Polyunsaturated fatty acids modulate sodium and calcium currents in CA1 neurons.

Recent evidence indicates that long-chain polyunsaturated fatty acids (PUFAs) can prevent cardiac arrhythmias by a reduction of cardiomyocyte excitability. This was shown to be due to a modulation of the voltage-dependent inactivation of both sodium (INa) and calcium (ICa) currents. To establish whether PUFAs also regulate neuronal excitability, the effects of PUFAs on INa and ICa were assessed in CA1 neurons freshly isolated from the rat hippocampus. Extracellular application of PUFAs produced a concentration-dependent shift of the voltage dependence of inactivation of both INa and ICa to more hyperpolarized potentials. Consequently, they accelerated the inactivation and retarded the recovery from inactivation. The EC50 for the shift of the INa steady-state inactivation curve was 2.1 +/- 0.4 microM for docosahexaenoic acid (DHA) and 4 +/- 0.4 microM for eicosapentaenoic acid (EPA). The EC50 for the shift on the ICa inactivation curve was 2.1 +/- 0.4 for DHA and > 15 microM for EPA. Additionally, DHA and EPA suppressed both INa and ICa amplitude at concentrations > 10 microM. PUFAs did not affect the voltage dependence of activation. The monounsaturated oleic acid and the saturated palmitic acid were virtually ineffective. The combined effects of the PUFAs on INa and ICa may reduce neuronal excitability and may exert anticonvulsive effects in vivo.

Overexpression of the transcription factor UBF1 is sufficient to increase ribosomal DNA transcription in neonatal cardiomyocytes: implications for cardiac hypertrophy.

The accelerated protein accumulation characteristic of cardiomyocyte hypertrophy results from increased cellular protein synthetic capacity (elevated ribosome content). The rate limiting step in ribosome accumulation is transcription of the rRNA genes. During neonatal cardiomyocyte hypertrophy induced by norepinephrine or spontaneous contraction, changes in the expression of a ribosomal DNA transcription factor, UBF, correlated with increased rates of ribosome biogenesis. We hypothesized that elevated expression of UBF was part of the mechanism by which these hypertrophic stimuli effected increases in the rate of transcription from the rDNA promoter. In this study, we have examined directly the effect of overexpressing UBF on rDNA transcription in neonatal cardiomyocytes in culture. In control experiments, a novel reporter construct for rDNA transcription (pSMECAT) showed similar increases in activity in response to hypertrophic stimuli (10(-4) M phenylephrine, 10(-7) M endothelin, and spontaneous contraction) as did the endogenous rRNA genes. When contraction-arrested cardiomyocytes were cotransfected with pSMECAT and increasing amounts of a UBF1 expression vector; a dose-dependent (3-5 fold) increase in rDNA transcription was observed. Western blot analysis confirmed that the overexpressed, FLAG-tagged UBF accumulated in the cardiomyocyte nuclei. The observation that overexpression of UBF1 is sufficient to increase rDNA transcription in neonatal cardiomyocytes provides evidence in support of the hypothesis that the regulation of UBF is a key component of the increased ribosome biogenesis and protein accumulation associated with cardiomyocyte hypertrophy.

Interplay between cardiac function and heart development

Mechanotransduction refers to the conversion of mechanical forces into biochemical or electrical signals that initiate structural and functional remodeling in cells and tissues. The heart is a kinetic organ whose form changes considerably during development and disease. This requires cardiomyocytes to be mechanically durable and able to mount coordinated responses to a variety of environmental signals on different time scales, including cardiac pressure loading and electrical and hemodynamic forces. During physiological growth, myocytes, endocardial and epicardial cells have to adaptively remodel to these mechanical forces. Here we review some of the recent advances in the understanding of how mechanical forces influence cardiac development, with a focus on fluid flow forces. This article is part of a Special Issue entitled: Cardiomyocyte Biology: Integration of Develomental and Environmental Cues in the Heart edited by Marcus Schaub and Hughes Abriel.

Les mécanismes sous-jacents aux effets pathologiques cardiaques de l’angiotensine II dans le remodelage électrique et contractile entre les sexes

L’insuffisance cardiaque (IC) est associée à un taux de mortalité et d’hospitalisations élevé causant un fardeau économique important. Les deux causes majeures de décès de l’IC sont les arythmies ventriculaires létales et les sidérations myocardiques. Il est maintenant reconnu que l’angiotensine II (ANGII) est l'un des principaux médiateurs de l’IC. Ses effets délétères découlent de l’activation du récepteur de type 1 de l’ANGII (AT1) et entraînent le développement d’hypertrophie. Toutefois, son rôle dans la genèse d’arythmies demeure incompris. De ce fait, l'étude des mécanismes électriques et contractiles sous-jacents aux effets pathologiques de l’ANGII s’avère essentielle afin de mieux comprendre et soigner cette pathologie. Il est souvent perçu que les femmes sont protégées envers les maladies cardiovasculaires. Cependant, le nombre total de femmes décédant d’IC est plus grand que le nombre d’hommes. Également, l’impact des facteurs de risque diffère entre chaque sexe. Ces différences existent, mais les mécanismes sous-jacents sont encore peu connus. De plus, les femmes reçoivent fréquemment un diagnostic ou un traitement inapproprié en raison d’un manque d’information sur les différences entre les sexes dans la manifestation d’une pathologie. Ce manque de données peut découler du fait que les sujets de sexe féminin sont souvent sous-représentés dans les essais cliniques ou la recherche fondamentale ce qui a grandement limité l’avancement de nos connaissances sur ~50 % de la population. Ainsi, il semble plus que nécessaire d’approfondir notre compréhension des différences entre les sexes, notamment dans la progression de l’IC. L’utilisation d’un modèle de souris transgénique surexprimant le récepteur AT1 (souris AT1R) a permis d’étudier les changements électriques, structurels et contractiles avant et après le développement d’hypertrophie. Premièrement, chez les souris AT1R mâles, un ralentissement de la conduction ventriculaire a été observé indépendamment de l’hypertrophie. Ce résultat était expliqué par une réduction de la densité du courant Na+, mais pas de l’expression du canal. Ensuite, le rôle des protéines kinases C (PKC) dans la régulation du canal Na+ par l’ANGII a été exploré. Les évidences ont suggéré que la PKCα était responsable de la modulation de la diminution du courant Na+ chez les souris AT1R mâles et dans les cardiomyocytes humains dérivés de cellules souches induites pluripotentes (hiPSC-CM) en réponse à un traitement chronique à l’ANGII. Ensuite, les différences entre les sexes ont été comparées chez la souris AT1R. Une plus grande mortalité a été constatée chez les femelles AT1R suggérant qu’elles sont plus sensibles à la surexpression de AT1R. Le remodelage électrique ventriculaire a donc été comparé entre les souris AT1R des deux sexes. Les courants ioniques étaient altérés de façon similaire entre les sexes excluant ainsi leur implication dans la mortalité plus élevée chez les femelles. Ensuite, l’homéostasie calcique et la fonction cardiaque ont été étudiées. Il a été démontré que les femelles développaient une hypertrophie et une dilatation ventriculaire plus sévère que les mâles. De plus, les femelles AT1R avaient de petits transitoires calciques, une extrusion du Ca2+ plus lente ainsi qu’une augmentation de la fréquence des étincelles Ca2+ pouvant participer à des troubles contractiles et à la venue de post-dépolarisations précoces. En conclusion, l’ANGII est impliquée dans le remodelage électrique, structurel et calcique associé à l'émergence de l’IC. De surcroît, ces altérations affectent plus sévèrement les femelles soulignant la présence de différences entre les sexes dans le développement de l’IC.

Magnetic Devices and Techniques for the Study of Viscoelasticity of Biomaterials and Myocardial Forces

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Wnt/β-catenin Signaling Regulates Regeneration in Diverse Tissues of the Zebrafish

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Emerging roles of urotensin-II in cardiovascular disease

Urotensin-II (UII) is a highly potent endogenous peptide within the cardiovascular system. Through stimulation of Galphaq-coupled UT receptors, UII mediates contraction of vascular smooth muscle and endothelial-dependent vasorelaxation, and positive inotropy in human right atrium and ventricle. A pathogenic role of the UT receptor system is emerging in cardiovascular disease states, with evidence for upregulation of the UT receptor system in patients with congestive heart failure (CHF), pulmonary hypertension, cirrhosis and portal hypertension, and chronic renal failure. In vitro and in vivo studies show that under pathophysiological conditions, UII might contribute to cardiomyocyte hypertrophy, extracellular matrix production, enhanced vasoconstriction, vascular smooth muscle cell hyperplasia, and endothelial cell hyper-permeability. Single nucleotide polymorphisms of the UII gene may also impart a genetic predisposition of patients to diabetes. Therefore, the UT receptor system is a potential therapeutic target in the treatment of cardiac, pulmonary, and renal diseases. UT receptor antagonists are currently being developed to prevent and/or reverse the effects of over-activated UT receptors by the endogenous ligand. This review describes UII peptide and converting enzymes, and UT receptors in the cardiovascular system, focusing on pathophysiological roles of UII in the heart and blood vessels. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved,

Design of artificial myocardial microtissues

Cultivation technologies promoting organization of mammalian cells in three dimensions are essential for gene-function analyses as well as drug testing and represent the first step toward the design of tissue replacements and bioartificial organs. Embedded in a three-dimensional environment, cells are expected to develop tissue-like higher order intercellular structures (cell-cell contacts, extracellular matrix) that orchestrate cellular functions including proliferation, differentiation, apoptosis, and angiogenesis with unmatched quality. We have refined the hanging drop cultivation technology to pioneer beating heart microtissues derived from pure primary rat and mouse cardiomyocyte cultures as well as mixed populations reflecting the cell type composition of rodent hearts. Phenotypic characterization combined with detailed analysis of muscle-specific cell traits, extracellular matrix components, as well as endogenous vascular endothelial growth factor (VEGF) expression profiles of heart microtissues revealed (1) a linear cell number-microtissue size correlation, (2) intermicrotissue superstructures, (3) retention of key cardiomyocyte-specific cell qualities, (4) a sophisticated extracellular matrix, and (5) a high degree of self-organization exemplified by the tendency of muscle structures to assemble at the periphery of these myocardial spheroids. Furthermore (6), myocardial spheroids support endogenous VEGF expression in a size-dependent manner that will likely promote vascularization of heart microtissues produced from defined cell mixtures as well as support connection to the host vascular system after implantation. As cardiomyocytes are known to be refractory to current transfection technologies we have designed lentivirus-based transduction strategies to lead the way for genetic engineering of myocardial microtissues in a clinical setting.

Activation of calcineurin in human failing heart ventricle by endothelin-1, angiotensin II and urotensin II

1 The calcineurin (CaN) enzyme-transcriptional pathway is critically involved in hypertrophy of heart muscle in some animal models. Currently there is no information concerning the regulation of CaN activation by endogenous agonists in human heart. 2 Human right ventricular trabeculae from explanted human ( 14 male/2 female) failing hearts were set up in a tissue bath and electrically paced at 1Hz and incubated with or without 100 nM endothelin-1 (ET-1), 10 mu M, angiotensin-II (Ang II) or 20 nM human urotensin-II (hUII) for 30 min. Tissues from four patients were incubated with 200 nM tacrolimus (FK506) for 30 min and then incubated in the presence or absence of ET-1 for a further 30 min. 3 ET-1 increased contractile force in all 13 patients (P < 0.001). Ang II and hUII increased contractile force in three out of eight and four out of 10 patients but overall nonsignificantly (P > 0.1). FK506 had no effect on contractile force (P = 0.12). 4 ET-1, Ang II and hUII increased calcineurin activity by 32, 71 and 15%, respectively, while FK506 reduced activity by 34%. ET-1 in the presence of FK506 did not restore calcineurin activity (P = 0.1). 5 There was no relationship between basal CaN activity and expression levels in the right ventricle. Increased levels of free phosphate were detected in ventricular homogenates that were incubated with PKC epsilon compared to samples incubated without PKCe. 6 Endogenous cardiostimulants which activate G alpha q-coupled receptors increase the activity of calcineurin in human heart following acute (30 min) exposure. PKC may contribute to this effect by increasing levels of phosphorylated calcineurin substrate.

NADPH oxidase signaling and cardiac myocyte function

The NADPH oxidase family of enzymes has emerged as a major source of reactive oxygen species (ROS) that is important in diverse cellular functions including anti-microbial defence, inflammation and redox signaling. Of the five known NADPH oxidase isoforms, several are expressed in cardiovascular cells where they are involved in physiological and pathological processes such as the regulation of vascular tone, cell growth, migration, proliferation, hypertrophy, apoptosis and matrix deposition. This article reviews current knowledge regarding the role of NADPH oxidases in cardiomyocyte function in health and disease. © 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

NADPH oxidase-dependent redox signalling in cardiac hypertrophy, remodelling and failure

Markers of increased oxidative stress are known to be elevated following acute myocardial infarction and in the context of chronic left ventricular hypertrophy or heart failure, and their levels may correlate with the degree of contractile dysfunction or cardiac deficit. An obvious pathological mechanism that may account for this correlation is the potential deleterious effects of increased oxidative stress through the induction of cellular dysfunction, energetic deficit or cell death. However, reactive oxygen species have several much more subtle effects in the remodelling or failing heart that involve specific redox-regulated modulation of signalling pathways and gene expression. Such redox-sensitive regulation appears to play important roles in the development of several components of the phenotype of the failing heart, for example cardiomyocyte hypertrophy, interstitial fibrosis and chamber remodelling. In this article, we review the evidence supporting the involvement of reactive oxygen species and redox signalling pathways in the development of cardiac hypertrophy and heart failure, with a particular focus on the NADPH oxidase family of superoxide-generating enzymes which appear to be especially important in redox signalling.

Cell-specific effects of Nox2 on the acute and chronic response to myocardial infarction

BACKGROUND: Increased reactive oxygen species (ROS) production is involved in the process of adverse cardiac remodeling and development of heart failure after myocardial infarction (MI). NADPH oxidase-2 (Nox2) is a major ROS source within the heart and its activity increases after MI. Furthermore, genetic deletion of Nox2 is protective against post-MI cardiac remodeling. Nox2 levels may increase both in cardiomyocytes and endothelial cells and recent studies indicate cell-specific effects of Nox2, but it is not known which of these cell types is important in post-MI remodeling. METHODS AND RESULTS: We have generated transgenic mouse models in which Nox2 expression is targeted either to cardiomyocytes (cardio-Nox2TG) or endothelial cells (endo-Nox2TG). We here studied the response of cardio-Nox2TG mice, endo-Nox2TG mice and matched wild-type littermates (WT) to MI induced by permanent left coronary artery ligation up to 4weeks. Initial infarct size assessed by magnetic resonance imaging (MRI) and cardiac dysfunction were similar among groups. Cardiomyocyte hypertrophy and interstitial fibrosis were augmented in cardio-Nox2TG compared to WT after MI and post-MI survival tended to be worse whereas endo-Nox2TG mice showed no significant difference compared to WT. CONCLUSIONS: These results indicate that cardiomyocyte rather than endothelial cell Nox2 may have the more important role in post-MI remodeling.

Wnt signaling in the heart fields : variations on a common theme

The work was financially supported by the European Community in the framework of the ITN CardioNet registered under number GA289600. SH acknowledges research-funding support from the British Heart Foundation. The authors would like to thank Dr Jan Ruijter for discussion and critically reading the manuscript.

Les mécanismes sous-jacents aux effets pathologiques cardiaques de l’angiotensine II dans le remodelage électrique et contractile entre les sexes

L’insuffisance cardiaque (IC) est associée à un taux de mortalité et d’hospitalisations élevé causant un fardeau économique important. Les deux causes majeures de décès de l’IC sont les arythmies ventriculaires létales et les sidérations myocardiques. Il est maintenant reconnu que l’angiotensine II (ANGII) est l'un des principaux médiateurs de l’IC. Ses effets délétères découlent de l’activation du récepteur de type 1 de l’ANGII (AT1) et entraînent le développement d’hypertrophie. Toutefois, son rôle dans la genèse d’arythmies demeure incompris. De ce fait, l'étude des mécanismes électriques et contractiles sous-jacents aux effets pathologiques de l’ANGII s’avère essentielle afin de mieux comprendre et soigner cette pathologie. Il est souvent perçu que les femmes sont protégées envers les maladies cardiovasculaires. Cependant, le nombre total de femmes décédant d’IC est plus grand que le nombre d’hommes. Également, l’impact des facteurs de risque diffère entre chaque sexe. Ces différences existent, mais les mécanismes sous-jacents sont encore peu connus. De plus, les femmes reçoivent fréquemment un diagnostic ou un traitement inapproprié en raison d’un manque d’information sur les différences entre les sexes dans la manifestation d’une pathologie. Ce manque de données peut découler du fait que les sujets de sexe féminin sont souvent sous-représentés dans les essais cliniques ou la recherche fondamentale ce qui a grandement limité l’avancement de nos connaissances sur ~50 % de la population. Ainsi, il semble plus que nécessaire d’approfondir notre compréhension des différences entre les sexes, notamment dans la progression de l’IC. L’utilisation d’un modèle de souris transgénique surexprimant le récepteur AT1 (souris AT1R) a permis d’étudier les changements électriques, structurels et contractiles avant et après le développement d’hypertrophie. Premièrement, chez les souris AT1R mâles, un ralentissement de la conduction ventriculaire a été observé indépendamment de l’hypertrophie. Ce résultat était expliqué par une réduction de la densité du courant Na+, mais pas de l’expression du canal. Ensuite, le rôle des protéines kinases C (PKC) dans la régulation du canal Na+ par l’ANGII a été exploré. Les évidences ont suggéré que la PKCα était responsable de la modulation de la diminution du courant Na+ chez les souris AT1R mâles et dans les cardiomyocytes humains dérivés de cellules souches induites pluripotentes (hiPSC-CM) en réponse à un traitement chronique à l’ANGII. Ensuite, les différences entre les sexes ont été comparées chez la souris AT1R. Une plus grande mortalité a été constatée chez les femelles AT1R suggérant qu’elles sont plus sensibles à la surexpression de AT1R. Le remodelage électrique ventriculaire a donc été comparé entre les souris AT1R des deux sexes. Les courants ioniques étaient altérés de façon similaire entre les sexes excluant ainsi leur implication dans la mortalité plus élevée chez les femelles. Ensuite, l’homéostasie calcique et la fonction cardiaque ont été étudiées. Il a été démontré que les femelles développaient une hypertrophie et une dilatation ventriculaire plus sévère que les mâles. De plus, les femelles AT1R avaient de petits transitoires calciques, une extrusion du Ca2+ plus lente ainsi qu’une augmentation de la fréquence des étincelles Ca2+ pouvant participer à des troubles contractiles et à la venue de post-dépolarisations précoces. En conclusion, l’ANGII est impliquée dans le remodelage électrique, structurel et calcique associé à l'émergence de l’IC. De surcroît, ces altérations affectent plus sévèrement les femelles soulignant la présence de différences entre les sexes dans le développement de l’IC.

Déterminants génétiques du contrôle de la masse cardiaque et/ou de la taille des cardiomyocytes dans des croisements expérimentaux de rongeurs

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.