cardiac electrophysiology, NCX current, sinus node, arrhytmia research
megadott besorolás
Biológiai rendszerek elemzése, modellezése és szimulációja (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
100 %
zsűri
Élettan, Kórélettan, Gyógyszertan és Endokrinológia
Kutatóhely
Farmakológiai és Farmakoterápiai Intézet (Szegedi Tudományegyetem)
projekt kezdete
2017-11-01
projekt vége
2020-10-31
aktuális összeg (MFt)
15.219
FTE (kutatóév egyenérték)
2.10
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A szív folyamatos, ritmikus működését a szinusz csomó által generált ingerek biztosítják, amely egy jól összehangolt mechanizmus révén jön létre. Azonban a pacemaker folyamat pontos elektrofiziológiai mechanizmusa nem teljesen ismert. Két, egymásnak részben ellentmondó elméletet írtak le az ingerképzés mechanizmusának magyarázatára: az egyik az ún. „membrán-clock” hipotézis, amely szerint a pacemaker funkció fő eleme a hiperpolarizáció aktivált, úgynevezett „funny” áram, amely inward áramot szállítva depolarizálja a membránt a diasztolés fázis alatt. Ezt a koncepciót vitatta az úgynevezett „kalcium-clock” hipotézis, amely szerint a szarkoplazmatikus retikulum által generált, spontán, ritmikus Ca2+-felszabadulások a pacemaker funkció fő ritmusgenerátorai. Ez a felszabaduló Ca2+, különböző ioncsatornákon keresztül átkapcsolódva (legfőképp a Na+/Ca2+ cseremechanizmuson) depolarizálja a membránt. A legújabb kutatások igyekeznek összhangba hozni a két modellt, egy „coupled-clock” mechanizmust feltételezve. Ugyanakkor, nem rendelkezünk direkt bizonyítékokkal a Na/Ca cseremechanizmus (NCX) pacemaker folyamatban való szerepéről, mert ez idáig nem volt elérhető egy valóban hatékony, szelektív NCX gátló vegyület. Munkánk fő célkitűzése az NCX pacemaker folyamatban való szerepének vizsgálata, egy szelektív NCX gátló vegyület, az ORM-10962 segítségével, emlős és humán szinusz csomóban, valamint Purkinje rostban. Munkánk során szeretnénk választ kapni arra a kérdésre is, hogy hipertrófiás kardiomiopátiában (HCM) a pacemaker mechanizmus, és elsősorban az NCX mutat-e bármilyen kóros működést, amely összefüggésbe hozható a HCM-ben kialakuló aritmiákkal és hirtelen szívhalállal.
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 alapkérdése az NCX áram szerepének tisztázása, és kontribúciója mértékének becslése a szinusz csomó ingerképzési folyamatában, amelyhez egy új szelektív NCX gátló vegyületet, az ORM-10962-t használnánk. A munka részeként szeretnénk megbecsülni, és összevetni a Ca-homeosztázis („Ca2+-clock”) és a funny-áram („membrane-clock”) szerepét az ingerképzési folyamatban. Szeretnénk feltárni az ingerképzési folyamatban résztvevő egyéb áramok (pl.: késői egyenirányító kálium áram, IKr) szerepét, és választ kapni arra a kérdésre, hogy az egyik ionáram gátlása esetén a többi áram képes-e kompenzálni az előző áram kiesését és amennyiben igen, milyen mértékben. A főbb eredményeinket szeretnénk a Purkinje rost ingerképző mechanizmusával is összevetni, és az NCX szerepét megbecsülni a Purkinje rost ingerképzési folyamatában. További kérdésünk, hogy az NCX szelektív gátlása okoz-e intracelluláris Ca2+ akkumulációt, és ezáltal befolyásolja-e indirekt módon más ionáramok működését. A munka során, a kulcsfontosságú kísérleteket egészséges humán donor szíven is el kívánjuk végezni. Vizsgálatainkat szeretnénk elvégezni tengerimalac hipertrófiás kardiomiopátia modell állatokon is. Kérdésünk, hogy a betegség során alkalmazott szelektív NCX gátlás milyen mértékben befolyásolja a ciklushosszt, és annak rövid távú variabilitását, és mutat-e eltérést a kontroll csoporthoz képest. Eredményeinket szeretnénk szakember bevonásával releváns számítógépes modellekbe is beépíteni.
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! A szinusz csomó pacemaker működése egy élethosszon át tartó létfontosságú folyamat, amely az ionáramok nagyon pontosan szabályozott, és jól összehangolt működését feltételezi. Az NCX és a többi résztvevő áram szerepének a pontosabb megértése fontos adattal járul hozzá az ingerképzési folyamatról szerzett tudásunkhoz, valamint elősegítheti a szinusz csomót is involváló ritmuszavarok mechanizmusának pontosabb megértését. A hipertrófiás kardiomiopátia egy progresszív, autoszomális domináns módon öröklődő betegség, amely gyakran jár különböző ritmuszavarokkal valamint fiatalokban és sportolókban létrejövő hirtelen szívhalál feltételezhetően leggyakoribb oka. Mivel a HCM-ás szív szinusz csomó sejtjeiben található NCX kóros működéséről, valamint a pacemaker folyamat esetleges kóros változásáról nincs adat, jelen munka fontos eredményekkel járulna hozzá a HCN pathofiziológiájának pontosabb megismeréséhez, és esetlegesen egy új gyógyszeres terápia kidolgozásához.
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. A szív ingerképzési folyamata a jobb pitvarban található szinusz csomóban történik. Az ingerképzési folyat során számos ioncsatorna összehangolt működése révén jön létre az inger, amely egész életünk során a szív ritmikus működését biztosítja. Habár az ingerkepézési mechanizmus alapvető folyamatai már ismertek, a pontos mechanizmust illetően még mindig sok vita van a szakirodalomban. Ennek egyrészt az az oka, hogy bizonyos ioncsatornákat szelektíven gátló vegyületek nem voltak eddig elérhetőek. Jelen pályázat célul tűzte ki, hogy tisztázza a szinusz csomóban lezajló ingerképző mechanizmus ioncsatorna szintű hátterét, egészséges emlős (és lehetőség szerint humán) szíven, egy újonnan előállított vegyület révén. A munka részeként, megvizsgálnánk az ingerképzés esetlegesen kóros működését hipertrófiás kardiomiopátiás szíven is, amely állapot jellemzően alakul ki élsportolók körében és a legújabb eredmények szerint a sportolói hirtelen szívhalál egyik oka lehet. A szinusz csomó egészséges és kóros működésének pontosabb megértése nagymértékben elősegíthetné egy hatékonyabb gyógyszeres terápia kifejlesztését különböző szívbetegségekben.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The cardiac pacemaker cells are defined by their ability to initiate spontaneous action potentials however the exact electrophysiological mechanism of the automaticity is not fully clarified. Two competing mechanism were described in past two decades to explain the underlying mechanism. The base of the “membrane clock” (M-clock) theory was the so-called “funny current”. This current is activated at negative membrane potentials during the diastolic phase of the prior action potential carrying significant depolarizing currents which promotes diastolic depolarization. This concept was later challenged by “calcium-clock” (Ca-clock) hypothesis claiming crucial role of sarcoplasmic reticulum (SR) in spontaneous AP generation, which generates spontaneous, rhythmic Ca2+ releases. These rhythmic Ca2+ releases are coupled to ion channel function in the sarcolemma via different Ca2+ dependent mechanisms such as NCX. The current theory synthesizes these two mechanisms, claiming Ca2+-clock together with M-clock form a coupled-clock system where neither clock is dominant, instead together control the spontaneous AP firing frequency and rhythm in the pacemaker cells. However, direct evidence is missing regarding the essential role of NCX in automacy by the lack of selective inhibitor. Therefore our main aim was to investigate the possible effect of selective NCX inhibition by ORM-10962 on atrial and Purkinje-fibre spontaneous frequency in rabbit/dog and human preparations. Our work also aims to investigate the role of pacemaker mechanism and principally the NCX in the arrhythmia development and in the mechanism of sudden cardiac death in hypertrophic cardiomyopathy (HCM).
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 main goal of the research is to clarify the role of NCX in the pacemaker mechanism of the sinus node, by using a novel, selective NCX inhibitor compound, ORM-10962. We would investigate and analyze the effect of the selective NCX inhibition on the cycle length, and short term cycle length variability of the spontaneous automaticity in mammalian sinus node and Purkinje fibers. We aim to elucidate the contribution of various ionic currents involved in the pacemaker mechanism (funny current, NCX current, delayed rectifier potassium current, calcium current) and to investigate a possible compensatory mechanism on actual frequency when one of these currents is inhibited. Our further goal to analyze the effect of selective NCX inhibition on sinus node Ca2+ handling, especially a possible Ca2+ accumulation after suppression of the Ca2+ extrusion via NCX. We aim to perform the most important experiments on undiseased human donor hearts. We would like to perform our experiments on guinea-pig HCM models. We will elucidate the effect of the selective NCX inhibition on the cycle length of sinus node spontaneous action potentials and its short time beat-to-beat variability. We will compare our HCM data with results obtained from healthy animals. We plan to incorporate our data into relevant sinus node action potential models by cooperation with expert computer scientist.
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 pacemaker function of the sinus node is a life-long crucial process suggesting a delicate balance and cooperation between various ionic currents. Understanding the role of NCX and the other currents in spontaneous automacy provides important contribution to clarify the exact concept of the pacemaker mechanism, furthermore it may promote to better understand the mechanisms of arrhythmias involving the sinus node. The HCM is a progressive, autosomal dominant inherited disease associated with high arrhythmia incidence and it is supposed as a main cause of the sudden cardiac death in young adults and in competitive athletes. Since we have no data regarding the altered function of the NCX and pacemaker process in HCM, this proposal may provide important results to HCM pathophysiology and may promote to develop a new promising therapeutic strategy.
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. The pacemaking process of the heart is regulated by the sinus node which is located in the wall of the right atrium. During spontaneous autonomy a complex mechanism ensures the stimuli which provide rhythmic beating of the heart during the entire life. However the basic process of pacemaking is relatively well-known, the exact mechanism is still a matter of debate because of the lack of certain selective ion channel inhibitor. The present proposal aims to clarify the ionic background of the pacemaker mechanism in the sinus node of healthy mammalian heart (and in healthy human donor hearts) by using a novel ion channel inhibitor. Our further aim is to investigate the possible pathological alterations of the sinus node function in hypertrophic cardiomyopathy, which disease is suggested as a main cause of the sudden cardiac death among young competitive athletes. A better understanding of the healthy and pathologic function of the sinus node may markedly promote to develop a more effective clinical therapy in various diseases.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A PD-125402-es pályázat keretein belül, a Na/Ca kicserélő (NCX) szerepét vizsgáltuk a szinusz-csomó spontán automáciában. Elsőként publikáltuk a szelektív NCX gátlás szinusz-csomó automáciára kifejtett hatását, egy új, teljes körűen szelektív gátlószert, az ORM-10962-t alkalmazva. Legfontosabb eredményünk, hogy az NCX és a pacemaker (“funny”) áram szorosan együttműködik a diasztolés depolarizáció kialakításában. Ennek értelmében, egy áram gátlása nem okoz jelentős szinusz-csomó frekvencia lassulást, vagy ritmusbeli eltérést mert a másik áram képes kompenzálni a gátolt áramot. Azonban, abban az esetben, ha mindkét áram gátolt, a spontán ingerképzés jelentősen lelassul, és az ingerképzés ritmusa nagymértékében rendezetlenné válik. Ezen eredmények azt sugallják, hogy az NCX és a pacemaker áram egy fontos ingerképzési tartalékot hoznak létre, amellyel egy stabil, flexibilis, és túlbiztosított szinusz-csomó ingerképzési mechanizmus jön létre.
Továbbá, megállapítottuk, hogy a hipokalcémia egy másodlagos csökkenést hoz létre az NCX működésben, amely magyarázatul szolgálhat a végstádiumú veseelégtelen betegekben létrejövő szinusz-bradikardiának.
Úszással edzett patkány sportszív modellben megállapítottuk, hogy az edzés során létrejövő szinusz-bradikardia elsősorban egy fokozott vágusztónus eredménye, ugyanis denervált szíven mindkét csoport szívfrekvenciája azonosnak bizonyult, amely azt valószínűsíti, hogy modellünkben, szinusz-csomó elektromos átrendeződés nem jött létre.
kutatási eredmények (angolul)
In the PD-125402 project we investigated the role of Na/Ca exchanger (NCX) in sinus-node pacemaking. Our results were the first demonstrating the effect of selective, pharmacological NCX inhibition on sinus-node automaticity, by applying a novel, selective pharmacological NCX inhibitor, ORM-10962. Our most important finding is that the NCX and the pacemaker (“funny”) current are coupled during the spontaneous diastolic depolarization. This means, that individual inhibition of these currents causes only moderate decrease in spontaneous pacemaking and marginally influences the rhythm of automaticity. In contrast, when both NCX and If are inhibited the pacemaking considerable decreases and serious rhythm disturbance is observable. These results indicate that NCX and If provide a strong safety margin for the diastolic depolarization leading to robust, flexible and fail-safe sinus-node pacemaking.
Furthermore, we clarified that hypocalcaemia induces a secondary decrease in the NCX leading to sinus-bradycardia in patients with end-stage renal failure.
In a swimming-trained rat athlete heart model we found sinus-bradycardia in trained animals, however, under denervated condition the sinus-frequency was identical between groups, indicating increased vagal-tone as an underlying mechanism, while sinus-node electrical remodelling is not expected.
Loewe A, Lutz Y, Nairn D, Fabbri A, Nagy N, Toth N, Ye X, Fuertinger DH, Genovesi S, Kotanko P, Raimann JG, Severi S.: Hypocalcemia-Induced Slowing of Human Sinus Node Pacemaking, Biophys J. 2019 Jul 30. pii: S0006-3495(19)30626-5. doi: 10.1016/j.bpj.2019.07.037., 2019
