Analysis of intrinsic cardiac neuron activity in relation to neurogenic atrial fibrillation and vagal stimulation

La fibrillation auriculaire est le trouble du rythme le plus fréquent chez l'homme. Elle conduit souvent à de graves complications telles que l'insuffisance cardiaque et les accidents vasculaires cérébraux. Un mécanisme neurogène de la fibrillation auriculaire mis en évidence. L'induction de tachyarythmie par stimulation du nerf médiastinal a été proposée comme modèle pour étudier la fibrillation auriculaire neurogène. Dans cette thèse, nous avons étudié l'activité des neurones cardiaques intrinsèques et leurs interactions à l'intérieur des plexus ganglionnaires de l'oreillette droite dans un modèle canin de la fibrillation auriculaire neurogène. Ces activités ont été enregistrées par un réseau multicanal de microélectrodes empalé dans le plexus ganglionnaire de l'oreillette droite. L'enregistrement de l'activité neuronale a été effectué continument sur une période de près de 4 heures comprenant différentes interventions vasculaires (occlusion de l'aorte, de la veine cave inférieure, puis de l'artère coronaire descendante antérieure gauche), des stimuli mécaniques (toucher de l'oreillette ou du ventricule) et électriques (stimulation du nerf vague ou des ganglions stellaires) ainsi que des épisodes induits de fibrillation auriculaire. L'identification et la classification neuronale ont été effectuées en utilisant l'analyse en composantes principales et le partitionnement de données (cluster analysis) dans le logiciel Spike2. Une nouvelle méthode basée sur l'analyse en composante principale est proposée pour annuler l'activité auriculaire superposée sur le signal neuronal et ainsi augmenter la précision de l'identification de la réponse neuronale et de la classification. En se basant sur la réponse neuronale, nous avons défini des sous-types de neurones (afférent, efférent et les neurones des circuits locaux). Leur activité liée à différents facteurs de stress nous ont permis de fournir une description plus détaillée du système nerveux cardiaque intrinsèque. La majorité des neurones enregistrés ont réagi à des épisodes de fibrillation auriculaire en devenant plus actifs. Cette hyperactivité des neurones cardiaques intrinsèques suggère que le contrôle de cette activité pourrait aider à prévenir la fibrillation auriculaire neurogène. Puisque la stimulation à basse intensité du nerf vague affaiblit l'activité neuronale cardiaque intrinsèque (en particulier pour les neurones afférents et convergents des circuits locaux), nous avons examiné si cette intervention pouvait être appliquée comme thérapie pour la fibrillation auriculaire. Nos résultats montrent que la stimulation du nerf vague droit a été en mesure d'atténuer la fibrillation auriculaire dans 12 des 16 cas malgré un effet pro-arythmique défavorable dans 1 des 16 cas. L'action protective a diminué au fil du temps et est devenue inefficace après ~ 40 minutes après 3 minutes de stimulation du nerf vague.

Metabolomics analysis in rats with thiamine deficiency identifies key metabolites in vulnerable brain regions and suggests neural stem progenitor cells play a role in ameliorating metabolic dysfunction

La documentation scientifique fait état de la présence, chez l’adulte, de cellules souches et progénitrices neurales (CSPN) endogènes dans les zones sous-ventriculaire et sous-granulaire du cerveau ainsi que dans le gyrus denté de l’hippocampe. De plus, un postulat selon lequel il serait également possible de retrouver ce type de cellules dans la moelle épinière et le néocortex des mammifères adultes a été énoncé. L’encéphalopathie de Wernicke, un trouble neurologique grave toutefois réversible qui entraîne un dysfonctionnement, voire une défaillance du cerveau, est causée principalement par une carence importante en thiamine (CT). Des observations récentes laissent envisager que les facteurs en cause dans la prolifération et la différenciation des CSPN pourraient également jouer un rôle important lors d’un épisode de CT. L’hypothèse, selon laquelle l’identification de nouveaux métabolites entrant dans le mécanisme ou la séquence de réactions se soldant en une CT pourraient en faciliter la compréhension, a été émise au moyen d'une démarche en cours permettant d’établir le profil des modifications métaboliques qui surviennent en de telles situations. Cette approche a été utilisée pour constater les changements métaboliques survenus au niveau du foyer cérébral dans un modèle de rats déficients en thiamine (rats DT), particulièrement au niveau du thalamus et du colliculus inférieur (CI). La greffe de CSPN a quant à elle été envisagée afin d’apporter de nouvelles informations sur la participation des CSPN lors d’un épisode de CT et de déterminer les bénéfices thérapeutiques potentiels offerts par cette intervention. Les sujets de l’étude étaient répartis en quatre groupes expérimentaux : un premier groupe constitué de rats dont la CT était induite par la pyrithiamine (rats DTiP), un deuxième groupe constitué de rats-contrôles nourris ensemble (« pair-fed control rats » ou rats PFC) ainsi que deux groupes de rats ayant subi une greffe de CSPN, soit un groupe de rats DTiP greffés et un dernier groupe constitué de rats-contrôles (rats PFC) greffés. Les échantillons de foyers cérébraux (thalamus et CI) des quatre groupes de rats ont été prélevés et soumis à des analyses métabolomiques non ciblées ainsi qu’à une analyse visuelle par microscopie à balayage électronique (SEM). Une variété de métabolites-clés a été observée chez les groupes de rats déficients en thiamine (rats DTiP) en plus de plusieurs métabolites dont la documentation ne faisait pas mention. On a notamment constaté la présence d’acides biliaires, d’acide cynurénique et d’acide 1,9— diméthylurique dans le thalamus, alors que la présence de taurine et de carnosine a été observée dans le colliculus inférieur. L’étude a de plus démontré une possible implication des CSPN endogènes dans les foyers cérébraux du thalamus et du colliculus inférieur en identifiant les métabolites-clés ciblant les CSPN. Enfin, les analyses par SEM ont montré une amélioration notable des tissus à la suite de la greffe de CSPN. Ces constatations suggèrent que l’utilisation de CSPN pourrait s’avérer une avenue thérapeutique intéressante pour soulager la dégénérescence symptomatique liée à une grave carence en thiamine chez l’humain.

Implications physiopathologiques de la Nestine lors du remodelage pulmonaire et cardiaque à la suite de l’infarctus du myocarde, du diabète et de l’hypertension pulmonaire

Il est reconnu que la protéine filamenteuse intermédiaire Nestine est exprimée lors du processus de cicatrisation et du remodelage fibrotique. De plus, nous avons identifié l’expression de la Nestine au sein de deux populations distinctes qui sont directement impliquées dans les réponses de fibroses réparative et réactive. Ainsi, une population de cellules souches neurales progénitrices résidentes du coeur de rat adulte exprime la Nestine et a été identifiée à titre de substrat de l’angiogenèse et de la neurogenèse cardiaque. Également, la Nestine est exprimée par les myofibroblastes cicatriciels cardiaques et il a été établi que la protéine filamenteuse intermédiaire joue un rôle dans la prolifération de ces cellules. Ainsi, l’objectif général de cette thèse était de mieux comprendre les évènements cellulaires impliqués dans la réponse neurogénique des cellules souches neurales progénitrices résidentes cardiaques Nestine(+) (CSNPRCN(+)) lors de la fibrose réparative cardiaque et d’explorer si l’apparition de fibroblastes Nestine(+) est associée avec la réponse de fibrose réactive secondaire du remodelage pulmonaire. Une première publication nous a permis d’établir qu’il existe une régulation à la hausse de l’expression de la GAP43 (growth associated protein 43) et que cet événement transitoire précède l’acquisition d’un phénotype neuronal par les CSNPRCN(+) lors du processus de cicatrisation cardiaque chez le rat ayant subi un infarctus du myocarde. De plus, la surimposition de la condition diabétique de type 1, via l’injection unique de Streptozotocine chez le rat, abolit la réponse neurogénique des CSNPRCN(+), qui est normalement induite à la suite de l’ischémie cardiaque ou de l’administration de 6-hydroxydopamine. Le second article a démontré que le développement aigu de la fibrose pulmonaire secondaire de l’infarctus du myocarde chez le rat est associé avec une augmentation de l’expression protéique de la Nestine et de l’apparition de myofibroblastes pulmonaires Nestine(+). Également, le traitement de fibroblastes pulmonaires avec des facteurs de croissances peptidiques pro-fibrotiques a augmenté l’expression de la Nestine par ces cellules. Enfin, le développement initial de la condition diabétique de type 1 chez le rat est associé avec une absence de fibrose réactive pulmonaire et à une réduction significative des niveaux protéiques et d’ARN messager de la Nestine pulmonaire. Finalement, la troisième étude représentait quant à elle un prolongement de la deuxième étude et a alors examiné le remodelage pulmonaire chronique chez un modèle établi d’hypertension pulmonaire. Ainsi, les poumons de rats adultes mâles soumis à l’hypoxie hypobarique durant 3 semaines présentent un remodelage vasculaire, une fibrose réactive et une augmentation des niveaux d’ARN messager et de la protéine Nestine. De plus, nos résultats ont démontré que la Nestine, plutôt que l’alpha-actine du muscle lisse, est un marqueur plus approprié des diverses populations de fibroblastes pulmonaires activés. Également, nos données suggèrent que les fibroblastes pulmonaires activés proviendraient en partie de fibroblastes résidents, ainsi que des processus de transition épithélio-mésenchymateuse et de transition endothélio-mésenchymateuse. Collectivement, ces études ont démontré que des populations distinctes de cellules Nestine(+) jouent un rôle majeur dans la fibrose réparative cardiaque et la fibrose réactive pulmonaire.

Over expression of Plk1 does not induce cell division in rat cardiac myocytes in vitro

BACKGROUND: Mammalian cardiac myocytes withdraw from the cell cycle during post-natal development, resulting in a non-proliferating, fully differentiated adult phenotype that is unable to repair damage to the myocardium, such as occurs following a myocardial infarction. We and others previously have shown that forced expression of certain cell cycle molecules in adult cardiac myocytes can promote cell cycle progression and division in these cells. The mitotic serine/threonine kinase, Polo-like kinase-1 (Plk1), is known to phosphorylate and activate a number of mitotic targets, including Cdc2/Cyclin B1, and to promote cell division. PRINCIPAL FINDINGS: The mammalian Plk family are all differentially regulated during the development of rat cardiac myocytes, with Plk1 showing the most dramatic decrease in both mRNA, protein and activity in the adult. We determined the potential of Plk1 to induce cell cycle progression and division in cultured rat cardiac myocytes. A persistent and progressive loss of Plk1 expression was observed during myocyte development that correlated with the withdrawal of adult rat cardiac myocytes from the cell cycle. Interestingly, when Plk1 was over-expressed in cardiac myocytes by adenovirus infection, it was not able to promote cell cycle progression, as determined by cell number and percent binucleation. CONCLUSIONS: We conclude that, in contrast to Cdc2/Cyclin B1 over-expression, the forced expression of Plk1 in adult cardiac myocytes is not sufficient to induce cell division and myocardial repair.

Understanding post-operative temperature drop in cardiac surgery: a mathematical model

A mathematical model is presented to understand heat transfer processes during the cooling and re-warming of patients during cardiac surgery. Our compartmental model is able to account for many of the qualitative features observed in the cooling of various regions of the body including the central core containing the majority of organs, the rectal region containing the intestines and the outer peripheral region of skin and muscle. In particular, we focus on the issue of afterdrop: a drop in core temperature following patient re-warming, which can lead to serious post-operative complications. Model results for a typical cooling and re-warming procedure during surgery are in qualitative agreement with experimental data in producing the afterdrop effect and the observed dynamical variation in temperature between the core, rectal and peripheral regions. The influence of heat transfer processes and the volume of each compartmental region on the afterdrop effect is discussed. We find that excess fat on the peripheral and rectal regions leads to an increase in the afterdrop effect. Our model predicts that, by allowing constant re-warming after the core temperature has been raised, the afterdrop effect will be reduced.

Inhibition of E2F abrogates the development of cardiac myocyte hypertrophy

Growth of the post- natal mammalian heart occurs primarily by cardiac myocyte hypertrophy. Previously, we and others have shown that a partial re- activation of the cell cycle machinery occurs in myocytes undergoing hypertrophy such that cells progress through the G(1)/ S transition. In this study, we have examined the regulation of the E2F family of transcription factors that are crucial for the G(1)/ S phase transition during normal cardiac development and the development of myocyte hypertrophy in the rat. Thus, mRNA and protein levels of E2F- 1, 3, and 4 and DP- 1 and DP- 2 were down- regulated during development to undetectable levels in adult myocytes. Interestingly, E2F- 5 protein levels were substantially up- regulated during development. In contrast, an induction of E2F- 1, 3, and 4 and the DP- 1 protein was observed during the development of myocyte hypertrophy in neonatal myocytes treated with serum or phenylephrine, whereas the protein levels of E2F- 5 were decreased with serum stimulation. E2F activity, as measured by a cyclin E promoter luciferase assay and E2F- DNA binding activity, increased significantly during the development of hypertrophy with serum and phenylephrine compared with non- stimulated cells. Inhibiting E2F activity with a specific peptide that blocks E2F- DP heterodimerization prevented the induction of hypertrophic markers ( atrial natriuretic factor and brain natriuretic peptide) in response to serum and phenylephrine, reduced the increase in myocyte size, and inhibited protein synthesis in stimulated cells. Thus, we have shown that the inhibition of E2F function prevents the development of hypertrophy. Targeting E2F function might be a useful approach for treating diseases that cause pathophysiological hypertrophic growth.

Peroxynitrite-modified collagen-II induces p38/ERK and NF-kappa B-dependent synthesis of prostaglandin E-2 and nitric oxide in chondrogenically differentiated mesenchyrnal progenitor cells

Objective: Peroxynitrite (ONOO-) is formed in the inflamed and degenerating human joint. Peroxynitrite-modified collagen-II (PMC-II) was recently discovered in the serum of patients with osteoarthritis (OA) and rheumatoid arthritis (RA). Therefore we investigated the cellular effects of PMC-II on human mesenchymal progenitor cells (MPCs) as a model of cartilage and cartilage repair cells in the inflamed and degenerating joint. Design: MPCs were isolated from the trabecular bone of patients undergoing reconstructive surgery and were differentiated into a chondrogenic lineage. Cells were exposed to PMC-II and levels of the proinflammatory mediators nitric oxide (NO) and prostaglandin E-2 (PGE(2)) measured. Levels of inducible nitric oxide synthase (iNOS) and cyclooxygenase-2 (COX-2), phosphorylated mitogen activated protein kinases (MAPKs) and nuclear factor kappa B (NF-kappa B) activation were measured by enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) together with specific MAPK and NF-kappa B inhibitors. Results: PMC-II induced NO and PGE(2) synthesis through upregulation of iNOS and COX-2 proteins. PMC-II also lead to the phosphorylation of MAPKs, extracellularly regulated kinase 1/2 (ERK1/2) and p38 [but not c-Jun NH2-terminal kinase (JNK1/2)] and the activation of proinflammatory transcription factor NF-kappa B. Inhibitors of p38, ERK1/2 and NF-kappa B prevented PMC-II induced NO and PGE(2) synthesis, NOS and COX-2 protein expression and NF-kappa B activation. Conclusion: iNOS, COX-2, NF-KB and MAPK are known to be activated in the joints of patients with OA and RA. PMC-II induced iNOS and COX-2 synthesis through p38, ERK1/2 and NF-KB dependent pathways suggesting a previously unidentified pathway for the synthesis of the proinflammatory mediators, NO and PGE(2), further suggesting that inhibitors of these pathways may be therapeutic in the inflamed and degenerating human joint. (c) 2005 OsteoArthritis Research Society International. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

The effects of paeonol on the electrophysiological properties of cardiac ventricular myocytes

Previous studies have shown that "Mudanpi", a Chinese herbal medicine, has a significant cardioprotective effect against myocardial ischaemia. Based on these findings we hypothesised that paeonol, the main component of Mudanpi, might have an effect on the cellular electrophysiology of cardiac ventricular myocytes. The effects of paeonol on the action potential and ion channels of cardiac ventricular myocytes were studied using the standard whole-cell configuration of the patch-clamp technique. Ventricular myocytes were isolated from the hearts of adult guinea-pig by enzymic dispersion. The myocytes were continuously perfused with various experimental solutions at room temperature and paeonol applied in the perfusate. Action potentials and membrane currents were recorded using both current and voltage clamp modes of the patch-clamp technique. Paeonol, at concentrations 160 mu M and 640 mu M, decreased the action potential upstroke phase, an action associated with the blockade of the voltage-gated, fast sodium channel. The effects of paeonol on both action potential and Na+ current were concentration dependent. Paeonol had a high affinity for inactivated sodium channels. Paeonol also shortened the action potential duration, in a manner not associated with the blockade of the calcium current, or the enhancement of potassium currents. These findings suggest that paeonol, and therefore Mudanpi, may possess antiarrhythmic activity, which may confer its cardioprotective effects. (c) 2006 Elsevier B.V All rights reserved.

Altered expression of cell cycle proteins and prolonged duration of cardiac myocyte hyperplasia in p27KIP1 knockout mice

The precise role of cell cycle-dependent molecules in controlling the switch from cardiac myocyte hyperplasia to hypertrophy remains to be determined. We report that loss of p27(KIP1) in the mouse results in a significant increase in heart size and in the total number of cardiac myocytes. In comparison to p27(KIP1)+/+ myocytes, the percentage of neonatal p27(KIP1)-/- myocytes in S phase was increased significantly, concomitant with a significant decrease in the percentage of G(0)/G(1) cells. The expressions of proliferating cell nuclear antigen, G(1)/S and G(2)/M phase-acting cyclins, and cyclin-dependent kinases (CDKs) were upregulated significantly in ventricular tissue obtained from early neonatal p27(KIP1)-/- mice, concomitant with a substantial decrease in the expressions of G(1) phase-acting cyclins and CDKs. Furthermore, mRNA expressions of the embryonic genes atrial natriuretic factor and alpha-skeletal actin were detectable at significant levels in neonatal and adult p27(KIP1)-/- mouse hearts but were undetectable in p27(KIP1)+/+ hearts. In addition, loss of p27(KIP1) was not compensated for by the upregulation of other CDK inhibitors. Thus, the loss of p27(KIP1) results in prolonged proliferation of the mouse cardiac myocyte and perturbation of myocyte hypertrophy.

Differential changes in transforming growth factor β isoform expression during postnatal cardiac growth

Transforming growth factor-β (TGF-β) is synthesised as an inactive precursor protein; this is cleaved to produce the mature peptide and a latency associated protein (LAP), which remains associated with the mature peptide until activation by LAP degradation. Isoform specific antibodies raised against the LAPs for TGF-β2and -β3were used to determine the myocardial levels of LAP (activatable TGF-β) and full length precursor (inactive TGF-β) forms during post-natal development in the rat. TGF-β2was present predominantly as the precursor in 2 day old myocardium. There was an age-dependent shift from precursor protein to LAP between 2 and 28 days. A corresponding increase in the level of mature (activatable) TGF-β2was found. TGF-β3was detected in significant quantities only as LAP. However, a four-fold increase in the expression of TGF-β3LAP was observed between 2 and 28 days. The substantial increases in activatable forms of TGF-β2and -β3that occur in myocardium during the first 28 days of life in the rat support a role for these proteins in post-natal cardiac development.

Cardiac Na+/H+ exchanger during post-natal development in the rat: Changes in mRNA expression and sarcolemmal activity

We examined Na+–H+exchanger isoform 1 (NHE-1) mRNA expression in ventricular myocardium and its correlation with sarcolemmal NHE activity in isolated ventricular myocytes, during postnatal development in the rat. The expression of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) mRNA did not change in ventricular myocardium between 2 and 42 days after birth. Therefore, at seven time points within that age range, GAPDH expression was used to normalize NHE-1 mRNA levels, as determined by reverse transcription polymerase chain reaction analysis. There was a progressive five-fold reduction in NHE-1 mRNA expression in ventricular myocardium from 2 days to 42 days of age. As an index of NHE activity, acid efflux rates (JH) were determined in single neonatal (2–4-day-old) and adult (42-day-old) ventricular myocytes (n=16/group) loaded with the pH fluoroprobe carboxy-seminaphthorhodafluor-1. In HEPES-buffered medium, basal intracellular pH (pHi) was similar at 7.28±0.02 in neonatal and 7.31±0.02 in adult myocytes, but intrinsic buffering power was lower in the former age group. The rate at which pHirecovered from a similar acid load was significantly greater in neonatal than in adult myocytes (0.36±0.07v0.16±0.02 pH units/min at pHi=6.8). This was reflected by a significantly greaterJH(22±4v9±1 pmol/cm2/s at pHi=6.8), indicating greater sarcolemmal NHE activity in neonatal myocytes. The concomitant reductions in tissue NHE-1 mRNA expression and sarcolemmal NHE activity suggest that myocardial NHE-1 is subject to regulation at the mRNA level during postnatal development.

Arresting developments in the cardiac myocyte cell cycle: Role of cyclin-dependent kinase inhibitors

Like most other cells in the body, foetal and neonatal cardiac myocytes are able to divide and proliferate. However, the ability of these cells to undergo cell division decreases progressively during development such that adult myocytes are unable to divide. A major problem arising from this inability of adult cardiac myocytes to proliferate is that the mature heart is unable to regenerate new myocardial tissue following severe injury, e.g. infarction, which can lead to compromised cardiac pump function and even death. Studies in proliferating cells have identified a group of genes and proteins that controls cell division. These proteins include cyclins, cyclin-dependent kinases (CDKs) and CDK inhibitors (CDKIs), which interact with each other to form complexes that are essential for controlling normal cell cycle progression. A variety of other proteins, e.g. the retinoblastoma protein (pRb) and members of the E2F family of transcription factors, also can interact with, and modulate the activities of, these complexes. Despite the major role that these proteins play in other cell types, little was known until recently about their existence and activities in immature (proliferating) or mature (non-proliferating) cardiac myocytes. The reason(s) why cardiac myocytes lose their ability to divide during development remains unknown, but if strategies were developed to understand the mechanisms underlying cardiac myocyte growth, it could open up new avenues for the treatment of cardiovascular disease. In this article, we shall review the function of the cell cycle machinery and outline some of our recent findings pertaining to the involvement of the cell cycle in modulating cardiac myocyte growth and hypertrophy.