 |
Dynamic regulation of the late sodium current in ventricular cardiomyocytes
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128116 |
| Type |
FK |
| Principal investigator |
Horváth, Balázs |
| Title in Hungarian |
Kamrai szívizomsejtek késői nátriumáramának dinamikus szabályozása |
| Title in English |
Dynamic regulation of the late sodium current in ventricular cardiomyocytes |
| Keywords in Hungarian |
szívizomsejt, nátriumcsatorna, késői nátriumáram, szívritmuszavar, kalcium |
| Keywords in English |
cardiac myocyte, sodium channel, late sodium current, arrhythmia, calcium |
| Discipline |
| Cardiovascular system (Council of Medical and Biological Sciences) | 50 % | | Ortelius classification: Cardiovascular system | | Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences) | 30 % | | Organ physiology and pathophysiology (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: General pathology |
|
| Panel |
Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology |
| Department or equivalent |
Department of Physiology (University of Debrecen) |
| Participants |
Almássy, János
Bányász, Tamás
Baranyai, Dóra
Dienes, Csaba Bálint
Jóna, István
Kiss, Dénes Zsolt
Kistamás, Kornél
Magyar, János
Ruzsnavszky, Ferenc
Szentandrássy, Norbert
Váczi, Krisztina
Veress, Roland
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2023-02-28 |
| Funding (in million HUF) |
30.000 |
| FTE (full time equivalent) |
11.80 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Egyre több adat sugallja, hogy a késői nátriumáram (INa,late) kórélettani szereppel bírhat sok szívbetegségben, így például a szív iszkémiája esetén, vagy szívelégtelenségben. A felerősödött INa,late hátráltatja a repolarizációt és megemelheti az intracelluláris nátriumszintet, melyek szívritmuszavarokat, kontraktilis diszfunkciót okozhatnak és károsítják a szívizomzat energetikáját.
A INa,late-ról ismert, hogy kalciumfüggő. A kalcium közvetlenül, kalcium-kalmodulin komplexként kötődve, illetve közvetve, kalciumfüggő enzimek (pl. kalcium/kalmodulin-függő protein kináz II) által is befolyásolja az áramot. Ismert továbbá, hogy a szív legfontosabb szabályozó hormonjai, a katecholaminok is befolyásolják a INa,late-ot. Feltételezzük, hogy a szívfrekvencia hirtelen változásának hatására az egyes ionáramok eltérő időbeli adaptációja olyan sérülékeny időablakot okoz, mely során nagyobb valószínűséggel jelenhetnek meg szívritmuszavarok.
Jelen kutatások célja a INa,late adrenerg szabályozásának, valamint frekvencia-, és kalciumfüggésének vizsgálata nem egyensúlyi körülmények között. Meghatározzuk továbbá, hogy az áram milyen szerepet tölt be a szívfrekvencia-változás által kiváltott szívritmuszavarok előidézésében. Megvizsgáljuk, hogy az adrenerg jelátviteli utak milyen változásokat okoznak a INa,late-ban nem egyensúlyi körülmények között. A kísérletes módszerekkel nyert adatokkal kiegészítjük a INa,late numerikus elektrofiziológiai modelljeit.
A fenti célokat korszerű in vitro celluláris elektrofiziológiai és optikai kísérletek segítségével kívánjuk elérni az emberi szív sejtjeihez elektrofiziológiai szempontból hasonló, kutyákból nyert egyedi szívizomsejtjeinek vizsgálatával.
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) dinamikus adrenerg, frekvencia-, és kalciumfüggő szabályozásának megértését célozza nem-egyensúlyi körülmények között. A citoszol kalciumszintje ([Ca2+]i) függ a szívfrekvenciától és az adrenerg tónustól. A szívfrekvencia hirtelen változása néhány szívverés alatt bekövetkezhet, mely változást a [Ca2+]i hűen követi. A INa,late közvetlen [Ca2+]i általi szabályozása révén azonnal adaptálódhat a megváltozott szívfrekvenciához, azonban a közvetett, fehérje foszforilációval járó változások lehet, hogy csak percekkel később játszódnak le teljesen.
A kutatás fő kérdései:
1. Hogyan befolyásolja az ingerlési frekvencia a INa,late-ot?
Megállapítjuk az áramok idő-, és frekvenciafüggő tulajdonságait előbb egyensúlyi körülmények között, majd az ingerlési frekvencia hirtelen változtatása esetén.
2. A INa,late-ot milyen módon szabályozza a kalcium?
A INa,late kalcium-, CaM-, és CaMKII-függő szabályozása jól ismert. A szabályozó utak hirtelen [Ca2+]i változást követő kinetikájáról azonban kevés információval rendelkezünk.
3. Az adrenerg jelátviteli utak hogyan befolyásolják a INa,late nem-egyensúlyi körülmények közötti viselkedését?
Különböző adrenerg jelátviteli utakat szelektíven aktiválva vagy gátolva is elvégezzük az INa,late-ra vonatkozó kísérleteinket.
4. Hogyan tudunk jobb numerikus INa,late modellt készíteni?
A INa,late dinamikus adrenerg, frekvencia-, és kalciumfüggő szabályozásával kiegészítjük a jelenlegi numerikus modelleket, hogy azok valósághűen tudják szimulálni a szívfrekvencia megváltozását 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 változtatása milyen hatással van a INa,late-ra;
(2) meghatározzuk a INa,late kalciumfüggését;
(3) leírjuk az adrenerg jelátviteli útvonalak INa,late-ra gyakorolt hatását.
(4) kísérleti eredményeinket matematikai modellekbe integráljuk.
Méréseinket nem-egyensúlyi körülmények között végezzük, hogy jobban megértsük a INa,late 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 az emberi szív sejtjeihez elektrofiziológiai szempontból hasonló kutya egyedi szívizomsejtek vizsgálatával kívánjuk megvalósítani. További cél a kísérletek során, hogy a körülmények minél hűebben tükrözzék az élettani viszonyokat. Ezért méréseinket 37 °C-on, fiziológiás intracelluláris ion-, és pufferkörnyezetben végezzük majd akciós potenciál voltage-clamp (APVC) módszerrel. A INa,late 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 könnyebb lesz, mintha adataink rágcsálókból (egér, patkány) származnának, vagy ha azokat ionhelyettesítéssel, kalcium kelátor (EGTA, BAPTA) használatával, vagy hagyományos voltage-clamp protokollok alkalmazásával nyertük volna. Eredményeink rávilágítanak majd, hogy a INa,late diszregulációja milyen mechanizmussal vezethet hirtelen szívfrekvenciaváltozás által indukált szívritmuszavarok kialakításához. Az APVC 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 terápiás 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. Ezeket az elektromos történéseket a szívizomsejtek sejthártyájában elhelyezkedő ioncsatornák és más szállítófehérjék által létrehozott áramok határozzák meg.
A ritmuszavarok gyakran jelentkeznek hirtelen stressz (vészreakció) esetén, a szívverés gyorsaságának (szívfrekvenciának) azonnali megváltozásakor. Ezen hatásokról ismert, hogy megváltoztatják a szívizomsejteken belül a kalciumionok koncentrációját. Ezért a jelen kutatás célja, hogy tisztázza a szívizomsejtek egyik áramának, az ún. késői nátriumáramnak a szerepét a vészreakció hormonjai (adrenalin, noradrenalin), a szívfrekvencia, vagy a kalciumion-koncentráció hirtelen megváltozása hatására keltett szívritmuszavarok előidézésében. Tervezzük, 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 a késői nátriumáram működését megismerni. Így eredményeink szinte közvetlenül hasznosíthatóak lesznek a humán gyógyászatban, és hozzásegíthetnek új terápiás lehetőségek kifejlesztéséhez a szívritmuszavarok kezelésében.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Growing amount of data suggest that an increased late sodium current (INa,late) can bear pathophysiological role in several heart diseases such as myocardial ischaemia and heart failure. An upregulated INa,late impairs repolarization and increases intracellular sodium concentration of cardiomyocytes leading to cardiac arrhythmias, contractile dysfunction and harmed myocardial energetics.
INa,late is calcium-dependent. Calcium can influence the current directly, by binding to them mainly in the form of Ca2+-calmodulin complex or indirectly, by phosphorylation via calcium-dependent enzymes (eg. calcium/calmodulin-dependent protein kinase II). It is also known that the major neurohormonal regulators of cardiac function – katecholamines – also affect INa,late. We hypothesize that upon a sudden change in heart rate, unequal adaptation kinetics of sarcolemmal ionic currents create a vulnerable period when arrhythmias are more likely to develop.
The goal of the proposed work is to study the frequency-, and calcium-dependent modulation of the late sodium current (INa,late) under non-equilibrium conditions. We will determine how this current contribute to arrhythmias generated by abrupt heart rate change. We also propose to study how adrenergic signal transduction pathways influence non-equilibrium adaptation of INa,late. Experimental data will be used to supplement existing numerical electrophysiology INa,late models.
To address these aims state of the art in vitro cellular electrophysiology and optical experiments are proposed in canine isolated cardiomyocytes that possess electrophysiological parameters closely related 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 dynamic adrenergic, frequency-, and calcium-dependent regulation of the late sodium current (INa,late) happen under non-equilibrium conditions. Calcium modulates the kinetics of many transporters, and cytosolic calcium concentration ([Ca2+]i) depends on the heart rate and adrenergic tone. Heart rate can change within a second and [Ca2+]i follows this change rapidly. Because of its direct Ca2+i-dependent regulation, INa,late might adapt rapidly to the new heart rate, whereas indirect regulation requiring the action of kinases can lag behind even with a few minutes.
Main questions of the proposal are:
1. How does stimulation rate influence INa,late?
We will measure time- and frequency dependence of INa,late during both steady state stimulation at different frequencies and following abrupt changes in stimulation frequency.
2. How does calcium regulate INa,late?
Calcium-, CaM- and CaMKII-dependent regulation of INa,late is well established. However little is known about the kinetics of these regulatory pathways under sudden changes in [Ca2+]i.
3. How do adrenergic signaling pathways affect non-equilibrium adaptation of INa,late?
Experiments regarding INa,late will be repeated with selectively enhancing or blocking different adrenergic signal transduction pathways.
4. How can we make better numerical models?
We plan to add dynamic adrenergic, frequency-, and calcium-dependent modulation of INa,late into 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 the following specific aims:
(1) determine how changes in stimulation rate influences INa,late;
(2) determine the calcium dependence of INa,late;
(3) establish how adrenergic signal transduction pathways affect INa,late;
(4) incorporate experimental data into mathematical models.
We will use non-equilibrium conditions in order to better understand how INa,late behaves during heart rate adaptation. The heart always works under dynamically changing conditions (heart rate, adrenergic tone), therefore our experimental design will model this better than data obtained under steady-state conditions.
The experiments will be carried out in canine isolated ventricular myocytes that closely resemble human ventricular myocytes regarding their electrophysiological properties. 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 intracellular ionic and buffer milieu and action potential voltage clamp (APVC) method. In order to study calcium dependence of INa,late 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 obtained results 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 can lead to generation of arrhythmias induced by sudden changes in heart rate. The APVC 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. These electrical happenings are underlain by ionic currents generated by ion channels and other transport proteins located in the cell membrane of cardiac myocytes.
Rhythm disturbances often occur when there is a sudden stress (fight-or-flight response), and immediate change in heart rate happens. These conditions are known to affect calcium ion concentration inside the cardiac myocytes. Therefore the goal of this proposal is to elucidate the role of a myocardial ionic current, namely the late sodium current in causing arrhythmias associated with abrupt changes in heart rate, calcium concentration or in hormones associated with the flight-or-fight response (epinephrine, norepinephrine). With our experimental results we will also 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.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Ráduly Arnold Péter, Sárkány Fruzsina, Kovács Máté Balázs, Bernát Brigitta, Juhász Béla, Szilvássy Zoltán, Porszász Róbert, Horváth Balázs, Szentandrássy Norbert, Nánási Péter, Csanádi Zoltán, Édes István, Tóth Attila, Papp Zoltán, Priksz Dániel, Borbély Attila: The Novel Cardiac Myosin Activator Danicamtiv Improves Cardiac Systolic Function at the Expense of Diastolic Dysfunction In Vitro and In Vivo, INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES 24: (1) 446, 2023 | | Ráduly Arnold Péter, Tóth Attila, Sárkány Fruzsina, Horváth Balázs, Szentandrássy Norbert, Nánási Péter P., Csanádi Zoltán, Édes István, Papp Zoltán, Borbély Attila: Omecamtiv mecarbil augments cardiomyocyte contractile activity both at resting and systolic Ca2+ levels, ESC HEART FAILURE, 2023 | | Dienes Csaba, Kovács Zsigmond Máté, Hézső Tamás, Almássy János, Magyar János, Bányász Tamás, Nánási Péter P., Horváth Balázs, Szentandrássy Norbert: Pharmacological Modulation and (Patho)Physiological Roles of TRPM4 Channel—Part 2: TRPM4 in Health and Disease, PHARMACEUTICALS 15: (1) 40, 2022 | | Horváth Balázs, Szentandrássy Norbert, Almássy János, Dienes Csaba, Kovács Zsigmond Máté, Nánási Péter P., Banyasz Tamas: Late Sodium Current of the Heart: Where Do We Stand and Where Are We Going?, PHARMACEUTICALS 15: (2) 231, 2022 | | Kovács Zsigmond Máté, Dienes Csaba, Hézső Tamás, Almássy János, Magyar János, Bányász Tamás, Nánási Péter P., Horváth Balázs, Szentandrássy Norbert: Pharmacological Modulation and (Patho)Physiological Roles of TRPM4 Channel—Part 1: Modulation of TRPM4, PHARMACEUTICALS 15: (1) 81, 2022 | | Kiss Dénes, Horváth Balázs, Hézső Tamás, Dienes Csaba, Kovács Zsigmond, Topal Leila, Szentandrássy Norbert, Almássy János, Prorok János, Virág László, Bányász Tamás, Varró András, Nánási Péter P., Magyar János: Late Na+ Current Is [Ca2+]i-Dependent in Canine Ventricular Myocytes, PHARMACEUTICALS 14: (11) 1142, 2021 | | Horváth Balázs, Szentandrássy Norbert, Dienes Csaba, Kovács Zsigmond M., Nánási Péter P., Chen-Izu Ye, Izu Leighton T., Banyasz Tamas: Exploring the Coordination of Cardiac Ion Channels With Action Potential Clamp Technique, FRONTIERS IN PHYSIOLOGY 13: 864002, 2022 | | Dienes Csaba, Hézső Tamás, Kiss Dénes Zsolt, Baranyai Dóra, Kovács Zsigmond Máté, Szabó László, Magyar János, Bányász Tamás, Nánási Péter P., Horváth Balázs, Gönczi Mónika, Szentandrássy Norbert: Electrophysiological Effects of the Transient Receptor Potential Melastatin 4 Channel Inhibitor (4-Chloro-2-(2-chlorophenoxy)acetamido) Benzoic Acid (CBA) in Canine Left Ventricular Cardiomyocytes, INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES 22: (17) 9499, 2021 | | Horváth Balázs, Hézső Tamás, Kiss Dénes, Kistamás Kornél, Magyar János, Nánási Péter P., Bányász Tamás: Late Sodium Current Inhibitors as Potential Antiarrhythmic Agents, FRONTIERS IN PHARMACOLOGY 11: 413, 2020 | | Horváth Balázs, Hézső Tamás, Szentandrássy Norbert, Kistamás Kornél, Árpádffy-Lovas Tamás, Varga Richárd, Gazdag Péter, Veress Roland, Dienes Csaba, Baranyai Dóra, Almássy János, Virág László, Nagy Norbert, Baczkó István, Magyar János, Bányász Tamás, Varró András, Nánási Péter P.: Late sodium current in human, canine and guinea pig ventricular myocardium, JOURNAL OF MOLECULAR AND CELLULAR CARDIOLOGY 139: pp. 14-23., 2020 | | Dienes Csaba, Hézső Tamás, Kiss Dénes Zsolt, Baranyai Dóra, Kovács Zsigmond Máté, Szabó László, Magyar János, Bányász Tamás, Nánási Péter P., Horváth Balázs, Gönczi Mónika, Szentandrássy Norbert: Electrophysiological Effects of the Transient Receptor Potential Melastatin 4 Channel Inhibitor (4-Chloro-2-(2-chlorophenoxy)acetamido) Benzoic Acid (CBA) in Canine Left Ventricular Cardiomyocytes, INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES 22: (17) 9499, 2021 | | Fülöp Gábor Á., Oláh Attila, Csipo Tamas, Kovács Árpád, Pórszász Róbert, Veress Roland, Horváth Balázs, Nagy László, Bódi Beáta, Fagyas Miklós, Helgadottir Solveig Lind, Bánhegyi Viktor, Juhász Béla, Bombicz Mariann, Priksz Daniel, Nanasi Peter, Merkely Béla, Édes István, Csanádi Zoltán, Papp Zoltán, Radovits Tamás, Tóth Attila: Omecamtiv mecarbil evokes diastolic dysfunction and leads to periodic electromechanical alternans, BASIC RESEARCH IN CARDIOLOGY 116: (1) 24, 2021 | | Hézső Tamás, Naveed Muhammad, Dienes Csaba, Kiss Dénes, Prorok János, Árpádffy-Lovas Tamás, Varga Richárd, Fujii Erika, Mercan Tanju, Topal Leila, Kistamás Kornél, Szentandrássy Norbert, Almássy János, Jost Norbert, Magyar János, Bányász Tamás, Baczkó István, Varró András, Nánási Péter P., Virág László, Horváth Balázs: Mexiletine-like cellular electrophysiological effects of GS967 in canine ventricular myocardium, SCIENTIFIC REPORTS 11: (1) 9565, 2021 | | Horváth Balázs, Kiss Dénes, Dienes Csaba, Hézső Tamás, Kovács Zsigmond, Szentandrássy Norbert, Almássy János, Magyar János, Bányász Tamás, Nánási Péter P.: Ion current profiles in canine ventricular myocytes obtained by the “onion peeling” technique, JOURNAL OF MOLECULAR AND CELLULAR CARDIOLOGY 158: pp. 153-162., 2021 | | Kistamás Kornél, Hézső Tamás, Horváth Balázs, Nánási Péter P: Late sodium current and calcium homeostasis in arrhythmogenesis, CHANNELS 15: (1) pp. 1-19., 2021 | | Nánási Péter P., Horváth Balázs, Tar Fábián, Almássy János, Szentandrássy Norbert, Jost Norbert, Baczkó István, Bányász Tamás, Varró András: Canine Myocytes Represent a Good Model for Human Ventricular Cells Regarding Their Electrophysiological Properties, PHARMACEUTICALS 14: (8) 748, 2021 | | Kovács Zsigmond Máté, Óvári József, Dienes Csaba, Magyar János, Bányász Tamás, Nánási Péter P., Horváth Balázs, Feher Adam, Varga Zoltan, Szentandrássy Norbert: ABT-333 (Dasabuvir) Increases Action Potential Duration and Provokes Early Afterdepolarizations in Canine Left Ventricular Cells via Inhibition of IKr, PHARMACEUTICALS 16: (4) p. 488., 2023 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
