APVV-0721-10

Remodelovanie myokardu – úloha vápnikovej signalizácie (REMOD)        

Vedúci projektu: Alexandra Zahradníková

Trvanie: máj 2011 – október 2014
Koordinujúca organizácia: Ústav molekulárnej fyziológie a genetiky SAV, Bratislava

Anotácia:

Srdcové zlyhanie je dôsledkom dlhodobých patologických procesov, pri ktorých dochádza k špecifickým poruchám, sprevádzaným aktiváciou kompenzačných mechanizmov. Spoločným znakom, pravdepodobne v dôsledku konvergencie mnohých regulačných mechanizmov, sú zmeny vápnikovej signalizácie kardiomyocytov. Predmetom predloženého projektu sú poruchy vápnikovej signalizácie v ranných fázach poškodenia myokardu s dôrazom na úlohu ústredného proteínu vápnikovej signalizácie v kardiomyocytoch – ryanodínového receptora (RYR2). Metodológia je založená na porovnaní vlastností vápnikovej signalizácie a mikroarchitektúry myocytov izolovaných z myokardu potkanov vystavených stresovým stimulom. Modelom fyziologicky remodelovaného myokardu bude myokard adaptovaný na spontánnu fyzickú aktivitu (behanie ad libitum). Modelom poškodeného myokardu bude myokard po vysokej jednorazovej dávke izoproterenolu, ktorý má znaky blízke infarktu myokardu, a myokard po vysokej jednorazovej dávke streptozotocínu, ktorý má znaky blízke diabetickému myokardu. Účinnosť stresových stimulov na remodelovanie myokardu bude u každého jedinca verifikovaná. Porovnanie s myocytmi myokardu adaptovaného na sedatívny režim umožní zistiť rozsah fyziologickej a patologickej variability parametrov vápnikovej signalizácie. Projekt umožní identifikovať molekulové a bunkové faktory určujúce funkciu RYR2v remodelovanom myokarde a dedukovať kritické miesta poškodenia vápnikovej signalizácie.

Kľúčové slová:

Zlyhanie srdca, poškodenie myokardu, kardiomyocyt, vápniková signalizácia, ryanodínový receptor

Ciele:Cieľom projektu je objasniť úlohu molekulárnych a bunkových faktorov systolickej a diastolickej vápnikovej signalizácie v skorých štádiách adaptácie kardiomyocytov na stresové stimuly vedúce k remodelovaniu myokardu. Cieľ dosiahneme sledovaním aktivity RyR2 prostredníctvom spontánnych a evokovaných vápnikových zábleskov, sledovaním aktivity izolovaných RyR2 a sledovaním mikroarchitektúry myocytov na experimentálnych modeloch poškodenia myokardu.

Výsledky:

Projekt bol zameraný na štúdium vápnikovej signalizácie a relevantnej mikroarchitektúry myocytov počas adaptácie myokardu na fyziologickú a patofyziologickú záťaž.

  • Podali sme experimentálny dôkaz, podporený teoretickou analýzou, že pri elektrickej stimulácii sa aktivuje len malá časť z celkového počtu RyR2 kanálov v myocyte. Tento výsledok otvoril nový pohľad na reguláciu intenzity a rýchlosti kontrakcie myocytu prostredníctvom regulácie podielu RyR2 zapojených do uvoľňovania vápnika.
  • Experimentálne sme určili rozsah priamej regulácie aktivity RyR2 kanálov iónmi vápnika, horčíka a ATP z cytozolickej strany a iónmi vápnika z luminálnej strany RyR2 v koncentračnom rozsahu pokrývajúcom fyziologické až patofyziologické podmienky.
  • Určili sme polohu väzbového miesta pre fosfoproteín fosfatázu I, ktoré hrá významnú úlohu pri regulácii funkcie RyR2, v molekulovej štruktúre ryanodínového receptora.
  • Objasnili sme vzťah štruktúry diadických spojení ku kvalite vápnikovej signalizácie. Ukázali sme že remodelovanie myokardu vystaveného patofyziologickej záťaži sa prejaví na remodelovaní siete vnútorného membránového systému myocytov a zhoršení kvality vápnikovej signalizácie.

Identifikovali a charakterizovali sme hlavné molekulové a bunkové faktory určujúce funkciu systému vápnikovej signalizácie srdcových myocytov v ranej fáze rozvoja zlyhania myokardu a preukázali ich spoluúčasť na remodelovaní myokardu. Výsledky štúdie umožňujú porozumieť vápnikovej signalizácii v srdcových myocytoch zdravého a experimentálne zaťaženého myokardu. Získané poznatky uľahčia identifikáciu patologických zmien v štruktúre a funkcii srdcových myocytov pri vrodených aj získaných poruchách funkcie RYR2 a s nimi súvisiacich arytmií, náhlej srdcovej smrti a zlyhávania srdca.

Publikácie:

PLoSOne Hotka M, Zahradnik I (2017): Reconstruction of membrane current by deconvolution and its application to membrane capacitance measurements in cardiac myocytes. PLoS One 12: e0188452.
FrontiersPhysiol Faltinova A, Tomaskova N, Antalik M, Sevcik J, Zahradnikova A (2017). The N-terminal region of the ryanodine receptor affects channel activation. Front Physiol 8: 443.
JGP Petrovic P, Valent I, Cocherova E, Pavelkova J, Zahradnikova A (2015): Ryanodine receptor gating controls generation of diastolic calcium waves in cardiac myocytes. J Gen Physiol 145: 489-511.
Metallomics Huntosova V, Stroffekova K, Wagnieres G, Novotova M, Nichtova Z, Miskovsky P (2014): Endosomes: guardians against [Ru(Phen)] photo-action in endothelial cells during in vivo pO2 detection? Metallomics 6: 2279-2289.
ActaCryst Borko L, Bauerova-Hlinkova V, Hostinova E, Gasparik J, Beck K, Lai FA, Zahradnikova A, Sevcik J (2014): Structural insights into the human RyR2 N-terminal region involved in cardiac arrhythmias. Acta Cryst D70: 2897–2912.
YBERC Hotka M, Zahradnik I (2014): Correction of the cross-talk error in cell membrane impedance analysis. In: YBERC 2014. Bratislava, Slovak Republic. Proceedings of The 6th International Young Biomedical Engineers and Researchers Conference, July 2-4, 2014, p. 31-34. ISBN 978–80–971697–0–1.
Adept Hotka M, Zahradnik I (2014): High resolution measurement of electrical impedance of excitable cells. In: Adept 2014. 2nd International Conference on Advances in Electronic and Photonic Technologies, Tatranská Lomnica, June 1-4, 2014, Proceedings of Adept, p. 55-58.
PLoSOne Janicek R, Hotka M, Zahradnikova-Jr A, Zahradnikova A, Zahradnik I (2013): Quantitative analysis of calcium spikes in noisy fluorescent background. PLoS One 8: e64394.
FrontiersPhysiol Piquereau J, Caffin F, Novotova M, Lemaire C, Veksler V, Garnier A, Ventura-Clapier R, Joubert F (2013): Mitochondrial dynamics in the adult cardiomyocytes: which roles for a highly specialized cell? Front Physiol 4: 102.
FrontiersPhysiol Zahradnikova A, Zahradnik I (2012). Construction of calcium release sites in cardiac myocytes. Front Physiol 3: 322.
JPhysiol3 Janicek R, Zahradnikova-Jr A, Polakova E, Pavelkova J, Zahradnik I, Zahradnikova A (2012): Calcium spike variability in cardiac myocytes results from activation of small cohorts of RYR2 channels. J Physiol 590: 5091-5106.
JGP Tencerova B, Zahradnikova A, Gaburjakova J, Gaburjakova M (2012): Luminal Ca2+ controls activation of the cardiac ryanodine receptor by ATP. J Gen Physiol 140: 93-108.
Nichtova Z, Novotova M, Kralova E, Stankovicova T (2012): Morphological and functional characteristics of models of experimental myocardial injury induced by isoproterenol. Gen Physiol Biophys 31: 141-51.
Bauerova-Hlinkova V,Bauer J, Hostinova E, Gasperik J, Beck K, Borko L, Faltinova A, Zahradnikova A, Sevcik J (2011): Bioinformatics Domain Structure Prediction and Homology Modeling of Human Ryanodine Receptor 2. Editor Mahmood A. Mahdavi. In Bioinformatics-Trends and Methodologies. – Rijeka, p. 325-352. ISBN 978-953-307-282-1.