A szívizom intracelluláris kalcium homeosztázisának szabályozása diabéteszes kardiomiopátiában
Title in English
Intracellular calcium handling of the heart in diabetic cardiomyopathy
Keywords in Hungarian
miokardium, Ca2+i, NIDDM, kalcium transzport fehérjék és csatornák, hipertónia, PPARgamma
Keywords in English
myocardium, Ca2+i, NIDDM, calcium transport proteins and channels, hypertension, PPARgamma
Discipline
Cardiovascular system (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Panel
Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology
Department or equivalent
Clinical Research Dept. (Semmelweis University)
Participants
Kollai, Márk Koller, Ákos Ligeti, László Pankotai, Eszter
Starting date
2006-02-01
Closing date
2010-01-31
Funding (in million HUF)
19.252
FTE (full time equivalent)
2.96
state
closed project
Summary in Hungarian
A népbetegség diabetesz mellitusz egyik súlyos komplikációja a koronáriaszklerózis nélkül is kialakuló kardiomiopátia. A kórképet a korábban megjelenő diasztolés, majd a később kialakuló szisztolés diszfunkció jellemzi. Kísérleteinkkel a kontrakciós és relaxációs zavarokért felelős miokardiális intracelluláris kalcium (Ca2+i) homeosztázis változásait kívánjuk tisztázni II. típusú diabétesz (DM II) állatmodelljeiben. DM II-t diétával (szukróz és fruktóz) hozunk létre, illetve genetikusan DM II-ben szenvedő állatokat (Zucker obese rat és db/db egér) alkalmazunk. Az állatok egy részében a DM II-t angiotenzin II infúziójával létrehozott hipertóniával súlyosbítjuk. Vizsgálni fogjuk izolált, működő szívben a Ca2+i dinamikus változásait, azaz a Ca2+i tranzienst. A Ca2+i tranziens-t meghatározó transzport folyamatok és fluxusok kvantitatív elemzésével kiszámoljuk a SERCA2a Vmax és Km értékeit, valamint a ryanodin csatorna (RyR2) konduktivitását. A kísérletek végén a lefagyasztott szívek SERCA2a, RyR2, Na+/Ca2+ kicserélő és foszfolamban tartalmát meghatározzuk. A szív hemodinamikai paramétereinek és az Ca2+i forgalom összevetését béta-adrenerg aktiváció és hypoxia alatt is elvégezzük. Végül megvizsgáljuk, hogy a szöveti inzulinérzékenység fokozásával – PPARgamma aktiváció - befolyásolhatók-e a Ca2+i homeosztázis és a miokardiális kontrakciós aktivitás DM II által okozott változásai.
Summary
Diabetes mellitus (DM II) is reaching endemic proportions. One of its major complications is myocardiopathy developing without apparent coronary disease. The syndrome is characterized by early diastolic and late systolic dysfunction. In this grant period we aim to delineate the pathological changes of myocardial intracellular calcium (Ca2+i) homeostasis responsible for the disturbed inotropic and lusitropic function in different models of DM II. These will include rats in which DM II will be developed by diet (sucrose or fructose feeding) and animals which genetically suffer from DM II (Zucker obese rat and db/db mouse). In a subset of animals DM II will be compounded by hypertension induced by Angiotensin II infusion. We will measure the dynamic changes of Ca2+i, the Ca2+i transient in the beating perfused heart. The quantitative analysis of the Ca2+i transient will allow us to determine the Vmax and Km of SERCA2a and the conductivity of the ryanodin channel (RyR). The hearts will be freeze clamped and the tissue content of SERCA2a, RyR, Na+/Ca2+ exchanger and phosphalamban will be determined. We will correlate the hemodynamic function and calcium handling of the heart during beta-adrenergic activation and hypoxia. Finally, we aim to find out, whether increasing insulin sensitivity of the tissue by PPARgamma activation affects Ca2+i homeostasis and the contratile state of the heart.
Final report
Results in Hungarian
A diabétesz mellitusz (DM) egyik súlyos szövődménye a csökkent szívizom funkció, kardiomiopátia. Ennek hátterében a szívizomsejtek Ca2+i homeosztázisának zavara állhat. Pályázatunk fő célkitűzése a 2. típusú diabétesz mellitusz során kialakuló szívizom Ca2+i homeosztázis zavarok vizsgálata volt különböző perfundált patkány és egér szív modellekben. Kísérleti rendszerünkben az aktuális szívpumpa funkció hemodinamikai paramétereit és a Ca2+i homeosztázist jellemző, ún. Ca2+i-tranzienst egyidejűleg vizsgáltuk, ezáltal a kontrakciós tevékenység változásait a háttérben álló Ca2+i fluxusok ismeretében értelmeztük.
Eredményeink szerint a csökkent szívfunkció hátterében a szarkoplazmatikus retikulum (SR) Ca2+ raktározó és felszabadító működésének károsodása állhat. Továbbá, a manifeszt kardiális diszfunkciót megelőzően már sérül az SR Ca2+ pumpájának (SERCA2a) működése. Ennek a diszfunkciónak a mechanizmusa lehet a SERCA2a posztranszlációs modifikációja vagy a membránkörnyezet kedvezőtlen változása. A funkciózavar ellensúlyozására a diabéteszes szívekben a SERCA2a fehérje fokozott expressziója következik be. A hipoxiás tűrőképességet vizsgálva megállapítottuk, hogy a diabéteszes szívben a SERCA2a diszfunkció miatt csökkent Ca2+i szekvesztráció hipoxiára fokozottan érzékeny, amely oxigénhiányos állapotokban a Ca2+i szint túlzott mértékű emelkedését okozhatja. Eredményeink hozzájárulhatnak a diabéteszes kardiomiopátia patomechanizmusának részletesebb megértéséhez.
Results in English
One of the serious complications of diabetes mellitus (DM) is decreased myocardial function, cardiomyopathy, which is probably underlined by disturbances of Ca2+i homeostasis of the cardiomyocytes. The main goal of this project was to delineate pathological changes of myocardial Ca2+i handling in type 2 DM using different isolated, perfused rat and mouse heart models. Our experimental setup enabled the concomitant measurement of the hemodynamic parameters of actual heart pump function and the Ca2+i-transient characterizing myocardial Ca2+i homeostasis. This way disturbances in contractile activities of the heart could be assessed in view of background Ca2+i fluxes.
Our results show that disturbances of Ca2+ sequestration and release by the sarcoplasmic reticulum (SR) underlie contractile abnormalities of the heart. Furthermore, the normal operation of the Ca2+ pump of the SR (SERCA2a) progressively deteriorates prior to manifestation of cardiac dysfunction the mechanism of which could be related to posttranslational modifications of SERCA2a or unfavorable alterations in the surrounding membrane composition. SERCA2a protein expression increases to counteract functional disturbances. Decreased Ca2+ sequestration by SERCA2a dysfunction in the diabetic heart has augmented sensitivity to hypoxia. This enhanced sensitivity could lead to Ca2+i overload when O2 is in short supply. These results may lead to the better understanding of the pathomechanisms of diabetic cardiomyopathy.
Kemecsei P, Miklós Zs, Bíró T, Komlódi-Pásztor E, Barnucz E, Mirk É, Van der Vusse GJ, Ligeti L, Ivanics T: Hearts of surviving MLP-KO mice show transient changes of intracellular calcium handling., Molecular and Cellular Biochemistry (revizíóra visszaküldve), 2010
Drozgyik András, Benis Éva, Kemecsei Péter, Miklós Zsuzsanna, Ivanics Tamás: II. típusú diabéteszben sérül a kardiális SERCA2a funkció., Absztrakt könyv, a Magyar Élettani Társaság LXXIII. Vándorgyűlése, Budapest, augusztus 27-29., 2009
Drozgyik András, Benis Éva, Kemecsei Péter, Miklós Zsuzsanna, Ivanics Tamás: Cardiac SERCA2a function is impaired in type 2 diabetes., Acta Physiologica Hungarica 97(1): 99, 2010
Ligeti L, Szenczi O, Prestia CM, Szabó Cs, Horváth K, Marcsek ZL, van Stiphout RGPM, van Riel NAW, op den Buijs J, van der Vusse GJ, Ivanics T: Altered calcium handling is an early sign of streptozotocin-induced diabetic cardiomyopathy., Int J Mol Med 17: 1035-1043, 2006
Ligeti L, Miklós Z, van Riel NAW, Van der Vusse GJ, Ivanics T: Calcium handling in the diabetic heart., Acta Physiologica – FEBS 186(Suppl 1): 46, Abstract #ST2-5, 2006
Van Riel N, van Stiphout R, Jeneson J, Hilbers P, Ligeti L, Ivanics T, van der Vusse G: Computational analysis of disturbed calcium handling in the diabetic heart., Acta Physiologica – FEBS 186(Suppl 1): 45, Abstract #ST2-3, 2006
Miklós Zs, Barnucz E, Duray B, Ligeti L, Ivanics T.: Diabetic cardiomyopathy is associated with impaired intracellular calcium (Ca2+i) release and sequestration., Acta Physiologica – FEBS 191(Suppl 658): 37, Abstract #OTh09-34, 2007
Miklós Zs, Barnucz E, Duray B, Ligeti L, Ivanics T: Effects of fructose-diet on intracellular calcium (Ca2+i) handling of rat myocardium., Acta Physiologica Hungarica 94(4): 374, 2007
Op Den Buijs J, Ligeti L, Ivanics T, Miklós Z, Van Der Vusse GJ, N. A. W. Van Riel NAW: Mathematical modelling of the calcium–left ventricular pressure relationship in the intact diabetic rat heart., Acta Physiologica - FEPS, 193(3): 205-217, 2008
Miklós Zsuzsanna, Kemecsei Péter, Benis Éva, Drozgyik András, Ivanics Tamás: A kardiális intracelluláris kalcium homeosztázis-zavarok progressziója II. típusú diabéteszben., pp. 219 Absztrakt könyv, a Magyar Kísérletes és Klinikai Farmakológiai Társaság és a Magyar Élettani Társaság LXXII. Vándorgyűlése, Debrecen, június 4-6., 2008
