Mathematical models on the impact of noise and dyadic molecular structures on the properties of a cardiac myocyte

In cardiac myocytes (heart muscle cells), coupling of electric signal known as the action potential to contraction of the heart depends crucially on calcium-induced calcium release (CICR) in a microdomain known as the dyad. During CICR, the peak number of free calcium ions (Ca) present in the dyad is small, typically estimated to be within range 1-100. Since the free Ca ions mediate CICR, noise in Ca signaling due to the small number of free calcium ions influences Excitation-Contraction (EC) coupling gain. Noise in Ca signaling is only one noise type influencing cardiac myocytes, e.g., ion channels playing a central role in action potential propagation are stochastic machines, each of which gates more or less randomly, which produces gating noise present in membrane currents. How various noise sources influence macroscopic properties of a myocyte, how noise is attenuated and taken advantage of are largely open questions. In this thesis, the impact of noise on CICR, EC coupling and, more generally, macroscopic properties of a cardiac myocyte is investigated at multiple levels of detail using mathematical models. Complementarily to the investigation of the impact of noise on CICR, computationally-efficient yet spatially-detailed models of CICR are developed. The results of this thesis show that (1) gating noise due to the high-activity mode of L-type calcium channels playing a major role in CICR may induce early after-depolarizations associated with polymorphic tachycardia, which is a frequent precursor to sudden cardiac death in heart failure patients; (2) an increased level of voltage noise typically increases action potential duration and it skews distribution of action potential durations toward long durations in cardiac myocytes; and that (3) while a small number of Ca ions mediate CICR, Excitation-Contraction coupling is robust against this noise source, partly due to the shape of ryanodine receptor protein structures present in the cardiac dyad.

Theoretical Studies on Coupled Electron and Proton Transfer in Cytochrome c Oxidase

The complexity of life is based on an effective energy transduction machinery, which has evolved during the last 3.5 billion years. In aerobic life, the utilization of the high oxidizing potential of molecular oxygen powers this machinery. Oxygen is safely reduced by a membrane bound enzyme, cytochrome c oxidase (CcO), to produce an electrochemical proton gradient over the mitochondrial or bacterial membrane. This gradient is used for energy-requiring reactions such as synthesis of ATP by F0F1-ATPase and active transport. In this thesis, the molecular mechanism by which CcO couples the oxygen reduction chemistry to proton-pumping has been studied by theoretical computer simulations. By building both classical and quantum mechanical model systems based on the X-ray structure of CcO from Bos taurus, the dynamics and energetics of the system were studied in different intermediate states of the enzyme. As a result of this work, a mechanism was suggested by which CcO can prevent protons from leaking backwards in proton-pumping. The use and activation of two proton conducting channels were also enlightened together with a mechanism by which CcO sorts the chemical protons from pumped protons. The latter problem is referred to as the gating mechanism of CcO, and has remained a challenge in the bioenergetics field for more than three decades. Furthermore, a new method for deriving charge parameters for classical simulations of complex metalloenzymes was developed.

Noninvasive techniques in assessing coronary artery disease

Conventional invasive coronary angiography is the clinical gold standard for detecting of coronary artery stenoses. Noninvasive multidetector computed tomography (MDCT) in combination with retrospective ECG gating has recently been shown to permit visualization of the coronary artery lumen and detection of coronary artery stenoses. Single photon emission tomography (SPECT) perfusion imaging has been considered the reference method for evaluation of nonviable myocardium, but magnetic resonance imaging (MRI) can accurately depict structure, function, effusion, and myocardial viability, with an overall capacity unmatched by any other single imaging modality. Magnetocardiography (MCG) provides noninvasively information about myocardial excitation propagation and repolarization without the use of electrodes. This evolving technique may be considered the magnetic equivalent to electrocardiography. The aim of the present series of studies was to evaluate changes in the myocardium assessed with SPECT and MRI caused by coronary artery disease, examine the capability of multidetector computed tomography coronary angiography (MDCT-CA) to detect significant stenoses in the coronary arteries, and MCG to assess remote myocardial infarctions. Our study showed that in severe, progressing coronary artery disease laser treatment does not improve global left ventricular function or myocardial perfusion, but it does preserve systolic wall thickening in fixed defects (scar). It also prevents changes from ischemic myocardial regions to scar. The MCG repolarization variables are informative in remote myocardial infarction, and may perform as well as the conventional QRS criteria in detection of healed myocardial infarction. These STT abnormalities are more pronounced in patients with Q-wave infarction than in patients with non-Q-wave infarctions. MDCT-CA had a sensitivity of 82%, a specificity of 94%, a positive predictive value of 79%, and a negative predictive value of 95% for stenoses over 50% in the main coronary arteries as compared with conventional coronary angiography in patients with known coronary artery disease. Left ventricular wall dysfunction, perfusion defects, and infarctions were detected in 50-78% of sectors assigned to calcifications or stenoses, but also in sectors supplied by normally perfused coronary arteries. Our study showed a low sensitivity (sensitivity 63%) in detecting obstructive coronary artery disease assessed by MDCT in patients with severe aortic stenosis. Massive calcifications complicated correct assessment of the lumen of coronary arteries.

Nikotiinireseptoreiden kautta vaikuttavat lääkeaineet nikotiiniriippuvuuden ja neurologisten sairauksien hoidossa

Neuronaaliset nikotiinireseptorit liittyvät tupakkariippuvuuden lisäksi moniin neurologisiin sairauksiin, kuten Alzheimerin tautiin, skitsofreniaan, masennukseen ja tarkkaavaisuus- ja ylivilkkaushäiriöön. Nikotiinireseptorien stimulaation on tutkimuksissa havaittu parantavan kognitiota. Useat lääkeyritykset tutkivat nikotiinireseptoriagonisteja ja -antagonisteja eri neurologisten sairauksien hoidossa. Ongelmana nikotiinireseptori-agonisteja käytettäessä on reseptorissa tapahtuva desensitisaatio. Tällöin reseptori sulkeutuu, eikä aktivoidu vaikka agonistia olisi tarjolla tai sitoutuneena reseptoriin. Varsinkin alfa7-reseptori desensitoituu hyvin nopeasti agonistialtistuksen seurauksena. Reseptorien desensitoituminen voi kliinisessä käytössä aiheuttaa lääkeaineen tehon menetyksen. Perinteisen agonistin sitoutumiskohdan lisäksi nikotiinireseptorissa sijaitsee myös muita sitoutumiskohtia, joita kutsutaan allosteerisiksi sitoutumispaikoiksi. Tutkimuksissa on havaittu, että eräät allosteerisesti sitoutuvat aineet, kuten PNU-120596, voivat vahvistaa agonistin aikaansaamaa vastetta ja/tai estää reseptorin desensitoitumista. Näitä aineita kutsutaan positiivisiksi allosteerisiksi modulaattoreiksi ja niiden ajatellaan olevan vaihtoehto desensitoitumisen aiheuttamaan tehon menetyksen ongelmaan. Nikotiinireseptorien positiivisten allosteeristen modulaattorien tarkkaa vaikutusta ja sitoutumiskohtaa reseptoriin ei vielä tarkkaan tiedetä. Tutkimuksen aiheena oli karakterisoida positiivisten allosteeristen modulaattoreiden vaikutuksia alfa7-nikotiinireseptoriin. Tutkimuksessa tarkoituksena oli käyttää hyväksi laboratoriossa aiemmin tehtyä havaintoa, jonka mukaan alfa7-nikotiinireseptorin transmembraaniosan aminohappoon tehdyn mutaation L247T seurauksena positiiviset allosteeriset modulaattorit muuttuvat agonisteiksi. Haluttiin selvittää, kuinka agonistin sitoutumiskohtaan kohdennettua mutageneesiä käyttäen tehty mutaatio W149M tai W149F vaikuttavat PNU-120596:n kykyyn toimia agonistina alfa7L247T reseptoriin. Asetyylikoliini toimi konventionaalisen agonistin mallina tutkimuksessa. Tutkimuksen toinen tavoite oli tehdä mutaatio M253Lalfa7-reseptorin transmembraaniosaan. Mutaation on todettu estävän allosteeristen potentiaattoreiden kykyä voimistaa agonistin aikaansaamaa vastetta. Tarkoitus oli tutkia millaisia vaikutuksia M253L-mutaatiolla on allosteerisen potentiaattorin kykyyn toimia agonistina L247T-mutaation sisältävään reseptoriin. Mutatoidun reseptorin mRNA mikroinjektoitiin oosyyttiin ja elektrofysiologian avulla tutkittiin ilmennettyjen reseptorien toimintaa käyttäen kahden elektrodin jännitelukitus -menetelmää. Kaikki suunnitellut mutaatiot saatiin tehtyä onnistuneesti alfa7- ja alfa7L247T-reseptoreihin. Ortosteerisen sitoutumiskohdan mutaatio villin tyypin Į7-reseptorissa vaikutti hyvin voimakkaasti joko asetyylikoliinin sitoutumiseen reseptoriin tai reseptorin toimintaan, sillä asetyylikoliinilla ei reseptorista saatu mitattua vasteita. Myöskään PNU-120596 yksinään ei saanut aikaan vasteita alfa7W149M-reseptorissa. Kaksoismutatoidussa alfa7W149M/L247T-reseptorissa puolestaan havaittiin, että asetyylikoliinin annos-vaste -kuvaaja siirtyi huomattavasti enemmän oikealle kuin PNU-120596:n, kun verrattiin annos-vaste –kuvaajia alfa7L247T ja alfa7W149M/L247T–reseptoreiden välillä. Transmembraaniosan mutaatio M253L ei vaikuttanut PNU-120596:n kykyyn toimia agonistina alfa7L247T-reseptoriin, eikä sillä ollut vaikutusta asetyylikoliinin annosvaste-kuvaajiin. Tutkimus tukee aiempia havaintoja siitä, että positiivisten allosteeristen modulaattoreiden sitoutumiskohta nikotiinireseptorissa sijaitsisi transmembraaniosassa. M253L-mutaation osalta tulokset ovat hieman ristiriidassa aiempien tulosten kanssa. L247T-mutaatio vaikuttaa hyvin voimakkaasti nikotiinireseptorin toimintaan sekä sijaitsee aminohapon M253 läheisyydessä. On mahdollista, että se peittää M253L-mutaation vaikutuksen. Toisaalta voi olla, että M253 on aminohappo, joka vaikuttaa vain reseptorivasteiden voimistumiseen eikä allosteeristen potentiaattoreiden sitoutumiseen.