A kamrai repolarizáció rövidtávú variabilitásának lehetséges okai és modulátorai
Angol cím
The causes and the modulators of short term variability in ventricular repolarization
magyar kulcsszavak
szívizom, celluláris elektrofiziológia, akciós potenciál, intracelluláris kalcium, gap junction
angol kulcsszavak
heart, cellular electrophysiology, action potential, intracellular calcium, gap junctions
megadott besorolás
Biológiai rendszerek elemzése, modellezése és szimulációja (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
100 %
zsűri
Élettan, Kórélettan, Gyógyszertan és Endokrinológia
Kutatóhely
ÁOK Élettani Intézet (Debreceni Egyetem)
résztvevők
Hegyi Bence Kistamás Kornél Nánási Péter Pál Ruzsnavszky Ferenc
projekt kezdete
2014-01-01
projekt vége
2017-12-31
aktuális összeg (MFt)
16.708
FTE (kutatóév egyenérték)
8.64
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az EKG QT intervallum megnyúlását az arrhythmiák kialakulásának indikátorának és rizikó faktorának tartják. Az utóbbi évek kísérletei megkérdőjelezik ezt, ugyanis kutya és nyúl kísérletekben a QT intervallum beat-to-beat variabilitása jobban jelezte a torsades de pointes arrhythmia kialakulását, mint a QT megnyúlás. Ezért a kamrai repolarizáció variabilitásának kvantitatív jellemzése a proarrhythmiás állapot egy új paramétere lehet. Jelenleg nem ismertek teljesen azok a mechanizmusok amelyek repolarizáció időtartamának rövid távú beat-to-beat variabilitását (SBVR) okozzák. Feltételezzük, hogy az SBVR mechanizmusa multifaktoriális, ezért az SVBR mechanizmusának kiderítése érdekében, a kamrafal különböző rétegeiből származó sejteken az akciós potenciál időtartamát az alábbi módokon változtatjuk meg: 1. eltérő ingerlési frekvenciát használunk, 2. ellentétes elektrotónusos potenciálokat alkalmazunk, 3. ioncsatorna aktivátorokkal és inhibitorokkal kezeljük a preparátumokat. Vizsgáljuk továbbá a subsarcolemmalis kalcium koncentráció változásának és multicelluláris preparátumon a szívizomsejtek közötti gap juncion-ok szerepét is az SVBR-ban. Kísérletes adatinkat számítógépes modellezéssel kombináljuk, hogy megmutassuk, hogy a stochastikus ioncsatorna működés is hozzájárul az SVBR kialakulásához. Az előzetes kísérleteink eredményei alapján azt feltételezzük, hogy kamrai sejteken az SVBR és netto áram, amit az akciós potenciál plato időtartamának felénél mérünk, fordítottan arányos. Bár a jelen projekt alapkutatás, eredményeink alapján megismerhetjük az SBVR mechanizmusát ami a halálos kamrai arrhythmiák kialakulását jobban előre jelezheti mit a QT megnyúlás.
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. Jelenleg nem ismertek teljesen azok a mechanizmusok amelyek repolarizáció időtartamának rövid távú beat-to-beat variabilitását (SBVR) okozzák. Feltételezzük, hogy az SBVR mechanizmusa multifaktoriális, ezért az SVBR mechanizmusának kiderítése érdekében tervezett kísérletek során az epi-, mid-, és endocardiális izolált sejtek akciós potenciáljának időtartamát különböző módon változtatjuk. Ezen sejteken vizsgáljuk a subsarcolemmalis kalcium koncentráció változásának a hatását is az Inet és a SVBR-re. Multicelluláris kamrai preparátumokon végzünk méréseket, hogy a szívizomsejtek közötti elektromos kapcsolat, a gap juncion-ok szerepét tisztázzuk a SVBR-ban. A gap junctionok működését farmakonok segítségével moduláljuk. A kísérletes adatinkat számítógépes modellezéssel kombináljuk, hogy megmutassuk, hogy a stochastikus ioncsatorna működés is hozzájárul az SVBR kialakulásához. Korábbi eredményeink alapján feltételezzük, hogy a netto áram, amit az akciós potenciál plato időtartamának a felénél mérünk (Inet), fordítottan arányos az SBVR-rel.
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 EKG QT intervallum megnyúlását az arrhythmiák kialakulásának indikátorának és rizikó faktorának tartják azonban az utóbbi évek kísérletei megkérdőjelezik ezt. Kutya és nyúl kísérletekben a QT intervallum beat-to-beat variabilitása jobban jelezte a torsades de pointes arrhythmia kialakulását, mint a QT megnyúlás. A tervezett kísérletek eredményei segíthetnek feltárni kamrai sejteken a repolarizáció időtartamának rövid távú, beat-to-beat variabilitásának (SBVR) lehetséges okait és modulátorait. Az akciós potenciál és a subsarcolemmális kalcium koncentráció szimultán mérésével tisztázhatjuk az intracelluláris kalcium szerepét a repolarizáció időtartamának rövid távú, beat-to-beat variabilitásában. Ennek az a jelentősége, hogy patológiás körülmények között megemelkedik a szívizomsejtek kalcium szintje, ami proarrhithmiás hatással bírhat. Az endo-, mid- és epicardialis rétegekből származó sejteken végzett kísérleteink feltárhatják, hogy ezen sejteken az SVBR milyen mértékben járul hozzá az akciós potenciál transzmurális diszperziójához, és tisztázhatják ennek lehetséges szerepét az arrhythmiák kialakulásában. A β-adrenerg hatás (pl. stressz) mindennapos esemény a különböző ioncsatorna-gátlókkal kezeltek körében. A tervezett kísérletek alapján felderíthetjük, hogy melyek azok az ioncsatorna aktivátorok vagy inhibitorok, amelyek képesek az SBVR instabilitását növelni, vagy stabilizálni akkor, ha egyidejűleg a β-adrenerg receptorokat is aktiváljuk. A multicelluláris kamrai preparátumokon végzett mérések feltárhatják a szívizomsejtek közötti elektromos kapcsolat, a gap juncion-ok szerepét az SVBR-ban. A vázolt kísérletek alapján megismerhetjük az SBVR mechanizmusát ami a halálos kamrai arrhythmiák kialakulását jobban előrejelzheti mit a QT megnyúlás. Igazolhatják azt a hipotézisünket is, hogy a netto áram, amit az akciós potenciál plato időtartamának a felénél mérünk (Inet), fordítottan arányos az SVBR-rel. Kísérleteinket kutya szívizmon tervezzük elvégezni, mert korábbi méréseink azt igazolják, hogy elektrofiziológiai szempontból a kutya szívizom jó modellje a humánnak.
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. Az EKG QT intervallum megnyúlását a szívritmuszavarok kialakulásának rizikó faktoraként és a ritmuszavar kialakulásának előjelének tartják. Az utóbbi évek kísérletei megkérdőjelezik ezt az összefüggést, ugyanis állatkísérletekben a QT intervallum u.n. beat-to-beat variabilitása jobban előre jelezte a a halálos ritmuszavar kialakulását, mint a QT megnyúlás. Ezért feltételezzük, hogy a QT intervallum, vagz a kamrai repolarizáció variabilitásának kvantitatív jellemzésével jobban előre jelezhető a ritmuszavar kialakulása mint a QT megnyúlás mérésével. Jelen projekt célja, hogy a kamrai repolarizáció rövidtávú variabilitásának lehetséges okait és modulátorait tanulmányozza. Feltételezzük, hogy a kamrai repolarizáció beat-to-beat variabilitásának mechanizmusa multifaktoriális. A folyamat tanulmányozásához a kamrafal különböző rétegeiből származó sejteken változtatjuk a repolarizáció időtartamát, vizsgáljuk az intracelluláris kalcium koncentráció változásának a hatását a repolarizáció rövid távú variabilitására. Kamrafal darabokon a szívizomsejtek közötti elektromos kapcsolat szerepét tanulmányozzuk repolarizáció rövid távú variabilitásában. A kísérletes adatinkat számítógépes modellezéssel kombináljuk, hogy megmutassuk, hogy a stochastikus ioncsatorna működés is hozzájárul a repolarizáció rövid távú variabilitásához. A vázolt kísérletek alapján megismerhetjük a kamrai repolarizáció rövidtávú variabilitásának mechanizmusát, ami a halálos kamrai arrhythmiák kialakulását jobban előrejelzheti mit a QT megnyúlás.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Prolongation of ECG QT interval is considered a risk and an important predictor for the development of arrhythmias. The recent studies have been questioned this association, since in canine and rabbit models the beat-to-beat variability was a better predictor of torsades de pointes arrhythmias than the repolarization prolongation alone. Therefore the quantitative assessment of the variability of repolarization duration has been suggested as a novel parameter to predict proarrhythmic conditions. The mechanism and the causes of the short-term beat-to-beat variability of ventricular cell repolarization duration (SBVR) is not known completely. We suppose that the development of SBVR is multifactorial. To explore the causes of the SBVR the action potential duration of epi-, mid-, and endocardial cells will be altered in different ways: 1 stimulation frequency will be changed; 2 electrotonic current will be applied; 3 different ion channel activators and blockers will be administered. We will study the role of subsarcolemmal calcium concentration changes and the electrotonic interactions among the cardiac cells in the SBVR. We will combine our experimental data and the computational modeling to show that stochastic function of ion channels may contribute to the SBVR. On the basis of our preliminary experiments we hypothesize that SBVR is inversely proportional to net membrane current (Inet), determined from the action potential waveform at the middle of the plateau. This project is basic research but on our results will help to understand the mechanism of SBVR what can be a better predictor of lethal arrhythmias than the repolarization prolongation or QT prolongation alone.
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. The specific aim of our work is to explore the causes and the modulators of the short-term beat-to-beat variability of ventricular repolarization duration (SBVR). We suppose that more than one factor can be responsible for the development of SVBR. To explore the mechanism of the SBVR experiments will be carried out carried out on epi-, mid-, and endocardial isolated cells. The action potential duration of these cells will be lengthened and shortened in different ways and the relationship between the Inet and the SBVR will be determined. We suppose that the periodic calcium release of sarcoplasmic reticulum also contributes to the development of SBVR. Therefore we will study the effects of subsarcolemmal calcium concentration changes on Inet and SBVR, as well. To explore the possible role of electrotonic interactions among the cardiac cells in short term variability in ventricular repolarization, action potential will be measured on multicellular cardiac preparations. The gap junctions among the cells will be modified pharmaceutically. To study the ion channel stochasticity in repolarization variability we combine our experimental data and the computational modeling. On the basis of our preliminary experiments our hypothesis is that the SBVR is inversely proportional to the net membrane current (Inet), determined from the action potential waveform at the middle of the plateau. The experiments will be carried out on a canine heart muscle because its electrophysiological properties are very similar to human heart.
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. Prolongation of ECG QT interval is considered a risk and an important predictor for the development of arrhythmias. The recent studies have been questioned this association, since in canine and rabbit models the beat-to-beat variability was a better predictor of torsades de pointes arrhythmias than the repolarization prolongation alone. The results of the planned experiments may help to reveal the causes and the modulators of short term temporal variability in ventricular repolarization (SBVR). Simultaneous measurement of the subsarcolemmal calcium concentration and the action potential may elucidate the role of intracellular calcium in SVBR. The importance of these findings is that the intracellular calcium concentration increases under pathological conditions and it may predispose to arrhythmia. The SVBR of epi-; mid-; and endocardial cells may serve important information about the variation of transmural action potential dispersion. The alteration of transmural action potential dispersion is proarrhythmic, as well. The β-adrenergic stimulation (e.g. stress) is an everyday event among those people who are treated with different ion channel blockers. Our experiments may help to elucidate the ion channel activators or blockers are able to provoke SBVR instability or they stabilize the repolarization during simultaneous β-adrenergic stimulation. The results of multicellular measurements may elucidate the role of gap junctions in the short-term beat-to-beat variability of ventricular repolarization. The results of the planned experiments may prove our hypothesis, that the short-term beat-to-beat variability of ventricular repolarization duration (SBVR) is inversely proportional to the net membrane current (Inet), determined from the action potential waveform at the middle of the plateau. Our results will help to understand the mechanism of SBVR what can be a better predictor of lethal arrhythmias than the repolarization prolongation or QT prolongation alone. Because of the limited access to healthy human donor hearts we plan to carry out these experiments on canine heart which electrophysiological properties are very similar to human heart.
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. Prolongation of ECG QT interval, what refers to cardiac repolarization, is considered a risk and an important predictor for the development of lethal arrhythmias. The recent results have been questioned this association. Animal models shows that the QT intervals or repolarization duration alters randomly causing the so called beat-to-beat variability of ventricular repolarization duration. It is suggested that the beat-to-beat variability of QT interval duration or repolarization duration can be a better predictor of the development of arrhythmias than the measurement of QT prolongation alone. Therefore the quantitative assessment of the variability of repolarization duration has been suggested as a novel parameter to predict proarrhythmic conditions. The aim of this project is to reveal the causes and the modulators of short term beat-to-beat variability in ventricular repolarization. We hypothesize that mechanism of short term beat-to-beat variability in ventricular repolarization is multifactorial. To study it we will alter the duration of ventricular cell repolarization in different ways, will explore the effect of altered intracellular calcium concentration and the we will pharmacologically modulate the electrotonic connection among the cardiac cells. Fluctuations in ionic currents caused by stochasticity in ion channel behavior may contribute to variability in cardiac repolarization. To test it we will combine our experimental data and the computational modeling. Based on our results we may understand the mechanism of SBVR what can be a better predictor of lethal arrhythmias than the repolarization prolongation or QT prolongation alone.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Az utóbbi évek kísérletei alapján az akciós potenciál időtartam (APD) rövidtávú beat-to-beat variabilitása (SBVR) hatékonyan előre jelezheti a kamrai aritmiák kialakulását. A projekt célja az volt, hogy tanulmányozzuk az a SBVR és az APD közötti összefüggést és feltárjuk az SBVR hátterében álló mechanizmusokat.
Méréseinket konvencionális hegyes mikroelektróda technikával végeztük, enzimatikusan izolált emlős bal kamrai szívizomsejteken illetve kamrai trabekuláris izmon. Az SBVR kvantitatív jellemzéséhez Poincaré diagramokat szerkesztettünk.
A szívizom különböző rétegeiből származó sejteken megállapítottuk, hogy az SBVR nem függ az akciós potenciál u.n. " spike-and-dome " konfigurációjától. Elektrotónusos impulzusok alkalmazásával meghatároztuk, hogy a SBVR és az APD között exponenciális összefüggés áll fenn. Minden eredményünket ehhez a standard görbéhez viszonyítottuk, és az ettől való eltérést relatív SBVR-nek neveztük.
Megállapítottuk, hogy az ICa-L, a IKr, a IKs és a ICl(Ca) stabilizálják a SBVR-t, míg a INa és a Ito1 a repolarizáció instabilitását növeli. Megállapítottuk, hogy az intracelluláris kalcium koncentráció növekedése növeli SBVR-t, ugyanakkor a beta adrenerg receptorok stimulálása csökkenti azt, amiért az ICa-L, a IKr, és IKs növekedése a felelős.
Megállapítottuk, hogy a sejtek közötti gap junctionok csökkentik a SBVR-t.
A projekt során feltártuk az SBVR hátterében álló mechanizmusokat és bizonyítottuk, hogy az SBVR mechanizmusa multifaktoriális.
kutatási eredmények (angolul)
Recent studies suggest that the short term beat-to-beat variability (SBVR) of action potential duration (APD) can be a novel method for predicting imminent cardiac arrhythmias. The goal of this project was to study the relationships between SBVR and APD and to explore the mechanisms of SBVR.
Series of action potentials were recorded from isolated mammalian ventricular cardiomyocytes and from trabecular muscle using conventional microelectrode technique. SBVR was quantitatively described by constructing Poincaré plots.
Using the cells from the different layers of ventricular wall we observed that SBVR is independent from the so called spike-and-dome configuration of action potential.
Drug effects were characterized as relative SBVR changes by comparing the drug-induced changes in SBVR to those in APD according to the exponential function obtained with current pulses. We conclude that drug-induced effects on SBVR should be evaluated in relation with the concomitant changes in APD. Relative SBVR is decreased by ICa-L, IKs, IKr and ICl(Ca) while it is increased by INa and Ito1. It is concluded that elevation of intracellular calcium concentration increases relative SBVR while beta adrenergic stimulation decreases it. The latter is caused by the augmentation of ICa-L, IKs and IKr.
Our experiments revealed that the gap junction connection among the cells decreases SBVR.
During this project we explored the mechanism of SBVR and it was proved that SBVR is multifactorial.
Ruzsnavszky F, Hegyi B, Kistamás K, Váczi K, Horváth B, Szentandrássy N, Bányász T, Nánási PP, Magyar J: Asynchronous activation of calcium and potassium currents by isoproterenol in canine ventricular myocytes., N-S ARCH PHARMACOL 387: (5) 457-467, 2014
Szentandrássy N, Kistamás K, Hegyi B, Horváth B, Ruzsnavszky F, Váczi K, Magyar J, Bányász T, Varró A, Nánási PP: Contribution of ion currents to beat-to-beat variability of action potential duration in canine ventricular myocytes., PFLUG ARCH EUR J PHYS : , 2014
Magyar J, Banyasz T, Szentandrassy N, Kistamas K, Nanasi PP, Satin J: Role of Gap Junction Channel in the Development of Beat-to-Beat Action Potential Repolarization Variability and Arrhythmias., CURRENT PHARMACEUTICAL DESIGN 21:(8) pp. 1042-1052., 2015
Kistamas K, Szentandrassy N, Hegyi B, Vaczi K, Ruzsnavszky F, Horvath B, Banyasz T, Nanasi PP, Magyar J.: Changes in intracellular calcium concentration influence beat-to-beat variability of action potential duration in canine ventricular myocytes., J Physiol Pharmacol. 66(1):73-81., 2015
Szentandrassy N, Nagy D, Hegyi B, Magyar J, Banyasz T, P Nanasi P: Class IV Antiarrhythmic Agents: New Compounds Using an Old Strategy., CURRENT PHARMACEUTICAL DESIGN 21:(8) pp. 977-1010., 2015
Szentmiklosi AJ, Szentandrassy N, Hegyi B, Horvath B, Magyar J, Banyasz T, Nanasi PP: Chemistry, Physiology, and Pharmacology of beta-Adrenergic Mechanisms in the Heart. Why are beta-Blocker Antiarrhythmics Superior?, CURRENT PHARMACEUTICAL DESIGN 21:(8) pp. 1030-1041., 2015
Vaczi K, Hegyi B, Ruzsnavszky F, Kistamas K, Horvath B, Banyasz T, Nanasi PP, Szentandrassy N, Magyar J: 9-Anthracene carboxylic acid is more suitable than DIDS for characterization of calcium-activated chloride current during canine ventricular action potential., NAUNYN-SCHMIEDEBERGS ARCHIVES OF PHARMACOLOGY 388:(1) pp. 87-100., 2015
János Magyar, Kornél Kistamás, Krisztina Váczi, Bence Hegyi: Concept of relative variability of cardiac action potential duration and its test under various experimental conditions, Gen. Physiol. Biophys. 35, 55–62, 2016
Kistamás K, Hegyi B, Váczi K, Horváth B, Bányász T, Magyar J, Szentandrássy N, Nánási PP: Oxidative shift in tissue redox potential increases beat-to-beat variability of action potential duration., Can J Physiol Pharmacol. 93(7):563-8, 2015
Horváth B, Hegyi B, Kistamás K, Váczi K, Bányász T, Magyar J, Szentandrássy N, Nánási PP.: Cytosolic calcium changes affect the incidence of early afterdepolarizations in canine ventricular myocytes., Can J Physiol Pharmacol. 93(7):527-34, 2015
Péter P. Nánási, János Magyar, András Varró, and Balázs Ördög: Beat-to-beat variability of cardiac action potential duration: underlying mechanism and clinical implications, Can J Physiol Pharmacol. 2017 10:1230-1235, 2017
