Construction of bioinformatic infrastructure for single-cell analysis to improve induced pluripotent stem cell systems

Menneskets hjerte har begrænsede evner for regenerering. Dette forsager at patienter der har været udsat for et hjerteinfarkt, er ude af stand til at genskabe manglende hjertevæv. Hjerteinfarktpatienter har en betydelig forøget risiko for hjertesvigt, hvilket ultimativt kan forsage død. Inducerede pluripotente stam celle-deriverede hjertemuskelceller (iPSC-CMs) er en ubegrænset ressource for generering af hjertemuskulatur. På nuværende tidspunkt er den kliniske translation af stamcelle regenerativ terapi standset, da de eksisterende iPSC-CM derivering protokoller leder til en fænotypisk umoden profil. Tidligere Forskning har vist at transplantation af umodne iPSC-CMs, i store dyremodeller, leder til hjertearytmi. Det er et aktivt mål i feltet for regenerativ hjertemedicin- at finde metoder der kan modne iPSC-CMs markant, for at mindske risikoen for hjertearytmi.

Teknologien “single-cell RNA sequencing” (scRNA-seq) muliggør karakteriseringen af cellepopulationers ekspressionsprofiler i høj opløsning. scRNA-seq bliver i høj grad brugt til at udforske iPSC derivering. I takt med teknologien har udviklet sig, er der store mængder af data fra human hjertevæv for adskillige udviklingstrin offentligt tilgængeligt. Bæredygtigheden i adgang til praktisk talt alle scRNA-seq studier betyder at der kan stilles nye spørgsmål, baseret på genbrugt data i nye kombinationer. Målet for dette industrielle Ph.D. projekt, der baserede sig på tre individuelle studier, var identifikationen af manglende faktorer der hindrer iPSC-CM modning ved udnyttelse af offentligt tilgængeligt data i kombination med selvgenereret sekvenseret data. De genererede computerbaserede metodologier afleder en generaliseret arbejdsproces for identifikation af faktorer der kan optimere stamcelle produkter i alle grener af regenerativ terapi.

Det første studie undersøgte kvalitetskontrols-fordringer der var essentielle at kvantificere og vurdere, for at validere en foreslået modificeret protokol til at generere højopløsning CM data fra scRNA-seq. Disse kvalitetskontrols-indikatorer ledte til udviklingen af en standardiseret automatiseret procedure der har reduceret analysetiden der er nødvendig i vurderingen af scRNA-seq data. Denne procedure er kritisk i et erhvervsmiljø for øget kundetilfredshed ved reducerede ekspeditionstid.

I studie to blev iPSC-CMs deriveret i kontrollerede miljøer med individuelle oxygenkoncentrationer. Ved at identificere en metode til at akkurat repræsentere iPSC-CMs og CMs isoleret fra atria og ventrikler fra voksne donorer i et kombineret rum fandt vi, uventet, at iPSC-CMs deriveret ved lavere oxygenkoncentrationer ledte til en transkriptionel profil i lighed med CMs fra atrium snarere end CMs fra ventriklen.

I studie tre karakteriserede vi den cellulære profil af iPSC-CMs, som var deriveret med en modificeret protokol med henblik på forøgelse af renheden. Igennem integration af iPSC-CMs med data fra humane donorer ved adskillige udviklingstrin prædikterede vi den ”udviklingsmæssige alder” af iiPSC-CMs til at være i tidlig fosterudvikling, og identificerede flere transkriptionsfaktorer der var manglende i iPSC-CMs, hvilket muligvis har begrænset deres modenhed.

De erhvervede bioinformatiske stratigier ledte til udviklingen af automatiserede computerbaserede metodologier der giver fundament for en kommercialiseret analysepakke for identifikation af molekylære mål der potentielt forbedrer stamcelle terapeutiske protokoller ved brug af scRNA-seq.