合成的线粒体蛋白，对ATP的生产至关重要。

由于依赖线粒体消耗大量能量，因此心脏是患者的主要病理部位。FRDA诱发的心脏症状首先被检测为异常心电图(EKG)，并可能发展为代偿性肥厚性心肌病、扩张型心肌病，然后发展为心肌细胞(CM)死亡和纤维化，从而导致心力衰竭和心律失常。实际上，FRDA患者的主要死亡原因已归结于心脏问题。但是，尚未建立FRDA诱发的心脏症状的严重程度与FXN表达之间的相关性。

考虑到跨物种的FXN基因之间的氨基酸高度同一性，已经建立了鼠模型来研究FRDA病理。一种鼠模型是通过条件性切除Fxn基因，使得在靶器官中完全敲除Fxn来实现¹¹。尽管此特定模型呈现预期的FRDA表型，例如心肌病和线粒体缺陷，但其基因型不能反映FRDA患者的基因型。通过具有扩增的GAA重复序列的人FXN基因的转基因表达与鼠Fxn基因的敲除相结合，已经产生了另一种模拟人基因型的小鼠模型；然而，患病表型的严重性与在FRDA患者中观察到的严重性不匹配^14,15。因此，使用人CM的体外模型似乎是研究FRDA心脏发病机制的更合适且相关的模型。然而，患者活检的可用性有限，并且不足以概括该疾病的功能性表型，例如收缩功能障碍。

随着重编程的进展，人诱导性多能干细胞(hiPSC)可以源自FRDA患者，并分化为CM，以在人体外模型中研究疾病进展。然而，迄今为止，还没有在多细胞心脏模拟模型中检查或建议检查此类CM的收缩或电生理特性的报告或公开内容。

已经花费了许多努力来增进我们对人心血管系统和人心脏保健的理解，但是在本领域中仍然需要能够快速和准确地揭示患有传统上被理解为本质上是非心脏疾病的患者的细胞中的心脏作用的生物学模型。

发明内容