Pro-aritmogeninis cacna1c g1911r mutacijos poveikis žmogaus skilvelių tachikardijai: įžvalgos iš širdies daugialypių modelių | mokslinės ataskaitos

Pro-aritmogeninis cacna1c g1911r mutacijos poveikis žmogaus skilvelių tachikardijai: įžvalgos iš širdies daugialypių modelių | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Kompiuterinis modeliavimas
  • Skilvelinė tachikardija

Anotacija

CACNA1C geno mutacijos yra susijusios su skilveline tachikardija (VT). Nors CACNA1C mutacijos buvo gerai nustatytos pacientams, sergantiems širdies aritmijomis, širdies aritmijų susidarymo mechanizmai tokiomis genetinėmis mutacijos sąlygomis išlieka neaiškūs. Šiame tyrime mes nustatėme naują VT mechanizmą, atsirandantį dėl padidėjusios repoliarizacijos dispersijos, kuri yra pagrindinis CACNA1C G1911R mutacijos aritmijų veiksnys, naudojant daugialypius žmogaus skilvelio skaičiavimo modelius. Padidėjęs kalcio antplūdis mutacijose prailgina veikimo potencialo trukmę (APD), sukėlė padidėjusio veikimo potencialo trukmės atkūrimo (APDR) kreives, taip pat padidino membranų potencialo skirtumus tarp skirtingų ląstelių tipų repolarizacijos metu, padidindamas repolarizacijos (DOR) ir erdvinės erdvės difuziją ir širdies elektrinio aktyvumo laikinas heterogeniškumas. Dėl to G1911R mutacijos metu audinių lygyje padidėjo pažeidžiamumas vienkryptis laidumo blokas, reaguojant į priešlaikinį stimulą. Padidėjusi funkcinės repoliarizacijos dispersija įtvirtina reventanto sužadinimo bangas audinių ir organų modeliuose, palengvindama VT pradžią ir palaikymą dėl mažesnio vingiuoto rotoriaus galiuko. Taigi padidėjusi repoliarizacijos dispersija, kurią sukelia G1911R mutacija, yra pagrindinis veiksnys, kuris pirmiausia gali paskatinti širdies aritmijų atsiradimą Timothy sindromo metu.

Įvadas

Skilvelinė tachikardija (VT), kuriai būdingas didelis skilvelių sužadinimo laipsnis, gali sukelti staigią širdies mirtį 1 . Taigi svarbu suprasti VT praktinės kardiologijos mechanizmus. Nors buvo užfiksuota, kad struktūrinės širdies ligos ir jonų kanalų elektrinis rekonstravimas yra pagrindiniai VT 2, 3, 4 inicijavimo ir palaikymo veiksniai, pagrindiniai VT mechanizmai dar nėra išsamiai suprantami. Tačiau kai kuriais atvejais VT pacientai turi būdingų vienišų genų defektų be kitų struktūrinių ligų 3 . Visų pirma, ilgą QT sindromą (LQTS), susijusį su genetiniais sutrikimais, apibūdina jonų kanalų rekonstravimas, kuris gali sukelti nevienalyčio veikimo potencialo (AP) trukmės pailgėjimą, dėl kurio audinyje padidėja repolarizacijos (DOR) dispersija, dėl kurio padidėja QT intervalas ir pasikartojantis VT struktūriškai normalioje širdyje 5, 6 . Nors buvo pasiūlyta, kad LQTS sergantiems pacientams padidėja VT rizika, genų mutacijos padidina pacientų klinikinius aritmijos fenotipus.

CACNA1C geno mutacijos buvo susietos su retomis LQTS formomis, kurios susijusios su per dideliu Ca 2+ įvedimu į Ca V 1.2 L tipo kalcio kanalą ir VT 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 . CACNA1C mutacijose įvyksta 5731 G> C transversija, atitinkanti 1911 glicino pakaitą argininu (p.G1911R) Ca V 1.2 16 . Nors funkcinė analizė tiek laukinio tipo, tiek G1911R mutacijos sąlygomis atskleidė padidėjusią L tipo kalcio srovę ( I CaL ) ir pasiūlė mutantų jonų reklamuojamą VT, į tai reikia atkreipti dėmesį tiesiogiai 16 . Remiantis ankstesniais eksperimentiniais duomenimis, skaičiavimo modeliai pateikė tolesnę genotipo ir fenotipo asociacijų analizę ir fiziologines įžvalgas 22 . CACNA1C mutacijų modeliavimo tyrimai atskleidė ląstelių ir audinių aritmijų mechanizmus 10, 17, 19, 23, 24, 25, 26 . Įrodyta, kad CACNA1C mutacijos sukėlė Ca V 1.2 L-tipo kalcio kanalo funkcijos padidėjimą, dėl kurio padidėja kalcio antplūdis, dėl kurio dramatiškas AP pailgėjimas 19, 23, 26, o po depolarizacijos suaktyvintas aktyvumas - 10, 17., 24, 25 . Jie taip pat paaštrino veikimo potencialo trukmės atkūrimo (APDR) kreivę, sutrikdė širdies ritmo sužadinimo dinamiką ir skatino alternans vystymąsi 24 . CACNA1C mutacijos sustiprino DOR ir padidino membranos potencialo erdvinius gradientus visame audinyje 24, 25 . CACNA1C mutacijos pailgino QT intervalą 24, 25 ir elektrokardiografijoje (EKG) sukūrė T bangos pakaitinius ir T bangos inversiją 24 . Nors modeliavimo tyrimais buvo aiškinamas CACNA1C mutacijų poveikis ląstelių funkcijoms, tačiau šių tyrimų metu CACNA1C mutacijų poveikis širdies sužadinimo dinamikai, EKG charakteristikoms ir spiralinių bangų (VT žmogaus skilvelyje) dinamikai nebuvo tirtas 24 . Be to, kadangi iki šiol nėra tikslaus G1911R CACNA1C mutacijos gyvūnų modelio, pagrindiniai VT genezės ir palaikymo mechanizmai nėra iki galo išaiškinti. Taigi šio tyrimo tikslas buvo apskaičiuoti G1911R mutacijos pro-aritmogeninį poveikį žmogaus skilveliui ląstelių, audinių sruogų, audinių lakštų ir viso organo lygiuose, naudojant skaičiavimo modeliavimą.

Šiame tyrime mes iškėlėme hipotezę, kad padidėjusi I CaL G1911R mutacijoje padidino repoliarizacijos sklaidą per transmuralinio skilvelio sienelę su vidine repoliarizacijos heterogeniškumu, dėl to padidėja audinių pažeidžiamumas generuoti vienkryptį sužadinimo bangų laidumo bloką, palengvindamas VT genezę. Šiame procese vidurinio miokardo (MCELL) regionas buvo pašalinta kliūtis stabilizuoti ir palaikyti VT. Norint ištirti šias hipotezes, buvo ištirtas žmogaus skilvelių modelis, apimantis specifinius I CaL kinetikos pokyčius, kuriuos sukėlė G1911R CACNA1C mutacija, kad būtų galima ištirti I CaL pokyčius AP, APD ir efektyvųjį refrakterinį periodą (ERP). Tada buvo sukonstruotas vienos dimensijos (1D) grandinės modelis, kad būtų galima kiekybiškai įvertinti CACNA1C G1911R mutacijos pro-aritmogeninį poveikį APD heterogeniškumui, membranos potencialo heterogeniškumui, elektrokardiografui (EKG), pažeidžiamam langui (VW) ir DOR. Galiausiai, siekiant imituoti pakartotinio įėjimo pradžią ir palaikymą bei ištirti G1911R mutacijos poveikį VT genezei, buvo sukurti idealizuoti dvimatiai (2D) ir realūs trimatiai (3D) modeliai su MCELL sala.

Rezultatai

CACNA1C G1911R mutacijos poveikis vienaląsčiams AP

1 paveiksle parodyta, kad padidėjęs I CaL dėl CACNA1C G1911R mutacijos prailgina žmogaus skilvelių AP. Endokardo ląstelėms (ENDO) G1911R mutacija reikšmingai padidino I CaL (1a pav.), Kuris pailgino AP plokštelę (1d pav.), APD (1j pav.) Ir ERP (1k pav.).

Image

( a - c ) I CaL amplitudė AP metu laukinio tipo ir G1911R sąlygomis ENDO ląstelei ( a ), MCELL ląstelei ( b ) ir EPI ląstelei ( c ). ( d - f ) Imituoti AP profiliai laukinio tipo ir G1911R sąlygomis ENDO ląstelei ( d ), MCELL ląstelei ( e ) ir EPI ląstelei ( f ). ( g - i ) APDR kreivės laukinio tipo ir G1911R sąlygomis ENDO ląstelei ( g ), MCELL ląstelei ( h ) ir EPI ląstelei ( i ). j ) Tarpukario APD skirtumas tarp laukinio tipo ir G1911R sąlygų. k ) Tarpukario ERP skirtumas tarp laukinio tipo ir G1911R sąlygų. l ) didžiausias APDR kreivių nuolydžio skirtumas tarp laukinio tipo ir G1911R sąlygų.

Visas dydis

Panašūs rezultatai buvo pastebėti MCELL (1b pav., E, h) ir epikardo ląstelėse (EPI) (1c pav., F, i). Verta pabrėžti, kad G1911R mutacija pratęsė APD tiek MCELL, tiek EPI (1 pav., K), bet skirtingais laipsniais. APD pailgėjimas MCELL yra reikšmingesnis nei kitų tipų ląstelėse. Laukinio tipo sąlygomis APD skirtumai tarp ENDO ir MCELL (ENDO-MCELL) ir tarp EPI ir MCELL (EPI-MCELL) yra maždaug ~ 50 ms. Tačiau APD skirtumas ENDO-MCELL ir EPI-MCELL ląstelėse G1911R mutacijoje padidėjo iki ~ 100 ms. Panašiai kaip APD pratęsimas, G1911R mutacija taip pat padidino ERP, kaip parodyta 1k pav. APD ir ERP padidėjimas buvo nevienalytis trims skirtingiems ląstelių tipams, tai rodo padidintą APD transmuralinį heterogeniškumą per skilvelio sienelę G1911R mutacijos sąlygomis, dėl ko padidėjo repoliarizacijos pasklidimas.

Norint išsamiau ištirti G1911R mutacijos poveikį širdies atkūrimo savybėms, APDR buvo apskaičiuotas laukinio tipo sąlygomis ir palygintas su G1911R sąlygomis. 1g – i pav. Parodyta, kad G1911R mutacija sukėlė APDR kreivių pasislinkimą į viršų dėl APD pratęsimo ir padidino APDR kreivę ENDO, MCELL ir EPI ląstelėse. Taip pat padidintas maksimalus APDR kreivių nuolydis esant G1911R (1l pav.). Modeliavimo rezultatai rodo, kad padidėja skilvelių APD dažnio adaptacija, o tai gali padidinti sužadinimo bangų nestabilumą 27, 28, todėl gali susidaryti pakartotinės sužadinimo bangos 29, 30, o tai atitinka pasikartojančius VT pacientams 16 .

Apibendrinant, vienaląsčių modeliavimų rezultatai parodė, kad G1911R mutacija prailgino APD, padidino elektrinį nevienalytiškumą tarp skirtingų ląstelių tipų ir padidino maksimalų APDR nuolydį - visa tai vaidina svarbų vaidmenį linkus į VT.

CACNA1C G1911R mutacijos poveikis EKG

Siekiant ištirti G1911R mutacijos poveikį audinių stygų lygiui, buvo apskaičiuotos sklindančios sužadinimo bangos ir EKG pėdsakai. Kaip parodyta 2 pav., Sklindanti sužadinimo banga buvo inicijuota naudojant viršutinio slenksčio stimulą ENDO gale (2a, b pav.). Pseudo-EKG buvo apskaičiuotos laukinio tipo (2c pav.) Ir G1911R (2d pav.) Sąlygomis. G1911R mutacija prailgino QT intervalą, padidino T bangą ir padidino T bangos plotį. Tiksliau tariant, QT intervalas ir T bangos plotis buvo palaipsniui pratęstas nuo 367, 8 ms ir 20, 3 ms laukinio tipo sąlygomis iki atitinkamai 577 ms ir 41, 63 ms G1911R sąlygomis. Be to, šie rezultatai atitinka pagrindinius pacientų užfiksuotų EKG signalų požymius 11, 16 .

Image

( a, b ) Spalvotas membranos potencialo žemėlapis išilgai 1D transmuralinio skilvelio sruogos laukinio tipo ( a ) ir G1911R ( b ) sąlygomis. ( c, d ) Pseudo-EKG, atitinkantys sklindančios sužadinimo bangos erdvės ir laiko diagramą laukinio tipo ( c ) ir G1911R ( d ) sąlygomis.

Visas dydis

Norint parodyti mechanizmus, kuriais grindžiami EKG G1911R mutacijos būklės pokyčiai, buvo ištirtas membranos potencialo nevienalytiškumas (δ) tarp ląstelių tipų ir transmuralinės repolarizacijos dispersija per nepažeistą 1D grandinę. Imituoti ENDO, MCELL ir EPI AP laukinio tipo ir G1911R sąlygomis yra parodyti 3a, b pav., O atitinkami δ brėžiniai tarp skirtingų ląstelių tipų yra parodyti 3c, d pav. Maksimalus δ tarp ENDO ir MCELL regionų bei tarp MCELL ir EPI regionų repolarizacijos metu abu buvo padidinti G1911R sąlygomis (3e pav., F). Kadangi membraninio potencialo erdvinis gradientas prisidėjo prie EKG, padidėjęs maksimalus erdvinis gradientas repoliarizacijos metu gali būti susijęs su padidinta T bangos amplitudė, parodyta 2 pav. Be membranos potencialo heterogeniškumo, G1911R mutacija taip pat padidino repoliarizacijos laiką (2 pav. 3g) ir padidino maksimalų APD erdvinį gradientą (3h pav.). Kadangi repoliarizacijos laikas yra susijęs su QT intervalu, o DOR atspindi T bangos plotį, pakeista I CaL dėl G1911R mutacijos gali paaiškinti stebėtus EKG pokyčius pacientams, kuriems nustatyta G1911R mutacija.

Image

a ) ENDO, MCELL ir EPI AP laukinio tipo sąlygomis. b ) ENDO, MCELL ir EPI AP G1911R sąlygomis. c ) membranos galimas heterogeniškumas (δ) laukinio tipo sąlygomis. d ) membranos galimas heterogeniškumas G1911R sąlygomis. e ) membranos potencialo nevienalytiškumas tarp laukinio tipo ir G1911R sąlygų AP metu. f ) Išmatuotas didžiausias δ ​​tarp laukinio tipo ir G1911R sąlygų repolarizacijos metu. g ) APD erdvinis pasiskirstymas ant 1D transmuralinės grandinės laukinio tipo ir G1911R sąlygomis. f ) APD erdvinis gradientas 1D transmuralinėje grandinėje tarp laukinio tipo ir G1911R sąlygų.

Visas dydis

CACNA1C G1911R mutacijos poveikis audinių pažeidžiamumui vienkryptės laidumo bloko atžvilgiu.

Kadangi vienkryptis laidumo blokas padidina jautrumą VT, mes kvantifikavome VW, norėdami ištirti G1911R mutacijos poveikį audinių pažeidžiamumui vienkryptės laidumo bloko atžvilgiu. 4 paveiksle parodyta sužadinimo banga reaguojant į bandymo stimulą, kuris buvo pritaikytas skirtingoms pluošto dalims skirtingu laiko uždelsimu ( Δt ) G1911R sąlygomis. ENDO srityje (4a pav. Pažymėta rodykle) bandymo dirgiklis negalėjo pakartotinai sužadinti audinio per anksti ( Δt = 627 ms), kai audinys neatsigavo po sužadinimo, sukurdamas dvikryptį laidumo bloką. (4a pav.). Kai laiko uždelsimas buvo VW ribose ( Δt = 627, 5 ms), tiriamojo dirgiklio vietą supantys audiniai iš dalies atsigavo. Esant tokiai būklei, sužadinimo banga sklinda link atsigavusio audinio ir buvo užblokuota neatskleisto audinio, sukuriant vienkryptį laidumo bloką (4b pav.). Kai laiko uždelsimas buvo pakankamai vėluojantis ir pasitraukęs iš VW ( Δt = 631 ms), visi audiniai buvo visiškai atsigavę, todėl aplinkiniai audiniai buvo sužadinami, sukuriant dvikryptį laidumą (4c pav.). Tiksliau, išmatuotas VW ENDO srityje padidėjo nuo 0, 5 ms laukinio tipo sąlygomis iki 1, 8 ms esant G1911R (4d pav.).

Image

( a - d ) ENDO dalyje taikytas priešlaikinis bandymo stimulas (paveikslėlyje pažymėtas rodykle). a ) dvikryptis blokas, kurio Δ t = 627 ms. b ) vienkryptis blokas, kurio Δ t = 627, 5 ms. c ) dvikrypis laidumas, kai Δ t = 631 ms. d ) Išmatuotas pažeidžiamo lango plotis, tarp ENDO dalelių, tarp laukinio tipo ir G1911R sąlygų. ( e - h ) EPI dalyje taikytas priešlaikinis bandymo stimulas. e ) dvikryptis blokas, kurio Δ t = 629 ms. f ) vienkryptis blokas, kurio Δ t = 630 ms. g ) dvikrypis laidumas, kai Δ t = 635 ms. h ) Išmatuotas pažeidžiamo lango EPI dalyje skirtumas tarp laukinio tipo ir G1911R sąlygų.

Visas dydis

Panašūs rezultatai buvo parodyti EPI regione. Dvikryptis laidumo blokas, vienkryptis laidumo blokas ir dvikryptis pakartotinio sužadinimo bangų laidumas EPI srityje (4e pav. Pažymėtas rodykle) buvo išprovokuoti atitinkamai Δt = 629 ms, 630 ms ir 635 ms, kaip parodyta 1 pav. 4e – g. EPI regione VW padidėjo 200% (nuo 1, 8 ms iki 5, 4 ms), esant G1911R būklei (4h pav.). Be to, MCELL regione laukinio tipo ir G1911R sąlygomis nebuvo pastebėtas nei vienpusis blokas.

Taigi, modeliavimo rezultatai parodė, kad G1911R mutacija padidino audinių pažeidžiamumą vienkryptės laidumo bloko atžvilgiu, padidindama transmuralinės repoliarizacijos sklaidą.

CACNA1C G1911R mutacijos poveikis spiralinėms bangoms idealizuotame 2D modelyje

Spiralinės bangos buvo inicijuotos testuojant stimulą VW viduje ENDO srityje (5 pav.). Šiuo atveju, kadangi MCELL regione repolarizacija yra lėtesnė nei ENDO ir EPI regionuose, ilgesnė MCELL srities ERP sukėlė vienkryptį laidumą ENDO pusės atžvilgiu, sudarydama jaudinančią kliūtį laidumui. Tuomet sužadinimo banga patraukė prie jaudinančios kliūties ir sukūrė spiralinę bangą. 5a paveiksle parodytas spiralinių bangų plitimas laukinio tipo ir G1911R sąlygomis. Laukinio tipo sąlygomis inicijuota spiralinė banga pasibaigė savaime (5b pav.). Tačiau įeinanti banga G1911R grupėje buvo stabili ir išliekanti dideliu greičiu, o spiralinės bangos viršūnė patraukė į MCELL sritį (5c pav.). Išmatuotas spiralinės bangos gyvavimo laikas ir didžiausias vietinio elektrinio aktyvumo dažnis laukinio tipo grupėje buvo atitinkamai 0, 9 s ir 0, 78 Hz (5d, e pav.), O G1911R grupėje - 5 s ir 2, 5 Hz (5f pav.)., g) atitinkamai. Išsamūs spiralinių bangų plitimo modeliai idealizuotame 2D modelyje laukinio tipo ir G1911R sąlygomis yra parodyti atitinkamai papildomuose vaizdo įrašuose S1 ir S2.

Image

Kadrai iš 2D modeliavimo laukinio tipo ir G1911R sąlygomis esant t = 0, 4 s, t = 0, 8 s ir t = 5 s, parodyti 5a pav. Atgimstančio bangos galo laukinio tipo ir G1911R sąlygomis trajektorijos parodytos atitinkamai 5b, c pav. Palygintos įrašytos ląstelės AP ( d, f ) laiko eilutės (paveikslėlyje pažymėtos žvaigždute) dominuojančių dažnių ( e, g ) per 5 sekundes.

Visas dydis

Taigi modeliavimo rezultatai idealizuotame 2D modelyje parodė, kad G1911R mutacija palengvino grįžimo genezę padidindama audinių pažeidžiamumą vienkryptės laidumo bloko atžvilgiu.

Aritmogeniniai substratai CACNA1C G1911R mutacijoje tikroviškame 3D kairiajame skilvelyje

Realistiniame 3D kairiojo skilvelio modelyje buvo tiriama spiralinių bangų dinamika, siekiant atskleisti G1911R mutacijos poveikį VT. Išsamiau, sužadinimo bangos visose grupėse buvo inicijuotos naudojant bandomąjį stimulą ENDO srityje 3D žmogaus kairiojo skilvelio modelyje su MCELL sala (6a pav.). Laukinio tipo sąlygomis sužadinimo banga nebuvo pritraukta į MCELL sritį ir vingiavo dideliame audinio plote, todėl savaime pasibaigė per 0, 7 s ir pasireiškė kaip vienas AP ciklas 6b pav. Esant G1911R sąlygai, sužadinimo banga patraukė į MCELL salą ir sukūrė savaimines spiralines bangas (6d pav.). Laukinio tipo grupėje sužadinimo bangos gyvenimo trukmė ir didžiausias vietinio elektrinio aktyvumo dažnis buvo 0, 7 s ir 1, 65 Hz (6b, c pav.). Tačiau G1911R sąlygomis pakartotinio prisijungimo banga išliko per visą modeliavimo procesą (2, 5 s) (6d pav.). Tuo tarpu dominuojantis dažnis G1911R atveju buvo daug didesnis (~ 2, 4 Hz) nei tas, kuris buvo laukinio tipo sąlygomis (6e pav.). Išsamūs spiralinių bangų sklidimo realistiškame 3D modelyje filmai laukinio tipo ir G1911R sąlygomis yra parodyti atitinkamai papildomuose vaizdo įrašuose S3 ir S4.

Image

Kadrai iš 3D modeliavimo laukinio tipo ir G1911R sąlygomis esant t = 0, 05 s, t = 0, 2 s ir t = 2 s, parodyti 6a pav. Palyginti vietiniai potencialai ( b, d ) ir dominuojantys dažniai ( c, e ) per 5 s.

Visas dydis

Modeliavimo rezultatai, gavę realų 3D modelį, parodė, kad G1911R mutacija palengvino ir išsaugojo organo masto VT, padidindama repolarizacijos sklaidą.

Diskusija

CACNA1C mutacijos yra susijusios su gyvybei pavojingomis aritmijomis, o kai kuriems pacientams, sergantiems šio tipo mutacijomis, VT gali būti 7, 8, 11, 15, 16, 19 . G1911R mutacijos metu pacientui, kuriam buvo heterozigotinė G1911R mutacija, 5 metų QT intervalas buvo 520 ms ir jis sirgo VT 16 . Nors buvo pranešta, kad G1911R mutacija sukėlė Ca V 1.2 funkcijos padidėjimą, mechanizmai, kuriais CACNA1C G1911R mutacija palengvina ir išsaugo organo masto VT, lieka neaiškūs. Šiame tyrime, naudodamiesi skaičiavimo modeliavimo metodu, mes nustatėme G1911R mutacijos pro-aritmogeninį poveikį žmogaus skilveliui ląstelių, audinių sruogų, audinių lakštų ir viso organo lygiuose. Mes parodėme, kad QT intervalas buvo pailgintas nuo 367, 8 ms laukinio tipo sąlygomis iki 577 ms G1911R sąlygomis. Svarbu tai, kad spiralinės bangos buvo parodytos esant G1911R būklei, kuri atitinka kliniškai stebimą VT. Mūsų rezultatai parodė, kad G1911R mutacija (i) padidino I CaL keičiant aktyvacijos priklausomybę nuo įtampos, inaktyvacijos priklausomybę nuo įtampos ir inaktyvacijos laiko konstantą; (ii) pailgintos APD ir ERP bei smarkiai išaugusios APD restitucijos kreivės, dėl kurių pagerėja APD adaptacija nuo greičio; iii) pailgėjęs QT intervalas, padidėjusi T bangos amplitudė ir pailgėjusi T smailės - T pabaigos trukmė; (iv) padidėjęs membranos potencialas ir APD heterogeniškumas, padidėjusi repoliarizacijos dispersija ir VW vienkryptėms blokams bei skatinusi spiralinių bangų susidarymą; v) MCELL sala sudarė jaudinančią kliūtį, kuri užfiksavo spiralinę bangą ir stabilizavo pakartotinį patekimą, sukeldama dažnesnį skilvelių sužadinimą. Kliniškai nustatyta, kad pacientų, kurių LQTS 5, 6, širdies audinyje elektrinis heterogeniškumas padidėjęs. Apibendrinant, mūsų duomenys rodo, kad padidėjusi repoliarizacijos sklaida gali būti priežastinis ryšys tarp pakitusio genotipo ir klinikinių aritminių fenotipų pacientams.

Kadangi VT išlieka viena iš labiausiai paplitusių staigios širdies mirties priežasčių, buvo atlikta daugybė tyrimų, siekiant išanalizuoti jo pradžią. Visų pirma, stebėjimai pacientams, kuriems nustatyta G1911R mutacija, leido suprasti VT 16 mechanizmus. Nustatyta, kad paciento širdyje yra G1911R mutacija 16 ir yra pakartotinis makroskopinis tyrimas ir VT. Be to, LQTS būdingas regioninis APD pailgėjimas 5, 6 . Šiame darbe mes sutelkėme dėmesį į aritmijų inicijavimą ir palaikymą transmuraliniame skilveliniame audinyje, kurie paprastai yra susiję su reentrija. Mūsų tyrimas rodo, kad yra du faktai, daugiausia prisidedantys prie G1911R mutacijos pro-aritminio poveikio.

Pirmasis yra padidėjęs G1911R mutacijos repoliarizacijos laikas ir ERP. G1911R mutacijoje dėl nuo įtampos priklausomo inaktyvavimo (VDI) trūkumas padidino Ca V 1.2 lango srovę ir prailgino veikimo potencialo plokščiafazę fazę, sukeldamas per didelį APD pailgėjimą. Dėl to padidėjo audinio repoliarizacijos laikas (QT intervalas) ir padidėjo ERP, palengvinant sužadinimo bangų laidumą.

Kitas faktas, prisidedantis prie aritminio G1911R mutacijos poveikio, yra padidėjęs audinio elektrinis nevienalytiškumas, kurį atspindi padidėjusi repoliarizacijos dispersija. Mūsų išvados patvirtina nuostatą, kad padidėjusi repoliarizacijos sklaida yra proaritminė 24, 25 . Viena vertus, G1911R mutacija padidino APD transmuralinį heterogeniškumą, nes APD pailgėjimas tarp ląstelių tipų buvo skirtingas. Repolarizacijos skirtumas tarp ląstelių tipų padidino transmuralinį DOR G1911R sąlygomis. Didesnė repolarizacijos sklaida žymiai pailgina T smailę - T galą. Todėl G1911R mutacija sukėlė didesnius repolarizacijos gradientus tarp skirtingų ląstelių regionų širdies audiniuose ir atitinkamai padidino VW, palengvindama VT genezę. Kita vertus, membranos potencialo heterogeniškumą taip pat padidino G1911R mutacija. G1911R mutacijos metu atitinkamai padidėjo membranos potencialo gradientai (laiko gradientai) tarp ENDO ir MCELL bei tarp EPI ir MCELL repolarizacijos metu. Taigi didesnė membranos potencialo sklaida padidino T bangos amplitudę. Apibendrinant galima pasakyti, kad dėl G1911R mutacijos padidėjęs repoliarizacijos išsisklaidymas padidino erdvinius ir laiko gradientus kartu su staigesniu APDR, padidindamas jautrumą alternų vystymuisi, kuris buvo susijęs su gyvybei pavojinga aritmija, skatindamas bangos pertrauką 31 .

Idealizuotam 2D ​​modeliui transmuralinį skilvelio audinį sudaro ENDO, MCELL ir EPI. Buvo atlikta daugybė tyrimų, skirtų analizuoti MCELL vaidmenį LQTS aritmogenezėje 5, 6, 32, 33, 34 . Visų pirma, eksperimentiniai tyrimai su gyvūnais ir LQTS sergančiais pacientais parodė, kad MCELL dydis ir pasiskirstymas skilvelių skilvelio audinyje tapo aritmogeneze 5, 6, 32 . LQTS sergantiems pacientams stebėtas regioninis APD pailgėjimas 6, o 5 dydis - 5 . Svarbiausia, kad šunų pleište 32 buvo pastebėtos MCELL salos, kurios užtikrino MCELL pasiskirstymą transmuraliniame audinyje. Šiame darbe mes sukūrėme idealizuotą 2D transmuralinio skilvelio audinio modelį, pagrįstą MCELL srities dydžiu ir pasiskirstymu. Viena vertus, 2D modelio plotis atitinka normalų žmogaus transmuralinio skilvelio plotį 35 . Dabartiniuose modeliavimuose MCELL salos dydis buvo panašus į pailgėjusio APD regiono plotą žmogaus širdyje 5, 34 . Mūsų modelis pateikia teorinį pagrindą ir palaiko mūsų hipotezę dėl padidėjusio DOR proaritminio poveikio, ypač dėl MCELL salos. Iš tiesų, mes stebėjome pailgėjusį APD regioną esant G1911R mutacijos sąlygoms, o regionas (MCELL sala) sudarė jaudinamą kliūtį, galinčią įtvirtinti spiralines bangas, sudarydamas naują mechanizmą, kaip generuoti VT padidėjus regioniniam heterogeniškumui G1911R mutacijos sąlygomis.

Erdvinis nevienalytis APD pailgėjimas sukūrė gana stabilią ir nuolatinę jaudinančią kliūtį MCELL srityje. Maksimalus APD / ERP skirtumas tarp trijų ląstelių tipų lėmė tokią jaudinančią kliūtį. G1911R mutacija žymiai padidino maksimalų APD / ERP skirtumą tarp trijų ląstelių tipų, sukeldama nuolatinę funkcinę jaudinančią kliūtį. Spiralinė banga buvo patraukta prie jaudinančios kliūties, o jos galas vingiavo aplink kliūtį, tokiu būdu užtikrinant stabilų ir nuolatinį pakartotinį patekimą į G1911R būklę, o tai atitinka regioninio heterogeniškumo sukeltą aritmogenezę 32, 33, 34, 36, 37 . Rezultatai patvirtina, kad unikalus MCELL pasiskirstymas yra recenrantinis mechanizmas LQTS 36, 33 . Ypač pažymima, kad unikalus apskritas MCELL pasiskirstymas buvo tiesiogiai atsakingas už laidumo bloką ir savarankiškas transmuralines grįžtamojo srauto grandines, kuriomis grindžiamas VT. Dalyvio banga mūsų modeliavime nebuvo identiška 2D modeliams su MCELL juostele, naudota ankstesniuose tyrimuose 28, 33, 35 . Taigi sužadinimo bangos sklidimas laukinio tipo ir G1911R sąlygomis idealizuotuose 2D su ENDO, MCELL ir EPI sluoksniais buvo ištirtas ir parodytas atitinkamai papildomuose vaizdo įrašuose S5 ir S6. Panašiai kaip apskrito pasiskirstymo atveju, GELL11R sąlygomis MCELL juostelė inicijavo ir palaikė spiralines bangas. Be to, tikroviško 3D modelio rezultatai G1911R sąlygomis taip pat parodė nuolatines spiralines bangas, turinčias didesnį dominuojantį dažnį ir ilgesnę eksploatavimo trukmę (Išsamūs spiralinių bangų sklidimo filmai realistiniame 3D modelyje su ENDO, MCELL ir EPI sluoksniais laukinio tipo ir G1911R sąlygos parodytos papildomuose vaizdo įrašuose S7 ir S8). Taigi modeliavimo rezultatas buvo idealizuoti 2D ir realistiški 3D modeliai patvirtino, kad G1911R mutacija palengvina ir pakartoja organo masto VT, padidindama heterogeniškumą.

Be to, padidėjęs I CaL anksčiau buvo skirtas sutrikdyti širdies dinamiką ir skatinti kintamuosius, didinant veiksmų potencialo trukmės atkūrimą 24 . Taip pat buvo parodyta, kad esant vienkryptiam laidumo blokui esant G406R / S402R mutacijai 25, reikia didesnės repoliarizacijos dispersijos. Mūsų išvados parodė, kad G911R mutacijoje pakitusi I CaL ne tik sustiprino veikimo potencialo trukmės atkūrimą, bet ir padidino DOR, o tai paskatino širdies aritmijų pradžią ir palaikymą. Todėl mūsų tyrimas rodo padidėjusią I CaL dėl CACNA1C mutacijų tachikardijos aritmogenezėje.

Dešimt Tusscher et al. buvo adresuoti kitur 28, 35, 38, 39 . Nors mūsų modelis sėkmingai atkuria spiralines bangas (VT žmogaus skilvelyje) esant G1911R sąlygoms, jis turi keletą apribojimų, į kuriuos reikia atkreipti dėmesį ateityje. Pirma, kliniškai stebimi aritmijos fenotipai pacientams dažnai atsiranda padidėjusio simpatinio tono 31 atveju . Dėl to, kad trūksta tikslių skaičiavimo kelių signalizacijos kelių modelių, santykinis aktyvių specifinių taikinių, tokių kaip nuo kalmodulino priklausomo baltymo kinazės II, β-adrenerginio receptoriaus, baltymo kinazės A ir kt., Indėlis į 10–25, 31 aritminis G1911R mutacijos poveikis nebuvo įtrauktas. Antra, reikia pažymėti, kad vienas iš aritminių CACNA1C mutacijų 10, 17, 24, 25 mutacijų mechanizmų buvo pasiūlytas generavimasis į depoliarizaciją . Tačiau vienaląsčių modeliavimų metu mūsų modeliuose nebuvo pastebėta pomėgio sumažėjimo, o vėlyvasis pašalinimas gali būti susijęs su keliais signalizacijos keliais 10, 25 . Trečia, CACNA1C mutacija padidino tarpląstelinio kalcio koncentraciją, o tai turėjo įtakos širdies mechanikai. Šiame tyrime širdies mechanika nebuvo įtraukta į mūsų modelį, o jos poveikis pakartotiniam grįžimui nebuvo ištirtas 40, 41 . Ketvirta, reikia pažymėti, kad kiekvieno tipo ląstelių pasiskirstymas ir populiacija širdies audiniuose gali turėti įtakos širdies dinamikai ir nėra išsamių eksperimentinių duomenų, leidžiančių modifikuoti modelį. Šiame tyrime buvo parinkti susiję parametrai, remiantis ankstesniais tyrimais 28, 35, 42 . Nors šiame tyrime svarbu aiškiai apibrėžti modelių apribojimus, jie nekeičia mūsų išvados, kad CACNA1C G1911R mutacija skatina širdies ritmo sutrikimų inicijavimą ir palaikymą.

Apibendrinant galima pasakyti, kad G1911R mutacija palengvina ir pakartoja organo masto VT, padidindama repolarizacijos sklaidą. Šio tyrimo išvados suteikia naujų įžvalgų apie VT raidos ir palaikymo mechanizmą pacientams, sergantiems CACNA1C G1911R mutacijomis, ir pabrėžia kritinį MCELL vaidmenį skilvelių aritmijų genezėje.

Metodai

Matematinis modelis

Naudojant eksperimentinius duomenis apie I CaL pokyčius CACNA1C G1911R mutacijoje 16, TNNP modeliai buvo modifikuoti imituojant žmogaus skilvelių ląstelių funkcijas (išsamiau žr. Papildomą lentelę S1) 38 . I CaL modeliai ir eksperimentiniai duomenys laukinio tipo ir G1911R sąlygomis yra gerai suderinti, kaip parodyta S2 papildomoje lentelėje. Šiame tyrime pasirinktas TNNP modelis, nes jis apima I CaL iš žmogaus skilvelių miocitų ir atkuria žmogaus endokardialinio (ENDO), vidurinio ląstelinio (MCELL) ir epi-kardialinio (EPI) AP. Buvo įrodyta, kad šie modeliai yra tinkami tyrinėti VT 29, 30, 35, 39 .

Skilvelių ląstelių modeliai buvo integruoti, kad būtų galima sukurti audinių modelius su specialia audinių geometrija ir imituoti bangų sklidimą. Audinių modelius galima apibūdinti taip:

Image

kur D yra elektroninis difuzijos modeliavimo tarpo sankryžos sujungimas, V (mV) yra membranos potencialas, C m (pF) yra membranos talpa, I jonas (pA / pF) yra joninių srovių suma,

Image
yra 1D, 2D arba 3D gradiento operatorius, o t (ms) yra laikas. Kiekvieno I jono komponento apibrėžimus rasite dešimtyje Tusscher et al. 38 . Pluoštų (permatomų gijų) difuzijos koeficientas ( D ) yra keturis kartus mažesnis nei pluošto 34, kuris yra nustatytas 0, 154 mm 2 / ms, pluošto, sukuriančio plokštuminę bangą, kurios laidumo greitis išilgai 0, 715 mm / ms, pluošto. pluošto kryptis 38 . Be to, D EPI-MCELL pasienyje yra 5 kartus mažesnis 43 .

Sužadinimo bangos sklidimui buvo sukurti daugialypiai skilvelių modeliai. Buvo sukonstruota 15 mm 1D transmuralinė grandinė, susidedanti iš 25% ENDO ląstelių, 35% MCELL ląstelių ir 40% EPI ląstelių. Ląstelių dalis yra panaši į tas, kurios buvo naudojamos kituose tyrimuose 28, 35 . Kadangi kūno paviršiaus potencialo žemėlapių nustatymas LQTS pacientams parodė reikšmingą regioninio repolarizacijos 6 heterogeniškumo padidėjimą, mes sukūrėme 2D idealizuotą žmogaus skilvelių audinio transmuralinį modelį, panaudodami tokią pačią MCELL ląstelių proporciją kaip 1D grandinėje ir panašų dydį. MCELL sritis pagal eksperimentinius ir imituotus tyrimus 5, 6 . Idealizuotų 2D ir realių 3D modelių MCELL salos pasiskirstymas pavaizduotas papildomame paveiksle S1. Atliekant eksperimentinius ir imitacinius tyrimus, modeliuose naudojamas MCELL salos dydis 5, 6 . The anterior myocardial wall in the left ventricle encompassed a MCELL island. Transmurally, tissue included a MCELL island and the subepi- and subendocardium. The idealized 2D transmural ventricular tissue sheet (15 mm × 15 mm) with a MCELL island (π × 5.1 mm × 5.1 mm, a size similar to the heterogeneity region measured in the human heart and that used in a previous simulation study 5, 6 ) was simulated and the realistic 3D left ventricular model, including a MCELL island (4/3 × π × 5.1 mm × 5.1 mm × 5.1 mm) was constructed.

Single cell simulations: AP, APD and ERP

Single cell APs were elicited with supra-threshold stimuli with the amplitude of −40 μA/cm 2 and the duration of 0.5 ms. 30 stimuli were applied at a pacing cycle length (PCL) of 1000 ms to obtain stable AP profiles and the 31st AP was used in analysis. APD was measured at 90% repolarization. APDR was assessed by applying the standard stimulus (S1–S2) protocol. The basic cycle length is 1000 ms and the premature coupling interval (S1–S2) was shortened in steps before S2 was blocked 24 . The restitution curve (APDR) was obtained by plotting S2–induced APD against the last S1 diastolic interval (DI). Effective refractory period (ERP) was measured as the smallest premature coupling interval (S1–S2) for which the peak potential of the S2-induced AP reached 80% of the last S1-induced AP 28, 35 .

1D tissue strand simulations: ECG, vulnerable window and dispersion of repolarization

The transmural excitation waves in the transmural ventricular fiber were initiated by supra-threshold stimuli (similar to that of AP simulations) applied to the ENDO end. Dispersion of repolarization (DOR) was measured as the time interval between the earliest and the latest repolarization times in the strand. The vulnerable window, in which excitation can propagate in one direction, is the time window between the time of bidirectional conduction block and that of bidirectional conduction. The method of Gima and Rudy 43 was used to compute pseudo-ECG.

Initiation of reentry in idealized 2D and realistic 3D models of human ventricle

Re-entry was initiated by applying a test stimulus within the VW at the ENDO region to evoke unidirectional propagation 28, 35 . After initiation, re-entrant electrical activities in idealized 2D sheet was recorded for 5 s. The stability of the re-entry was assessed by the path and area of its tip. The method of Fenton and Karma 44 was used to trace the tip meander path. Life span (LS) of the re-entry was computed as the time duration from initiation to dissipation of a spiral wave. Dominant frequencies of virtual monophasic AP profiles from a special site were computed using standard fast Fourier transformed techniques. The same methods were used in realistic 3D left ventricular model.

Skaitmeniniai metodai

The partial differential equations were solved by an explicit forward Euler approximation. The time step ( Δt ) is 0.02 ms, and Δx, Δy and Δz are the space steps. The space steps are 0.15 mm for 1D simulations 28, 35, 0.2 mm for 2D simulations and 0.5 mm for 3D simulations 34 . Simulations were carried out on an Intel core i703930K 64-bit CPU system with 64 G memory. Efficient parallelization was implemented using GPU acceleration.

Papildoma informacija

How to cite this article : Bai, J. et al. Pro-arrhythmogenic effects of CACNA1C G1911R mutation in human ventricular tachycardia: insights from cardiac multi-scale models. Mokslas. Rep. 6, 31262; doi: 10.1038/srep31262 (2016).

Papildoma informacija

„Word“ dokumentai

  1. 1.

    Papildoma informacija

Vaizdo įrašai

  1. 1.

    Papildomas vaizdo įrašas S1

  2. 2.

    Papildomas vaizdo įrašas S2

  3. 3.

    Papildomas vaizdo įrašas S3

  4. 4.

    Papildomas vaizdo įrašas S4

  5. 5.

    Papildomas vaizdo įrašas S5

  6. 6.

    Papildomas vaizdo įrašas S6

  7. 7

    Papildomas vaizdo įrašas S7

  8. 8.

    Supplementary Video S8

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.