Die Rolle des späten Natrium-Stroms bei der Kalzium-Calmodulin-abhängigen ProteinkinaseIIδC (CaMKIIδC)-induzierten Herzinsuffizienz und beim chronischen Vorhofflimmern
The role of the late sodium current in calcium-calmodulin-dependent protein kinase II δC (CaMKIIδC)-induced heart failure and chronic atrial fibrillation
by Ulrike Kerstin Maurer
Date of Examination:2012-07-02
Date of issue:2012-06-21
Advisor:Prof. Dr. Lars S. Maier
Referee:Prof. Dr. Lars S. Maier
Referee:Prof. Dr. Ali El-Armouche
Referee:Prof. Dr. Patricia Virsik-Köpp
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Abstract
English
Ranolazine is a drug that was introduced for antianginal therapy in Germany in 2008. Its effects are explained by inhibition of the so called „late Na+-current“ in the cardiomyocyte. Contrary to the „fast Na+-current“, that is inactivated within a few milliseconds, the „late Na+-current“ persists during the whole duration of the actionpotential and is abnormally elevated under pathological conditions such as ischemia, heart failure or atrial fibrillation. Then, this current contributes to a Na+-overloading of the cell that result secondarily in a Ca2+- overloading ultimately leading to a disturbed excitation-contraction coupling with contractile dysfunction and arrhythmias. This thesis evaluates the effects of ranolazine on the contractility of muscle strip preparations of atrial tissue from patients with chronic atrial fibrillation and in a model of heart failure. For this model ventricular papillary muscles of transgenic mice were used that overexpress the Ca2+/ calmodulin-dependent protein kinase II Delta C (CaMKIIδc), a protein kinase that is able to phosphorylate several proteins that are involved in the excitation-contraction coupling process. This protein kinase plays a central role in the onset and development of heart failure. The experiments with ranolazine showed a significant improvement of the diastolic dysfunction in atrial as well as in ventricular myocard. Furthermore ranolazine showed no negative effects on the developed force of the ventricle. The effect of ranolazine on the diastolic tension was further evaluated in experiments with ouabaine and hydrogen peroxide. In these experiments ranolazine significantly delayed the time to contracture compared to the control experiments. Furthermore this thesis examined for the first time the early form of heart failure (8 +- 1 week) in transgenic mice with overexpression of CaMKIIδc. In this early stage typical signs of heart failure were found - for example there is a significant rise in the heart-/ bodyweight, a significant reduction in the developed force and a significant rise in diastolic tension during muscle strip experiments. Moreover arrhythmias occurred during the experiments only in transgenic muscle stripes. All of them could be abolished by adding ranolazine. Western Blots were performed to investigate the role of the sarcoplasmic reticulum (SR) Ca2+-ATPase (SERCA) and the Na+-Ca2+-Exchanger (NCX) to their possible involvement in alterations of diastolic ventricular performance. They evaluated a reduced expression of the SERCA, resulting in a diminished SR Ca2+-uptake capacity, as it is known in the failing heart. The expression of the NCX, that plays a role in Ca2+-elimination of the cytosol, was unaltered, while it is normally increased in heart failure. In summary, the inhibition of the late sodium current with ranolazine provides a new strategy to improve diastolic function in heart failure with preserved ejection fraction. Furthermore, the potential antiarrhythmic effect of ranolazine shown in this study should be evaluated in further investigation.
Keywords: Ranolazine; late sodium current; CaMKII; SERCA; NCX; heart failure; atrial fibrillation; diastolic dysfunction
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Ranolazin ist ein Medikament, das in
Deutschland seit 2008 zur antianginösen Therapie eingesetzt wird
und den sogenannten „späten Na+-Strom“ in den Kardiomyozyten
inhibiert. Dieser „späte Na+-Strom“ persistiert, im Gegensatz zum
„schnellen Na+-Strom“, der binnen weniger Millisekunden wieder
inaktiviert wird, während der gesamten Aktionspotentialdauer und
ist unter pathologischen Bedingungen wie beispielsweise bei
Ischämie, Herzinsuffzienz oder dem Vorhofflimmern gesteigert. Daher
kann dieser wesentlich zu einer Na+-Überladung der Zelle beitragen,
die sekundär zu einer Ca2+-Überladung und mit der Folge der
gestörten elektromechanischen Kopplung zu kontraktiler Dysfunktion
und Arrhythmien führt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung
von Ranolazin auf die Kontraktilität am Vorhof, mit
Muskelstreifenpräparaten von Patienten mit chronischem
Vorhofflimmern, als auch am Ventrikel, anhand eines
Herzinsuffizienzmodells, untersucht. Hierzu diente ein Mausmodell,
das die Ca2+/Calmodulin-abhängige Proteinkinase II Delta C
(CaMKIIδC) überexprimiert, eine Proteinkinase die durch die
Phosphorylierung von Proteinen wesentlich in den Ablauf der
elektromechanischen Kopplung eingreifen kann und eine zentrale
Rolle bei der Entwicklung der Herzinsuffizienz einnimmt.
Herzmuskelstreifenexperimente mit Ranolazin zeigten eine deutliche
Verbesserung der diastolischen Dysfunktion sowohl am Vorhof als
auch am Ventrikel. Gleichzeitig beeinflusste Ranolazin die
entwickelte Kraft am Ventrikel nicht negativ. Mit Hilfe von
Versuchen mit Ouabain und Wasserstoffperoxid wurde die Wirkung von
Ranolazin auf die diastolische Funktion näher untersucht und
nachgewiesen, dass Ranolazin das Auftreten der Kontraktur, im
Vergleich zu Kontrollmuskelstreifen, signifikant verzögerte.
Gleichzeitig wurde in der vorliegenden Arbeit erstmals die Frühform
der CaMKIIδC-induzierten Herzinsuffizienz untersucht (transgene
Mäuse im Alter von 8 +- 1 Wochen). Bereits in diesem Stadium
zeigten sich typische Zeichen der Herzinsuffizienz. So war im
Vergleich zu den Wildtypen das Herz-/ Körpergewicht signifikant
erhöht, die entwickelte Kraft der Muskelstreifenpräparate
signifikant reduziert und die diastolische Spannung signifikant
erhöht. Insbesondere traten während der Versuche mit transgenen
Muskelstreifen spontane Arrhythmien auf, die alle durch die Gabe
von Ranolazin wieder beendet werden konnten. Western Blots wurden
durchgeführt um die Rolle der Ca2+-ATPase des Sarkoplasmatischen
Retikulums (SERCA) und des Na+-Ca2+-Austauschers (NCX) bei der
veränderten diastolischen Funktion zu untersuchen. Sie zeigten eine
reduzierte Expression und Aktivität der SERCA, die mit einer
eingeschränkten Funktion des sarkoplasmatischen Retikulms (SR) zur
Ca2+-Aufnahme einhergeht, wie es bei der Herzinsuffizienz bekannt
ist. Die Expression des NCX, dessen Funktion die Ca2+-Elimination
aus dem Zytosol ist und der normalerweise bei der Herzinsuffizienz
gesteigert ist, war unverändert. Zusammenfassend erscheint die
Inhibition des späten Natriumstroms mittels Ranolazin eine mögliche
neue Therapiestrategie insbesondere bei der Behandlung der
diastolischen Herzinsuffizienz zu sein. Darüberhinaus zeigte diese
Arbeit erste Hinweise auf eine antiarrhythmische Wirkung von
Ranolazin, die in weiteren Untersuchungen näher evaluiert werden
sollte.
Schlagwörter: Ranolazin; später Natrium-Strom; CaMKII; SERCA; NCX; Herzinsuffizienz; Vorhofflimmern; diastolische Dysfunktion