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Alterations of cellular electrophysiology and Ca2+-handling in patients with different forms of atrial fibrillation

Muna, Azinwi Phina

Atrial Fibrillation (AF) is the most common clinical arrhythmia. When AF occurs after (cardiac) surgery it is referred to as postoperative AF (poAF). Though usually self-limiting, uncontrolled poAF can cause debilitating strokes and prolong hospital stay. A multifactorial pathophysiology involving triggered activity has been hypothesized, but the cellular and molecular mechanisms underlying poAF remain unknown and were the subject of the first part of this study. The second part of this study focused on inward-rectifier K+ currents like IK1, which stabilize the resting membrane potential. It has been suggested to contribute to the shorter action potentials that promote reentry in chronic AF (cAF). However, the exact magnitude of IK1 in cAF is unknown and was investigated. Membrane currents (whole-cell voltage clamp) and [Ca2+]i (Fluo-3) epifluorescence were measured in right-atrial cardiomyocytes from patients with sinus-rhythm (Ctl, n=58), poAF (n=46) or cAF (n=6). Protein expression was quantified by immunoblot. Amplitude of L-type Ca2+ current was unchanged, whereas the L-type Ca2+ current-triggered [Ca2+]i transient amplitude was reduced by 35% in poAF vs Ctl, likely contributing to the ~44% reduction in fractional cell shortening. Sarcoplasmic reticulum (SR) Ca2+ content, calculated by integrating Na+-Ca2+ exchange current during caffeine (10 mM)-induced SR Ca2+ release, was unchanged, consistent with the unaltered protein expression of the SR Ca2+ ATPase type-2a and its regulator phospholamban. When challenged with interleukin-1 as a postoperative trigger the frequency of potentially proarrhythmic spontaneous SR Ca2+ release events was increased, likely due to hyperphosphorylation of ryanodine receptor channels at Ser2014 (34%), whereas protein expression of the ryanodine receptor channel regulators triadin, junctin, junctophilin-2 and calsequestrin was unaltered. In cAF, basal inward-rectifier K+ current was increased, whereas the major effector of vagal nerve stimulation, the acetylcholine-activated K+ current IK,ACh, was reduced compared to Ctl patients. Application of the selective IK1-inbititor PA-6 (200 nM) to basal inward-rectifier K+ current unmasked a larger “pure” IK1 in cAF compared to Ctl patients. In summary, we discovered that poAF is associated with Ca2+-handling abnormalities that predispose patients to cellular triggered activity underlying poAF. We could demonstrate using PA-6; a novel inhibitor of IK1, that “pure” IK1 is larger in cAF. Our data improve our understanding of atrial cellular arrhythmogenic mechanisms in AF in general and in poAF in particular, potentially facilitating the development of improved therapeutic anti-AF strategies.

Vorhofflimmern (VHF) ist die häufigste klinische Arrhythmie. Wenn es nach herzchirurgischen Eingriffen auftritt, wird es als postoperatives VHF (poVHF) bezeichnet. Wenngleich normalerweise selbstlimitierend, kann unkontrolliertes poVHF Schlaganfälle und einen verlängerten Krankenhausaufenthalt verursachen. PoVHF liegt vermutlich eine multifaktorielle Pathophysiologie zugrunde, wobei der „getriggerten“ Aktivität eine zentrale Rolle zukommen könnte. Die genauen zellulären Mechanismen des poVHF sind unbekannt und waren Gegenstand des ersten Teils dieser Arbeit. Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit einwärtsgleichrichtenden K+-Strömen wie dem IK1, die das negative Ruhemembranpotential aufrechterhalten. Es wird vermutet, dass diese zur Verkürzung der Aktionspotentiale beitragen und die Entstehung kreisender Erregungen („Reentry“) bei chronischem VHF (cVHF) begünstigen, wobei die genaue Größe des IK1 bei cVHF bisher unbekannt war. Membranströme („whole-cell voltage clamp“) und [Ca2+]i (Fluo-3) Epifluoreszenz wurden in rechtsatrialen Kardiomyozyten von Patienten mit Sinusrhythmus (Ktr, n=58), mit poVHF (n=46) oder mit cVHF (n=6) registriert. Die Proteinexpression wurde mittels Immunoblot quantifiziert. Die Amplitude des L-Typ Ca2+-Stromes war unverändert, während die L-Typ Ca2+-Strom ausgelöste [Ca2+]i-Transientamplitude beim poVHF um 35% reduziert war. Entsprechend war die relative Zellverkürzung um ~44% vermindert. Der Ca2+-Gehalt im sarkoplasmatischen Retikulum (SR), der durch Integration des Na+-Ca2+--Austauschstroms während der Koffein (10 mM)-ausgelösten Ca2+-Freisetzung aus dem SR berechnet wurde, war unverändert. Dies stimmte mit der unveränderten Proteinexpression der SR Ca2+-ATPase Typ-2a und dessen Regulator Phospholamban überein. Der Einsatz von Interleukin-1 als postoperativer Trigger steigerte die Frequenz spontaner proarrhythmischer Ca2+-Freisetzungen aus dem SR, möglicherweise aufgrund der Zunahme der Ser2014-Hyperphosphorylierung der Ryanodin-Rezeptorkanäle (~34%). Die Proteinexpression der Ryanodin-Rezeptorkanal-Regulatoren Triadin, Junctin, Junctophilin-2 und Calsequestrin blieb dagegen unverändert. Beim cVHF war der basale einwärtsgleichrichtende K+-Strom erhöht, während der Haupteffektor einer Stimulation von Nervus vagus, der Acetylcholin-aktivierte K+-Strom IK,ACh, reduziert war. Die Applikation des selektiven IK1-Inhibitors PA-6 (200 nM) beim cVHF konnte einen größeren "reinen" IK1 aufdecken. Zusammenfassend konnten wir nachweisen, dass poVHF mit Störungen der Ca2+-Homöostase assoziiert ist. Letzteres könnte das Auftreten von „getriggerter“ Aktivität als Auslöser von poVHF begünstigen. Wir konnten außerdem zeigen, dass PA-6; ein neuartiger Inhibitor von IK1, einen erhöhten IK1 beim cVHF demaskierte. Unsere Daten verbessern unser Verständnis der zellulären Mechanismen von III VHF, insbesondere von poVHF, und könnten zur Entwicklung von neuen therapeutischen Strategien für VHF führen.

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Muna geb. Khan, Azinwi Phina: Alterations of cellular electrophysiology and Ca2+-handling in patients with different forms of atrial fibrillation. 2019.

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