Modeling of defective store-dependent calcium signalling in cardiomyocytes generated from patient-specific induced pluripotent stem cells
Final Report Abstract
Speicherabhängige Calcium-Signalwege nehmen eine Schlüsselfunktion in der myokardialen Erregungs-Kontraktions-Kopplung ein. Der überwiegende Teil des zur kardialen Kontraktion führenden Calcium-Transienten geht auf eine Calcium-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR) durch spezifische Kanäle, sogenannte Ryanodinrezeptoren, zurück. Störungen dieses myokardialen Calcium-Stoffwechsels treten im Rahmen verschiedener kardialer Erkrankungen auf. Im Rahmen einer fortgeschrittenen Herzinsuffizienz kommt es zu einem diastolischen Calcium-Leck durch die Ryanodinrezeptoren und zu einer verminderten Calcium-Beladung des SR. Die katecholaminerge polymorphe ventrikuläre Tachykardie (CPVT) ist eine genetisch bedingte Erkrankung, die durch Mutationen des kardialen Ryanodinrezeptors (RyR2) bedingt sein kann. Bei beiden Erkrankungen kommt es gehäuft zu lebensbedrohlichen ventrikulären Tachykardien. Ziel unseres Forschungsprojekts war die Untersuchung der CPVT unter Verwendung patientenspezifischer humaner iPS-Zellen. Von einem CPVT- Patienten wurden iPS-Zell-Linien generiert, die in Patienten-spezifische Kardiomyozyten differenziert wurden. Der Phänotyp der Erkrankung konnte in diesen Patienten-spezifischen Kardiomyozyten in vitro rekapituliert werden. Insbesondere unter Bedingungen erhöhter Katecholaminstimulation kam es in den CPVT-Zellen zu einem vermehrten Auftreten von Arrhythmien. Als Ursache zeigte sich unter Katecholaminstimulation, insbesondere bei höheren Stimulationsfrequenzen, eine diastolische Calcium-Überladung. Gleichzeitig kam es, im Gegensatz zu den Verhältnissen in Kontrollzellen, unter Katecholaminen nicht zu einer vermehrten Calcium-Beladung des SR. Als Ursache dieser Störungen des intrazellulären Calcium-Haushaltes konnte eine gestörte Funktion des Ryanodinrezeptors mit frequenteren und länger andauernden Calcium-Sparks ausgemacht werden. Das Medikament Dantrolen führte zu einer Stabilisierung des Ryanodinrezeptors und damit zu einer Reduktion der pathologisch vermehrten Calcium-Freisetzung. Die Neigung zu Arrhythmien konnte mit Dantrolen unterdrückt werden. Anhand einer Kohorte von 941 Herzinfarktpatienten, die über 5 Jahre nachverfolgt wurden (ART-Studie), konnte gezeigt werden, dass die post-extrasystolische Potenzierung (PESP) des systolischen Blutdrucks als nicht-invasiver Parameter für eine gestörte myokardiale Calcium-Homöostase ein starker Prädiktor der 5-Jahres-Mortalität ist. Ein analoger Parameter konnte auch für eine Kohorte von Patienten mit Vorhofflimmern etabliert werden. Eine Herausforderung für die Modellierung von Herzerkrankungen mit Patientenspezifischen iPS-Zellen besteht darin, dass sich die aus iPS-Zellen generierten Kardiomyozyten unterschiedlichen Subtypen (z.B. ventrikuläre, atriale und nodale Myozyten) zuordnen lassen. Eine Promotor-basierte Strategie wurde entwickelt, um fluoreszenzbasierte physiologische Untersuchungen (z.B. Membranpotential- Messungen) spezifisch in ventrikulären Kardiomyozyten durchführen zu können. Mit dieser Methode konnte gezeigt werden, dass sich die Aktionspotentialdauer von aus CPVT- und Kontroll-iPS-Zellen generierten Kardiomyozyten nicht unterscheidet. Ebenso konnte der arrhythmogene Phänotyp der CPVT-Zellen nachgewiesen werden. Die Methode eignet sich prinzipiell für Anwendungen mit einem höheren Durchsatz wie z. B. zum Screening von Substanzbibliotheken.
Publications
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