Abstract Microphysiological systems (MPSs) mimicking human organ function in vitro are an emerging alternative to conventional cell culture and animal models for drug development. Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) have the potential to capture the diversity of human genetics and provide an unlimited supply of cells. Combining hiPSCs with microfluidics technology in MPSs offers new perspectives for drug development. Here, the integration of a newly developed liver MPS with a cardiac MPS—both built with the same hiPSC line—to study drug-drug interaction (DDI) is reported. As a prominent example of clinically relevant DDI, the interaction of the arrhythmogenic gastroprokinetic cisapride with the fungicide ketoconazole was investigated. As seen in patients, metabolic conversion of cisapride to non-arrhythmogenic norcisapride in the liver MPS by the cytochrome P450 enzyme CYP3A4 was inhibited by ketoconazole, leading to arrhythmia in the cardiac MPS. These results establish functional integration of isogenic hiPSC-based liver and cardiac MPSs, which allows screening for DDI, and thus drug efficacy and toxicity, in the same genetic background.

Human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocytes (hiPSC-CM) are a promising in vitro tool for drug development and disease modeling, but their immature electrophysiology limits their diagnostic utility. Tissue engineering approaches involving aligned and 3D culture enhance hiPSC-CM maturation but are insufficient to induce electrophysiological maturation. We hypothesized that recapitulating post-natal switching of the heart's primary adenosine triphosphate source from glycolysis to fatty acid oxidation could enhance maturation of hiPSC-CM. We combined hiPSC-CM with microfabrication to create 3D cardiac microphysiological systems (MPS) that enhanced immediate microtissue alignment and tissue specific extracellular matrix production. Using Robust Experimental design, we identified a maturation media that allowed the cardiac MPS to correctly assess false positive and negative drug response. Finally, we employed mathematical modeling and gene expression data to explain the observed changes in electrophysiology and pharmacology of MPS exposed to maturation media. In contrast, the same media had no effects on 2D hiPSC-CM monolayers. These results suggest that systematic combination of biophysical stimuli and metabolic cues can enhance the electrophysiological maturation of hiPSC-derived cardiomyocytes.

Combined optogenetic stimulation and optical imaging permits scalable, high-throughput probing of cellular electrophysiology and optimization of stem-cell derived excitable cells, such as neurons and muscle cells. We report a new 'on-axis' configuration of OptoDyCE, our all-optical platform for studying human induced pluripotent stem-cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) and other cell types, optically driven by Channelrhodopsin2 (ChR2). This solid-state system integrates optogenetic stimulation with temporally-multiplexed simultaneous recording of membrane voltage (Vm) and intracellular calcium ([Ca2+]i) dynamics using a single photodetector. We demonstrate the capacity for combining multiple spectrally-compatible actuators and sensors, including newer high-performance near-infrared (NIR) voltage probes BeRST1 and Di-4-ANBDQBS, to record complex spatiotemporal responses of hiPSC-CMs to drugs in a high-throughput manner.

The sheer complexity of the brain has complicated our ability to understand its cellular mechanisms in health and disease. Genome-wide association studies have uncovered genetic variants associated with specific neurological phenotypes and diseases. In addition, single-cell transcriptomics have provided molecular descriptions of specific brain cell types and the changes they undergo during disease. Although these approaches provide a giant leap forward towards understanding how genetic variation can lead to functional changes in the brain, they do not establish molecular mechanisms. To address this need, we developed a 3D co-culture system termed iAssembloids (induced multi-lineage assembloids) that enables the rapid generation of homogenous neuron-glia spheroids. We characterize these iAssembloids with immunohistochemistry and single-cell transcriptomics and combine them with large-scale CRISPRi-based screens. In our first application, we ask how glial and neuronal cells interact to control neuronal death and survival. Our CRISPRi-based screens identified that GSK3β inhibits the protective NRF2-mediated oxidative stress response in the presence of reactive oxygen species elicited by high neuronal activity, which was not previously found in 2D monoculture neuron screens. We also apply the platform to investigate the role of APOE-ϵ4, a risk variant for Alzheimer's Disease, in its effect on neuronal survival. This platform expands the toolbox for the unbiased identification of mechanisms of cell-cell interactions in brain health and disease.

Abstract Understanding the complex interplay between gene expression and neuronal activity is crucial for unraveling the molecular mechanisms underlying cognitive function and neurological disorders. In this study, we develop pooled screens for neuronal activity, using CRISPR interference (CRISPRi) and the fluorescent calcium integrator CaMPARI2. Using this screening method, we identified 153 genes associated that changed synaptic excitability in human iPSC-derived neurons, revealing potential links to neurodegenerative and neurodevelopmental disorders. These genes include known regulators of neuronal excitability, such as TARPs and ion channels, as well as genes associated with autism spectrum disorder (ASD) and Alzheimer’s disease (AD) not previously described to affect neuronal excitability. This CRISPRi-based screening platform offers a versatile tool to uncover molecular mechanisms controlling neuronal activity in health and disease.

Abstract Tau aggregation is a hallmark of several neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease and frontotemporal dementia. There are disease-causing variants of the tau-encoding gene, MAPT , and the presence of tau aggregates is highly correlated with disease progression. However, the molecular mechanisms linking pathological tau to neuronal dysfunction are not well understood due to our incomplete understanding of the normal functions of tau in development and aging and how these processes change in the context of causal disease variants of tau. To address these questions in an unbiased manner, we conducted multi-omic characterization of iPSC-derived neurons harboring the MAPT V337M mutation. RNA-seq and phosphoproteomics revealed that both V337M tau and tau knockdown consistently perturbed levels of transcripts and phosphorylation of proteins related to axonogenesis or axon morphology. Surprisingly, we found that neurons with V337M tau had much lower tau phosphorylation than neurons with WT tau. We conducted functional genomics screens to uncover regulators of tau phosphorylation in neurons and found that factors involved in axonogenesis modified tau phosphorylation in both MAPT WT and MAPT V337M neurons. Intriguingly, the p38 MAPK pathway specifically modified tau phosphorylation in MAPT V337M neurons. We propose that V337M tau might perturb axon morphology pathways and tau hypophosphorylation via a “loss of function” mechanism, which could contribute to previously reported cognitive changes in preclinical MAPT gene carriers.

Biological membrane potentials, or voltages, are a central facet of cellular life. Optical methods to visualize cellular membrane voltages with fluorescent indicators are an attractive complement to traditional electrode-based approaches, since imaging methods can be high throughput, less invasive, and provide more spatial resolution than electrodes. Recently developed fluorescent indicators for voltage largely report changes in membrane voltage by monitoring voltage-dependent fluctuations in fluorescence intensity. However, it would be useful to be able to not only monitor changes, but also measure values of membrane potentials. This study discloses a new fluorescent indicator which can address both. We describe the synthesis of a new sulfonated tetramethyl carborhodamine fluorophore. When this carborhodamine is conjugated with an electron-rich, methoxy (-OMe) containing phenylenevinylene molecular wire, the resulting molecule, CRhOMe, is a voltage-sensitive fluorophore with red/far-red fluorescence. Using CRhOMe, changes in cellular membrane potential can be read out using fluorescence intensity or lifetime. In fluorescence intensity mode, CRhOMe tracks fast-spiking neuronal action potentials with greater signal-to-noise than state-of-the-art BeRST (another voltage-sensitive fluorophore). CRhOMe can also measure values of membrane potential. The fluorescence lifetime of CRhOMe follows a single exponential decay, substantially improving the quantification of membrane potential values using fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). The combination of red-shifted excitation and emission, mono-exponential decay, and high voltage sensitivity enable fast FLIM recording of action potentials in cardiomyocytes. The ability to both monitor and measure membrane potentials with red light using CRhOMe makes it an important approach for studying biological voltages.