 |
Role of calcium-linked excitatory processes in the frequency adaptation of cardiomyocytes
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
120794 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Horváth, Balázs |
| Title in Hungarian |
Kalciumhoz kapcsolódó ingerületi folyamatok szerepe szívizomsejtek frekvenciaadaptációjában |
| Title in English |
Role of calcium-linked excitatory processes in the frequency adaptation of cardiomyocytes |
| Keywords in Hungarian |
kalcium, ionáramok, akciós potenciál, késői nátriumáram, TRPM4 |
| Keywords in English |
calcium, ionic currents, action potential, late sodium current, TRPM4 |
| Discipline |
| Cell differentiation, physiology and dynamics (Council of Medical and Biological Sciences) | 70 % | | Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Experimental pharmacology, drug discovery and design (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology |
| Department or equivalent |
Department of Physiology (University of Debrecen) |
| Participants |
Nánási, Péter Pál
|
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2017-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
5.030 |
| FTE (full time equivalent) |
0.80 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A szívizomsejtek szarkolemmális transzportfolyamatai közül többről ismert, hogy kalciumfüggő, azaz amplitúdójukat vagy kinetikájukat befolyásolja az intracelluláris kalciumkoncentráció ([Ca2+]i). A kalcium befolyásolhatja a transzportfehérjéket közvetlenül, amennyiben – főként kalcium-kalmodulin komplexként – kötődik hozzájuk, illetve közvetve, kalciumfüggő enzimek általi foszforiláció formájában. Ilyen kalciumfüggő enzim például a proteinkináz C, vagy a kalcium/kalmodulin-függő protein kináz II. Feltételezzük, hogy a szívfrekvencia hirtelen változásának hatására az egyes kalciumfüggő sarcolemmalis transzporter fehérjék adaptációjában tapasztalható késések, illetve az adaptáció kinetikájának egyenlőtlenségei olyan sérülékeny időablakot okoznak, mely során nagyobb valószínűséggel jelenhetnek meg szívritmuszavarok.
Jelen kutatások célja két ilyen kalciumfüggő ioncsatorna, a késői nátriumáramot (INa,late) létrehozó csatornák és a monovalens kationáramot (ITRPM4) létrehozó TRPM4 csatornák vizsgálata. Megállapítjuk az INa,late és ITRPM4 frekvencia-, és kalciumfüggését nem egyensúlyi körülmények között. Meghatározzuk továbbá, hogy az ionáram milyen szerepet tölt be a szívfrekvenciaváltozás által kiváltott szívritmuszavarok előidézésében. A kísérletes módszerekkel nyert adatokkal kiegészítjük a már meglévő numerikus elektrofiziológiai modelleket.
A fenti célokat a legmodernebb in vitro celluláris elektrofiziológiai és optikai kísérletek segítségével kívánjuk elérni kutyákból nyert egyedi szívizomsejtek vizsgálatával. A modellválasztás különös jelentőséggel bír, hiszen a kutyaszív sejtjei elektrofiziológiai szempontból nagyon hasonlóak az emberi szív sejtjeihez.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás a késői nátriumáram (INa,late) és a TRPM4 csatorna áram (ITRPM4) kalciumfüggő szabályozásának megértését célozza nem-egyensúlyi körülmények között. A kalcium sokféle ioncsatornát és más transzportert befolyásol, és a citoszol kalciumszintje ([Ca2+]i) függ a szívfrekvenciától. A szívfrekvencia változásai a másodperc törtrésze alatt bekövetkezhetnek, mely változást a [Ca2+]i hűen követi. Azonban attól függően, hogy a [Ca2+]i közvetlen vagy közvetett módon befolyásolja az adott csatorna vagy transzporter működését, az adaptációjukban különbségek adódhatnak. Egy közvetlenül szabályozott transzportfehérje egy másodpercen belül adaptálódhat. A közvetett, fehérje foszforilációval járó változások lehet, hogy csak néhány tíz másodperccel később következnek be a [Ca2+]i-tól és a foszfatázok aktivitásától függően.
A kutatás kérdései:
1. Hogyan befolyásolja az ingerlési frekvencia a INa,late-ot és a ITRPM4-et?
Megállapítjuk az áramok idő-, és frekvenciafüggő tulajdonságait előbb különböző frekvenciákon, de egyensúlyi körülmények között, majd az ingerlési frekvencia hirtelen változtatása esetén.
2. Meghatározzuk a INa,late-ot és a ITRPM4 kalciumfüggését.
A INa,late kalcium-, CaM-, és CaMKII-függő szabályozása jól meghatározott, akárcsak az ITRPM4 CaM és PKC függő szabályozása. A szabályozó utak hirtelen [Ca2+]i változást követő kinetikájáról azonban kevés információval rendelkezünk.
3. Hogyan tudunk jobb numerikus modelleket készíteni?
A INa,late és a ITRPM4 dinamikus kalciumfüggő szabályozásával kiegészítjük a jelenlegi numerikus modelleket, hogy azok valósághűen tudják szimulálni a szívfrekvenciaváltozást követő adaptációs választ.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az alábbi közvetlen eredmények várhatóak a tervezett kutatás megvalósítása során:
(1) meghatározzuk, hogy az ingerlési frekvencia milyen hatással van a INa,late-ra és a ITRPM4-re;
(2) meghatározzuk a INa,late és a ITRPM4 kalciumfüggését;
(3) kísérleti eredményeinket matematikai modellekbe integráljuk.
Méréseinket nem-egyensúlyi körülmények között végezzük, hogy jobban megértsük a INa,late és ITRPM4 viselkedését szívfrekvencia-adaptáció során. A szívünk mindig dinamikusan változó körülmények között működik, a jelen kísérleti elrendezés ezért jobban modellezi ezt a környezetet, mint az egyensúlyi mérések során nyert adatok.
Kísérleteinket kutyák szívének kamráiból nyert egyedi szívizomsejteken kívánjuk elvégezni, mivel a kutyaszív sejtjei elektrofiziológiai szempontból nagyon hasonlóak az emberi szív sejtjeihez. További cél a kísérletek megvalósítása során, hogy a körülmények minél hűebben tükrözzék az élettani viszonyokat. Ezért méréseinket 37 °C-on, fiziológiás ion-, és pufferkörnyezetben végezzük majd akciós potenciál voltage-clamp módszerrel. A INa,late és a ITRPM4 kalciumfüggésének meghatározása végett a sejt kalciumháztartásába nem avatkozunk bele (nem használunk kalcium kelátort). Ezért kísérleteink jól illenek ahhoz, hogy a kalcium egyes ionáramokra kifejtett komplex moduláló hatását vizsgáljuk izolált szívizomsejtekben, rövidtávú frekvenciaadaptáció során.
Ennek megfelelően a kapott eredmények értelmezése sokkal könnyebb lesz, mintha adataink rágcsálókból (egér, patkány) származnának, vagy ha azokat ionhelyettesítéssel, kalciumpuffer alkalmazásával, vagy hagyományos voltage-clamp protokollok alkalmazásával nyertük volna. Eredményeink rávilágítanak majd, hogy a INa,late vagy a ITRPM4 diszregulációja milyen mechanizmussal vezethet hirtelen szívfrekvenciaváltozás által indukált szívritmuszavarok kialakításához. A sAPVC módszerrel kapott adataink segítségével pontosabb in silico szívizomsejt modelleket tudunk majd alkotni.
Tervezett kísérleteink eredményei hosszú távon fontosak lehetnek a szívritmuszavarok kezelése szempontjából is, mivel hozzájárulhatnak hatékonyabb, racionálisabb antiaritmiás stratégiák kifejlesztéséhez.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Napjainkban a fejlett országokban a legtöbb halálozást szív-és érrendszeri betegségek okozzák, melyben kitüntetett szerepe van a szívritmuszavaroknak. A ritmuszavarok közvetlen okozói a szív izomsejtjeinek bioelektromos tevékenységében bekövetkező rendellenességek. Az elektromos történéseket a szívizomsejtek sejthártyájában elhelyezkedő ioncsatornák és más szállítófehérjék által létrehozott áramok határozzák meg.
A ritmuszavarok gyakran jelentkeznek a szívverés gyorsaságát (szívfrekvenciát) hirtelen megváltoztató hatások következtében. Ezért a jelen kutatás célja, hogy tisztázza a szívizomsejtek két áramának, az ún. késői nátriumáramnak, illetve a TRPM4 nevű ioncsatorna által létrehozott áramnak a szerepét a szívfrekvencia hirtelen megváltozása által keltett szívritmuszavarok előidézésében.
Mivel ismert, hogy a szívfrekvenciában bekövetkező változások megváltoztatják a szívizomsejteken belül a kalciumionok koncentrációját, ezért kutatásunk célja tisztázni, hogy a sejtek ingerlési gyakoriságának, illetve a kalciumionok koncentrációjának megváltozása miként befolyásolja az általunk vizsgálni kívánt két ionáramot. Tervezzük továbbá, hogy kísérletes eredményeink segítségével hozzájárulunk olyan matematikai modellhez, mely a jelenlegi modelleknél pontosabban használható a szívritmuszavarok kialakulásának megismerését célzó kutatásokban.
Az alkalmazandó kísérletes módszereink nagy előnye, hogy a szervezeten belüli működést leginkább közelítő módon próbáljuk mind a késői nátriumáram, mind a TRPM4 áramának működését megismerni. Így eredményeink szinte közvetlenül hasznosíthatóak lesznek a humán gyógyászatban, és hozzásegíthetnek új terápiás lehetőségek kifejlesztéséhez.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Many of the sarcolemmal transport processes of cardiomyocytes are known to be calcium-dependent, i.e. their amplitude and/or kinetic properties are influenced by changes in intracellular calcium concentration ([Ca2+]i). Calcium can influence transport proteins directly, by binding to them mainly in the form of Ca2+-calmodulin complex or indirectly, by phosphorylation via calcium-dependent enzymes such as protein kinase C or calcium/calmodulin-dependent protein kinase II. We hypothesize that the delayed adaptation and unequal adaptation kinetics of calcium dependent sarcolemmal transporter proteins to a sudden change in heart rate creates a vulnerable period when arrhythmias are more likely to develop.
The goal of the proposed work is to study two of these calcium dependent ion channels, namely the channels responsible for the late sodium current (INa,late) and TRPM4 channels mediating a monovalent cationic current (ITRPM4). We will establish rate- and calcium-dependence of INa,late and ITRPM4 under non-equilibrium conditions. Furthermore we will determine how these currents contribute to arrhythmias generated by abrupt heart rate change. Experimental data will also be incorporated into existing numerical electrophysiology models.
To address these aims state of the art in vitro cellular electrophysiology and optical experiments are proposed in isolated canine ventricular myocytes. The choice of model is important because their electrophysiological parameters (action potential configuration, kinetic parameters and composition of ion currents) are closely matched to the human heart.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Our goal is to understand how calcium-dependent regulation of INa,late and ITRPM4 happen under non-equilibrium conditions. Calcium modulates the kinetics of many channels and transporters, and cytosolic calcium concentration depends on the heart rate. Heart rate can change within a second and [Ca2+]i follows this change rapidly. However based on whether [Ca2+]i regulates a channel or transporter directly or indirectly, differences in adaptation might occur. A transport protein regulated directly can adapt within less than a second whereas indirect regulation requiring the action of kinases can lag behind in tens to hundreds of seconds depending on the Ca2+ concentration and phosphatase activities.
Questions of the proposal are:
1. How does stimulation rate influence INa,late and ITRPM4? We will measure the time and frequency dependence of the currrents during both steady state stimulation at different frequencies and following abrupt changes in stimulation frequency.
2. Determine calcium dependence of INa,late and ITRPM4. Calcium-, CaM- and CaMKII-dependent regulation of INa,late is well established, just as CaM and PKC dependent regulation of ITRPM4. However little is known about the kinetics of these regulatory pathways under sudden changes in [Ca2+]i.
3. How can we make better numerical models? We plan to add calcium dependent dynamic modulation of INa,late and ITRPM4 into the quantitative models in order to simulate the transitional adaptation response to heart rate changes.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The project is designed to achieve three specific aims:
(1) determine how stimulation rate influences INa,late and ITRPM4;
(2) determine the calcium dependence of INa,late and ITRPM4;
(3) incorporate experimental data into mathematical models.
We will use non-equilibrium conditions in order to better understand how INa,late and ITRPM4 behaves during heart rate adaptation. The heart always works under dynamically changing conditions (heart rate, adrenergic tone), and our experimental design will model this better than data obtained under steady-state conditions.
The experiments will be carried out in isolated canine ventricular myocytes as their electrophysiological parameters resemble most to human ventricular myocytes. Another aim is to do the experiments as close to physiological circumstances as possible. To achieve this, the measurements will be carried out at 37 °C, with physiological ionic and buffer milieu and action potential voltage clamp method. In order to study calcium dependence of INa,late and ITRPM4 we will keep the cell’s Ca2+ handling intact (no calcium chelator will be used). Therefore these experiments are uniquely suited for studying the complex effects of how calcium modulate various currents in single cardiac cells during short term rate adaptation.
Accordingly, the results to be obtained will be much easier to interpret than data originating from small rodents (rat, mice), or achieved by ionic substitution, using calcium chelators or under conventional voltage-clamp conditions. The proposed research is expected to help us understanding how dysregulation of INa,late or ITRPM4 can lead to generation of arrhythmias induced by sudden changes in heart rate. The sAPVC data to be obtained may help to develop more precise computational models of cardiac cells.
On the long run the proposed research may also carry important therapeutic consequences by helping to develop more adequate, and more rational antiarrhythmic strategies.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Nowadays the leading causes of mortality are cardiovascular diseases in the developed countries. Among these, arrhythmias are outstandingly important. Rhythm disturbances are caused by impaired bioelectrical activity of cardiac muscle cells. Electrical happenings are underlain by ionic currents generated by ion channels and other transport proteins located in the cell membrane.
Rhythm disturbances often occur when there is a sudden change in heart rate. Therefore the goal of this proposal is to elucidate the role of two currents, the late sodium current and the current mediated by the so-called TRPM4 channel in causing arrhythmias associated with abrupt change in heart rate.
It is known that intracellular calcium concentration in the cardiomyocytes changes with changing heart rates. Therefore we aim to clarify how changes in stimulation rate and calcium concentration modify the two currents on our scope. With our experimental results we plan to contribute to mathematical models that can be used more precisely than the current models in studying how arrhythmias are being generated.
The unique advantage of our experimental design is that it tries to mimic in vivo physiological conditions as much as possible in the understanding of how the late sodium current and the TRPM4 current work. This way our results will have a potential for an almost immediate translation into human medicine and will help in developing new therapeutical possibilities.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
