The effect of electrical tachypacing on optical action potentials of human atrial cardiomyocytes derived from induced pluripotent stem cells

by Melanie Ritter
Doctoral thesis
Date of Examination:2024-11-12
Date of issue:2024-11-11
Advisor:Prof. Niels Voigt
Referee:Prof. Niels Voigt
Referee:PD Dr. Antje D. Ebert
Sponsor:Else-Kröner-Fresenius-Stiftung
Sponsor:IRTG 1816
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10799

 

 

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Abstract

English

Atrial fibrillation is one of the most clinically relevant cardiac arrhythmias worldwide. To improve the understanding of the underlying pathomechanisms and develop further pharmacological therapies for this disease, experimental models that accurately reflect atrial fibrillation associated electrical remodeling are needed. The chosen substrate must provide reliable results and ideally be applicable in a high-throughput manner. In this study, atrial cardiomyocytes derived from induced pluripotent stem cells (iPSC-CM) were used as substrate to investigate the effect of electrical tachypacing on the extent of atrial fibrillation associated remodeling on the cellular action potential. First, a novel method of action potential measurement using the voltage sensitive dye, FluoVolt, was successful in discriminating between subtypes of cardiomyocytes derived from induced pluripotent stem cells. As expected, the action potential duration of atrial iPSC-CM was shown to be significantly shorter than that of ventricular iPSC-CM. In addition, the presence of the atrial-specific acetylcholine activated inwardly rectifying K+ current could be confirmed in atrial cardiomyocytes through a shortening of the action potential after stimulation with the M2-receptor agonist carbachol. Atrial iPSC-CM were subjected to 24-hour pacing at 3 Hz or 1 Hz. Subsequent experimentation with FluoVolt revealed a shorter action potential in atrial cardiomyocytes exposed to 3 Hz pacing compared to the 1 Hz control group. Equivalent to previous results in atrial fibrillation models using cardiomyocytes from patients, a reduced response to carbachol in the tachypaced atrial cardiomyocytes derived from induced pluripotent stem cells indicated a reduced activity of the acetylcholine activated inwardly rectifying K+ current. The electrical remodeling detected in tachypaced atrial iPSC-CM was reversible after 24 hours of normofrequent pacing at 1 Hz. Another component of atrial fibrillation associated electrical remodeling, the development of a constitutively active acetylcholine activated inwardly rectifying K+ current, was not observed on action potential following application of tertiapin, a potent blocker of the acetylcholine activated inwardly rectifying K+ current. Increasing the frequency of tachypacing to 4 or 5 Hz did not reveal any further aspects of atrial fibrillation associated electrical remodeling and contributed to a higher rate of cell attrition and death. This work contributes substantially to a new in vitro model of atrial fibrillation through action potential characterisation of single cardiomyocytes derived from induced pluripotent stem cells. The novel method of electrical tachypacing in atrial subtype-specific cells induced electrical remodeling resembling that of atrial fibrillation patients.
Keywords: stem cells; ion channel; action potential; atrial fibrillation

German

Vorhofflimmern ist eine der klinisch relevantesten Herzrhythmusstörungen weltweit. Um die zugrundeliegenden Pathomechanismen besser zu verstehen und weitere pharmakologische Therapien für diese Krankheit zu entwickeln, werden experimentelle Modelle benötigt, die das mit Vorhofflimmern verbundene elektrische Remodelling genau wiedergeben. Das gewählte Substrat muss zuverlässige Ergebnisse liefern und idealerweise im Hochdurchsatzverfahren anwendbar sein. In dieser Studie wurden aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC-CM) abgeleitete Vorhof-Kardiomyozyten als Substrat verwendet, um die Auswirkung der elektrischen Tachykardie auf das Ausmaß des mit Vorhofflimmern assoziierten Remodellings des zellulären Aktionspotenzials zu untersuchen. Zunächst konnte mit einer neuartigen Methode zur Messung des Aktionspotenzials unter Verwendung des spannungsempfindlichen Farbstoffs FluoVolt erfolgreich zwischen den Subtypen der aus induzierten pluripotenten Stammzellen gewonnenen Kardiomyozyten unterschieden werden. Wie erwartet, erwies sich die Aktionspotenzialdauer der atrialen iPSC-CM als deutlich kürzer als die der ventrikulären iPSC-CM. Darüber hinaus konnte das Vorhandensein des atrial-spezifischen acetylcholinaktivierten einwärtsgerichteten K+-Stroms in atrialen Kardiomyozyten durch eine Verkürzung des Aktionspotentials nach Stimulation mit dem M2-Rezeptor-Agonisten Carbachol bestätigt werden. Atriale iPSC-CM wurden einer 24-stündigen Stimulation mit 3 Hz oder 1 Hz unterzogen. Nachfolgende Experimente mit FluoVolt zeigten ein kürzeres Aktionspotenzial in Vorhof-Kardiomyozyten, die einer Stimulation mit 3 Hz ausgesetzt waren, im Vergleich zur Kontrollgruppe mit 1 Hz. In Übereinstimmung mit früheren Ergebnissen in Vorhofflimmermodellen, bei denen Kardiomyozyten von Patienten verwendet wurden, deutete eine verringerte Reaktion auf Carbachol in den tachykarden Vorhofkardiomyozyten aus induzierten pluripotenten Stammzellen auf eine verringerte Aktivität des durch Acetylcholin aktivierten einwärts gleichrichtenden K+-Stroms hin. Das elektrische Remodeling, das in tachykardisierten iPSC-CM festgestellt wurde, war nach 24 Stunden normofrequenter Stimulation bei 1 Hz reversibel. Eine weitere Komponente des mit Vorhofflimmern verbundenen elektrischen Remodellings, die Entwicklung eines konstitutiv aktiven, durch Acetylcholin aktivierten, einwärts gleichrichtenden K+-Stroms, wurde nach Verabreichung von Tertiapin, einem starken Blocker des durch Acetylcholin aktivierten, einwärts gleichrichtenden K+-Stroms, nicht beobachtet. Eine Erhöhung der Tachypacing-Frequenz auf 4 oder 5 Hz brachte keine weiteren Aspekte des mit Vorhofflimmern verbundenen elektrischen Umbaus zutage und trug zu einer höheren Rate von Zellschaden- und tod bei. Diese Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag zu einem neuen In-vitro-Modell des Vorhofflimmerns durch die Charakterisierung des Aktionspotenzials einzelner Kardiomyozyten, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen stammen. Die neuartige Methode der elektrischen Tachykardie in Vorhofsubtyp-spezifischen Zellen induzierte elektrisches Remodelling, welches dem in Patienten mit Vorhofflimmern ähnelt.