Development of a software for electrophysiological analysis of hiPSC-derived cardiomyocytes using multi-electrode arrays

Cardiovascular diseases are the leading cause of mortality worldwide, with myocarditis being one of the most prevalent conditions. Due to the non-specific nature of myocarditis symptoms, it's crucial to possess a deep understanding of the involved processes. A promising approach to better understand cardiac dysfunctions involves human-induced Pluripotent Stem Cells-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs), which have contractile capabilities and gene expressions similar to normal cardiomyocytes. Given their electrophysiological activity, hiPSC-CMs are suited to analysis through multi-electrode arrays (MEAs), which capture the extracellular Field Potential (FP) of beating cardiomyocytes adhered to the substrate, reflecting the propagation of cardiac action potentials (APs) across the cell monolayer. This work introduces MEABeat, a new software for analyzing hiPSC-CM signals, in order to enable a more flexible and user-friendly examination compared to standard software. This tool is useful for comparing baseline signals with those recorded after experimental interventions, providing numerical results for efficient comparisons. As a proof of concept, MEABeat was tested on signals from drug, maturity and stability experiments. This project was conducted in collaboration with the IRCCS San Raffaele Hospital in Milan, where the cells were cultured in-vitro, and the signal recordings and experiments were carried out.

Le malattie cardiovascolari costituiscono la principale causa di mortalità a livello mondiale, con la miocardite a rappresentare una delle condizioni più diffuse. A causa della natura aspecifica dei sintomi della miocardite, è fondamentale possedere una profonda comprensione dei processi coinvolti. Uno degli approcci più promettenti per studiare le disfunzioni cardiache è quello di studiare i cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC-CM), i quali possiedono capacità contrattili ed espressioni geniche simili a quelle dei cardiomiociti normali. Grazie alla loro attività elettrofisiologica, gli hiPSC-CM sono adatti all’analisi tramite array multi-elettrodi (MEA), che catturano il potenziale extracellulare dei cardiomiociti aderenti al substrato, riflettendo la propagazione dei potenziali d’azione (AP) attraverso il monostrato cellulare. Questo progetto introduce MEABeat, un nuovo software per l'analisi dei segnali derivanti da hiPSC-CM, con l’obiettivo di fornire analisi più flessibili e intuitive rispetto ai software standard. MEABeat consente di confrontare segnali di controllo con quelli registrati dopo gli esperimenti, presentando i risultati direttamente in forma numerica per garantire confronti più efficienti. A dimostrazione del suo corretto funzionamento, MEABeat è stato testato su segnali provenienti da esperimenti farmacologici, di maturazione e di stabilità. Questo progetto è stato condotto in collaborazione con IRCCS Ospedale San Raffaele di Milano, dove le cellule sono state coltivate in-vitro e dove sono state effettuate le acquisizioni dei segnali e gli esperimenti.