Transcriptomics-based developmental toxicity and cardiotoxicity assessment using induced pluripotent stem cells

Abstract

This PhD study focuses on developing an innovative in vitro test system using human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs) to assess developmental toxicity. Traditional approaches rely on animal studies, which can be complex, costly, and less applicable to humans. The study introduces the UKK2 protocol combined with hiPSCs and transcriptomics to evaluate both developmental teratogenicity and cardiotoxicity. The research involves differentiating hiPSCs into various germ layers and cardiomyocytes in the presence of substances known to have embryotoxic effects. Gene expression analyses identify gene signatures associated with early embryotoxicity and cardiotoxicity. The study's first phase assesses the effectiveness of the UKK2 test system with 23 teratogens and 16 non-teratogens at varying concentrations. A classifier with high accuracy (90% to 92%) is established for predicting teratogens using the UKK2 test system. The research extends the UKK2 protocol to evaluate developmental cardiotoxicity (UKK-CTT). A gene signature predicts the inhibitory potential of teratogens and non-teratogens in cardiomyogenesis. The "Developmental Cardiotoxicity Index" (CDI31g) effectively distinguishes compounds affecting hiPSC differentiation into functional cardiomyocytes. This study anticipates a promising future for human-based in vitro models in developmental toxicity screening, improving drug testing and teratogenicity prediction. These advancements provide valuable insights into drug-induced developmental toxicity during cardiac organogenesis, enhancing our understanding of critical embryonic development phases and drug safety during vulnerable periods.

Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines innovativen In-vitro-Testsystems unter Verwendung von menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) zur Bewertung der Entwicklungstoxizität. Herkömmliche Ansätze beruhten auf Tierversuchen, die oft komplex, kostspielig und aufgrund von Speziesunterschieden nicht direkt auf den Menschen übertragbar sind. Das "Universitätsklinikum Köln (UKK)2"-Testsystem wurde entwickelt, um sowohl Entwicklungsteratogenität als auch Kardiotoxizität zu bewerten. Es nutzte hiPSCs, Transkriptom-Analysen und ausgewählte Substanzen in in vivo-ähnlichen Konzentrationen. Die Differenzierung von hiPSCs in verschiedene Keimblätter und Kardiomyozyten wurde in Gegenwart und Abwesenheit von Substanzen mit embryotoxischer Wirkung untersucht. Genexpressionsanalysen identifizierten charakteristische Gene-signaturen für Embryotoxizität und Kardiotoxizität. In der ersten Phase wurden 23 Teratogene und 16 Nicht-Teratogene in maximaler Plasmakonzentration (Cmax) und 20-facher Cmax-Konzentration getestet. Ein prädiktiver Klassifikator mit einer Genauigkeit von 90% bis 92% wurde entwickelt, um Teratogene vorherzusagen. Das UKK2-Testsystem wurde dann zum UKK-Kardiotoxizitätstest (UKK-CTT) erweitert, um Substanzen zu testen, die die Kardiomyogenese hemmen. Eine Gensignatur wurde identifiziert, um Teratogene von Nicht-Teratogenen zu unterscheiden. Der "Developmental Cardiotoxicity Index" (CDI31g) wurde erstellt, um Substanzen zu unterscheiden, die die Kardiomyogenese beeinflussen. Die Studie zeigt vielversprechende Möglichkeiten für hiPSC-basierte In-vitro-Modelle zur Identifizierung von Embryotoxinen in der präklinischen Phase der Arzneimittelentwicklung. Die Entwicklung und Anwendung des UKK2-Testsystems und des UKK-CTT haben wertvolle Erkenntnisse über Entwicklungstoxizität und Kardiotoxizität geliefert und bilden eine Grundlage für die sichere Arzneimittelentwicklung in der präklinischen Phase.