CARDIAC AND MUSCLE CHANNELOPATHIES: ROLES AND REGULATION OF VOLTAGE-GATED SODIUM CHANNELS

Abstract :The contraction of the heart or skeletal muscles is mainly due to the propagation, through excitable cells, of an electrical influx called action potential (AP). The AP results from the sequential opening of ion channels that generate inward or outward currents through the cell membrane. Among all the channels involved, the voltage-gated sodium channel is responsible for the rising phase of the action potential. Ten genes encode the different isoforms of these channels (from Nav1.1 to Nav1.9 and an atypical channel named NavX). Nav1.4 and Nav1.5 are the main skeletal muscle and cardiac sodium channels respectively. Their importance for muscle and heart function has been highlighted by the description of mutations in their encoding genes SCN4A and SCNSA. They lead respectively to neuromuscular disorders such as myotonia or paralysis (for Nav1.4), and to cardiac arrhythmias that can deteriorate into sudden cardiac death (for Nav1.5).The general aim of my PhD work has been to study diseases linked with channels dysfunction, also called channelopathies. In that purpose, I investigated the function and the regulation of the muscle and cardiac voltage-gated sodium channels. During the two first studies, I characterized the effects of two mutations affecting Nav1.4 and Nav1.5 function. I used the HEK293 model cells to express wild-type or mutant channels and then studied their biophysical properties with the patch-clamp technique, in whole cell configuration. We found that the SCN4A mutation produced complex alterations of the muscle sodium channel function, that could explain the myotonic phenotype described in patients carrying the mutation. In the second study, the index case was an heterozygous carrier of a SCNSA mutation that leads to a "loss of function" of the channel. The decreased sodium current measured with mutated Nay 1.5 channels, at physiological temperature, was a one of the factors that could explain the observed Brugada syndrome. The last project aimed at identifying a new potential protein interacting with the cardiac sodium channel. We found that the protein SAP97 binds the three last amino-acids of the C-terminus of Na,, 1.5. Our results also indicated that silencing the expression of SAP97 in HEK293 cells decreased the sodium current. Sodium channels lacking their three last residues also produced a reduced INa. These preliminary results suggest that SAP97 is implicated in the regulation of sodium channel. Whether this effect is direct or imply the action of an adaptor protein remains to be investigated. Moreover, our group has previously shown that Nav1.5 channels are localized to lateral membranes of cardiomyocytes by the dystrophin multiprotein complex (DMC). This suggests that sodium channels are distributed in, at least, two different pools: one targeted at lateral membranes by DMC and the other at intercalated discs by another protein such as SAP97.These studies reveal that cardiac and muscle diseases may result from ion channel mutations but also from regulatory proteins affecting their regulation.Résumé :La contraction des muscles et du coeur est principalement due à la propagation, à travers les cellules excitables, d'un stimulus électrique appelé potentiel d'action (PA). C'est l'ouverture séquentielle de plusieurs canaux ioniques transmembranaires, permettant l'entrée ou la sortie d'ions dans la cellule, qui est à l'origine de ce PA. Parmi tous les canaux ioniques impliqués dans ce processus, les canaux sodiques dépendant du voltage sont responsables de la première phase du potentiel d'action. Les différentes isoformes de ces canaux (de Nav1.1 à Nav1.9 et NavX) sont codées par dix gènes distincts. Nav1.4 et Nav1.5 sont les principaux variants exprimés respectivement dans le muscle et le coeur. Plusieurs mutations ont été décrites dans les gènes qui codent pour ces deux canaux: SCN4A (pour Nav1.4) et SCNSA (pour Nav1.5). Elles sont impliquées dans des pathologies neuromusculaires telles que des paralysies ou myotonies (SCN4A) ou des arythmies cardiaques pouvant conduire à la mort subite cardiaque (SCNSA).Mon travail de thèse a consisté à étudier les maladies liées aux dysfonctionnements de ces canaux, aussi appelées canalopathies. J'ai ainsi analysé la fonction et la régulation des canaux sodiques dépendant du voltage dans le muscle squelettique et le coeur. A travers les deux premières études, j'ai ainsi pu examiner les conséquences de deux mutations affectant respectivement les canaux Nav1.4 et Nav1.5. Les canaux sauvages ou mutants ont été exprimés dans des cellules HEK293 afin de caractériser leurs propriétés biophysiques par la technique du patch clamp en configuration cellule entière. Nous avons pu déterminer que la mutation trouvée dans le gène SCN4A engendrait des modifications importantes de la fonction du canal musculaire. Ces altérations fournissent des indications nous permettant d'expliquer certains aspects de la myotonie observée chez les membres de la famille étudiée. Le patient présenté dans la deuxième étude était hétérozygote pour la mutation identifiée dans le gène SCNSA. La perte de fonction des canaux Nav1.5 ainsi engendrée, a été observée lors d'analyses à températures physiologiques. Elle représente l'un des éléments pouvant potentiellement expliquer le syndrome de Brugada du patient. La dernière étude a consisté à identifier une nouvelle protéine impliquée dans la régulation du canal sodique cardiaque. Nos expériences ont démontré que les trois derniers acides aminés de la partie C-terminale de Nav1.5 pouvaient interagir avec la protéine SAP97. Lorsque que l'expression de la SAP97 est réduite dans les cellules HEK293, cela induit une baisse importante du courant sodique. De même, les canaux tronqués de leurs trois derniers acides aminés génèrent un flux ionique réduit. Ces résultats préliminaires suggèrent que SAP97 est peut-être impliquée dans la régulation du canal Na,,1.5. Des expériences complémentaires permettront de déterminer si ces deux protéines interagissent directement ou si une protéine adaptatrice est nécessaire. De plus, nous avons préalablement montré que les canaux Nav1.5 étaient localisés au niveau de la membrane latérale des cardiomyocytes par le complexe multiprotéique de la dystrophine (DMC). Ceci suggère que les canaux sodiques peuvent être distribués dans un minimum de deux pools, l'un ciblé aux membranes latérales pax le DMC et l'autre dirigé vers les disques intercalaires par des protéines telles que SAP97.L'ensemble de ces études met en évidence que certaines maladies musculaires et cardiaques peuvent être la conséquence directe de mutations de canaux ioniques, mais que l'action de protéines auxiliaires peut aussi affecter leur fonction.

Intermittent atrial tachycardia facilitates atrial fibrillation by a shortening of activation recovery interval

Introduction: We recently observed in a chronic ovine model that a shortening of action potential duration (APD) as assessed by the activation recovery interval (ARI) may be a mechanism whereby pacing-induced atrial tachycardia (PIAT) facilitates atrial fibrillation (AF), mediated by a return to 1:1 atrial capture after the effective refractory period has been reached. The aim of the present study is to evaluate the effect of long term intermittent burst pacing on ARI before induction of AF.Methods: We specifically developed a chronic ovine model of PIAT using two pacemakers (PM) each with a right atrial (RA) lead separated by ∼2cm. The 1st PM (Vitatron T70) was used to record a broadband unipolar RA EGM (800 Hz, 0.4 Hz high pass filter). The 2nd was used to deliver PIAT during electrophysiological protocols at decremental pacing CL (400 beats, from 400 to 110ms) and long term intermittent RA burst pacing to promote electrical remodeling (5s of burst followed by 2s of sinus rhythm) until onset of sustained AF. ARI was defined as the time difference between the peak of the atrial repolarization wave and the first atrial depolarization. The mean ARIs of paired sequences (before and after remodeling), each consisting of 20 beats were compared.Results: As shown in the figure, ARIs (n=4 sheep, 46 recordings) decreased post remodeling compared to baseline (86±19 vs 103±12 ms, p<0.05). There was no difference in atrial structure as assessed by light microscopy between control and remodeled sheep.Conclusions: Using standard pacemaker technology, atrial ARIs as a surrogate of APDs were successfully measured in vivo during the electrical remodeling process leading to AF. The facilitation of AF by PIAT mimicking salvos from pulmonary veins is heralded by a significant shortening of ARI.

β-Adrenergic modulation of skeletal muscle contraction: key role of excitation-contraction coupling.

Our aim is to describe the acute effects of catecholamines/β-adrenergic agonists on contraction of non-fatigued skeletal muscle in animals and humans, and explain the mechanisms involved. Adrenaline/β-agonists (0.1-30 μm) generally augment peak force across animal species (positive inotropic effect) and abbreviate relaxation of slow-twitch muscles (positive lusitropic effect). A peak force reduction also occurs in slow-twitch muscles in some conditions. β2 -Adrenoceptor stimulation activates distinct cyclic AMP-dependent protein kinases to phosphorylate multiple target proteins. β-Agonists modulate sarcolemmal processes (increased resting membrane potential and action potential amplitude) via enhanced Na(+) -K(+) pump and Na(+) -K(+) -2Cl(-) cotransporter function, but this does not increase force. Myofibrillar Ca(2+) sensitivity and maximum Ca(2+) -activated force are unchanged. All force potentiation involves amplified myoplasmic Ca(2+) transients consequent to increased Ca(2+) release from sarcoplasmic reticulum (SR). This unequivocally requires phosphorylation of SR Ca(2+) release channels/ryanodine receptors (RyR1) which sensitize the Ca(2+) -induced Ca(2+) release mechanism. Enhanced trans-sarcolemmal Ca(2+) influx through phosphorylated voltage-activated Ca(2+) channels contributes to force potentiation in diaphragm and amphibian muscle, but not mammalian limb muscle. Phosphorylation of phospholamban increases SR Ca(2+) pump activity in slow-twitch fibres but does not augment force; this process accelerates relaxation and may depress force. Greater Ca(2+) loading of SR may assist force potentiation in fast-twitch muscle. Some human studies show no significant force potentiation which appears to be related to the β-agonist concentration used. Indeed high-dose β-agonists (∼0.1 μm) enhance SR Ca(2+) -release rates, maximum voluntary contraction strength and peak Wingate power in trained humans. The combined findings can explain how adrenaline/β-agonists influence muscle performance during exercise/stress in humans.

Post-translational modifications of voltage-gated sodium channels in chronic pain syndromes.

In the peripheral sensory nervous system the neuronal expression of voltage-gated sodium channels (Navs) is very important for the transmission of nociceptive information since they give rise to the upstroke of the action potential (AP). Navs are composed of nine different isoforms with distinct biophysical properties. Studying the mutations associated with the increase or absence of pain sensitivity in humans, as well as other expression studies, have highlighted Nav1.7, Nav1.8, and Nav1.9 as being the most important contributors to the control of nociceptive neuronal electrogenesis. Modulating their expression and/or function can impact the shape of the AP and consequently modify nociceptive transmission, a process that is observed in persistent pain conditions. Post-translational modification (PTM) of Navs is a well-known process that modifies their expression and function. In chronic pain syndromes, the release of inflammatory molecules into the direct environment of dorsal root ganglia (DRG) sensory neurons leads to an abnormal activation of enzymes that induce Navs PTM. The addition of small molecules, i.e., peptides, phosphoryl groups, ubiquitin moieties and/or carbohydrates, can modify the function of Navs in two different ways: via direct physical interference with Nav gating, or via the control of Nav trafficking. Both mechanisms have a profound impact on neuronal excitability. In this review we will discuss the role of Protein Kinase A, B, and C, Mitogen Activated Protein Kinases and Ca++/Calmodulin-dependent Kinase II in peripheral chronic pain syndromes. We will also discuss more recent findings that the ubiquitination of Nav1.7 by Nedd4-2 and the effect of methylglyoxal on Nav1.8 are also implicated in the development of experimental neuropathic pain. We will address the potential roles of other PTMs in chronic pain and highlight the need for further investigation of PTMs of Navs in order to develop new pharmacological tools to alleviate pain.

Serotonergic neurons in the caudal raphe nuclei discharge in association with activity of masticatory muscles

There is a dense serotonergic projection from nucleus raphe pallidus and nucleus raphe obscurus to the trigeminal motor nucleus and serotonin exerts a strong facilitatory action on the trigeminal motoneurons. Some serotonergic neurons in these caudal raphe nuclei increase their discharge during feeding. The objective of the present study was to investigate the possibility that the activity of these serotonergic neurons is related to activity of masticatory muscles. Cats were implanted with microelectrodes and gross electrodes. Caudal raphe single neuron activity, electrocorticographic activity, and splenius, digastric and masseter electromyographic activities were recorded during active behaviors (feeding and grooming), during quiet waking and during sleep. Seven presumed serotonergic neurons were identified. These neurons showed a long duration action potential (>2.0 ms), and discharged slowly (2-7 Hz) and very regularly (interspike interval coefficient of variation <0.3) during quiet waking. The activity of these neurons decreased remarkably during fast wave sleep (78-100%). Six of these neurons showed tonic changes in their activity positively related to digastric and/or masseter muscle activity but not to splenius muscle activity during waking. These data are consistent with the hypothesis that serotonergic neurons in the caudal raphe nuclei play an important role in the control of jaw movements

A fucan from the brown seaweed Spatoglossum schröederi inhibits Chinese hamster ovary cell adhesion to several extracellular matrix proteins

Fucans, a family of sulfated polysaccharides present in brown seaweed, have several biological activities. Their use as drugs would offer the advantage of no potential risk of contamination with viruses or particles such as prions. A fucan prepared from Spatoglossum schröederi was tested as a possible inhibitor of cell-matrix interactions using wild-type Chinese hamster ovary cells (CHO-K1) and the mutant type deficient in xylosyltransferase (CHO-745). The effect of this polymer on adhesion properties with specific extracellular matrix components was studied using several matrix proteins as substrates for cell attachment. Treatment with the polymer inhibited the adhesion of fibronectin to both CHO-K1 (2 x 10(5))()and CHO-745 (2 x 10(5) and 5 x 10(5)) cells. No effect was detected with laminin, using the two cell types. On the other hand, adhesion to vitronectin was inhibited in CHO-K1 cells and adhesion to type I collagen was inhibited in CHO-745 cells. In spite of this inhibition, the fucan did not affect either cell proliferation or cell cycle. These results demonstrate that this polymer is a new anti-adhesive compound with potential pharmacological applications.

Effects of hypertonic sodium chloride solution on the electrophysiologic alterations caused by bupivacaine in the dog heart

The effects of various hypertonic solutions on the intraventricular conduction, ventricular repolarization and the arrhythmias caused by the intravenous (iv) injection of bupivacaine (6.5 mg/kg) were studied in sodium pentobarbital-anesthetized mongrel dogs. Hypertonic solutions, given iv 5 min before bupivacaine, were 7.5% (w/v) NaCl, 5.4% (w/v) LiCl, 50% (w/v) glucose (2,400 mOsm/l, 5 ml/kg), or 20% (w/v) mannitol (1,200 mOsm/l, 10 ml/kg). Bupivacaine induced severe arrhythmias and ventricular conduction and repolarization disturbances, as reflected by significant increases in QRS complex duration, HV interval, IV interval and monophasic action potential duration, as well as severe hemodynamic impairment. Significant prevention against ventricular electrophysiologic and hemodynamic disturbances and ventricular arrhythmias was observed with 7.5% NaCl (percent increase in QRS complex duration: 164.4 ± 21.8% in the non-pretreated group vs 74.7 ± 14.1% in the pretreated group, P<0.05; percent increase in HV interval: 131.4 ± 16.1% in the non-pretreated group vs 58.2 ± 7.5% in the pretreated group, P<0.05; percent increase in monophasic action potential duration: 22.7 ± 6.8% in the non-pretreated group vs 9.8 ± 6.3% in the pretreated group, P<0.05; percent decrease in cardiac index: -46 ± 6% in the non-pretreated group vs -28 ± 5% in the pretreated group, P<0.05). The other three hypertonic solutions were ineffective. These findings suggest an involvement of sodium ions in the mechanism of hypertonic protection.

Inotropic effect of Citrus sinensis (L.) Osbeck leaf extracts on the guinea pig atrium

The objective of the present investigation was to determine the contractile effect of crude and acetone leaf extracts of Citrus sinensis (L.) Osb. on mammalian myocardium. Crude leaf extracts have been used in folk medicine to treat neurological disorders. Some flavonoids isolated from this plant presented a positive inotropic effect on myocardium. This motivated us to test the extracts on the atria of guinea pigs of both sexes (300-500 g) and surprisingly we observed inotropic depression instead of an increase in force. The maximum effect of the crude extract was 79.4 ± 8.1% of the control force amplitude (N = 5 hearts, 10 trials, 27 ± 0.1ºC, stimulus: 2 Hz, 400 V, 0.5 ms). The EC50 for crude, ethanol, acetic, aqueous, and acetone extracts was 300, 300, 600, 1000, and 140 µg/ml, respectively, with a Hill constant of 1.8, 2.0, 2.5, 2.0, and 1.4, respectively. Blockade of cholinergic, beta-adrenergic, or opioid membrane receptors with 1.5 µM atropine sulfate, 1 µM propranolol, and 10 µM naloxone, respectively, did not change the effect of the crude extract. The acetone extract abolished the Bowditch positive staircase phenomenon (N = 5 hearts, 10 trials, 27 ± 0.1ºC), suggesting a possible reduction of the calcium inward current, and also promoted the so-called Woodworth phenomenon. The effect was concentration-dependent and indicated the existence of another inhibitory contractile mechanism such as the simultaneous activation of some of the membrane potassium channels reducing the myocardial action potential duration and further decreasing the cellular calcium entry.

Synaptic vesicle pool size, release probability and synaptic depression are sensitive to Ca2+ buffering capacity in the developing rat calyx of Held

The calyx of Held, a specialized synaptic terminal in the medial nucleus of the trapezoid body, undergoes a series of changes during postnatal development that prepares this synapse for reliable high frequency firing. These changes reduce short-term synaptic depression during tetanic stimulation and thereby prevent action potential failures during a stimulus train. We measured presynaptic membrane capacitance changes in calyces from young postnatal day 5-7 (p5-7) or older (p10-12) rat pups to examine the effect of calcium buffer capacity on vesicle pool size and the efficiency of exocytosis. Vesicle pool size was sensitive to the choice and concentration of exogenous Ca2+ buffer, and this sensitivity was much stronger in younger animals. Pool size and exocytosis efficiency in p5-7 calyces were depressed by 0.2 mM EGTA to a greater extent than with 0.05 mM BAPTA, even though BAPTA is a 100-fold faster Ca2+ buffer. However, this was not the case for p10-12 calyces. With 5 mM EGTA, exocytosis efficiency was reduced to a much larger extent in young calyces compared to older calyces. Depression of exocytosis using pairs of 10-ms depolarizations was reduced by 0.2 mM EGTA compared to 0.05 mM BAPTA to a similar extent in both age groups. These results indicate a developmentally regulated heterogeneity in the sensitivity of different vesicle pools to Ca2+ buffer capacity. We propose that, during development, a population of vesicles that are tightly coupled to Ca2+ channels expands at the expense of vesicles more distant from Ca2+ channels.

Myocardial remodeling and bioelectric changes in tachycardia-induced heart failure in dogs

In this study, electrical and structural remodeling of ventricles was examined in tachycardia-induced heart failure (HF). We studied two groups of weight-matched adult male mongrel dogs: a sham-operated control group (n=5) and a pacing group (n=5) that underwent ventricular pacing at 230 bpm for 3 weeks. Clinical symptoms of congestive HF were observed in both groups. Their hemodynamic parameters were determined and the severity of the HF was evaluated by M-mode echocardiography. Changes in heart morphology were observed by scanning electron and light microscopy. Ventricular action potential duration (APD), as well as the 50 and 90% APD were measured in both groups. All dogs exhibited clinical symptoms of congestive HF after rapid right ventricular pacing for 3 weeks. These data indicate that rapid, right ventricular pacing produces a useful experimental model of low-output HF in dogs, characterized by biventricular pump dysfunction, biventricular cardiac dilation, and non-ischemic impairment of left ventricular contractility. Electrical and structural myocardial remodeling play an essential role in congestive HF progression, and should thus be prevented.

Estragole blocks neuronal excitability by direct inhibition of Na+ channels

Estragole is a volatile terpenoid, which occurs naturally as a constituent of the essential oils of many plants. It has several pharmacological and biological activities. The objective of the present study was to investigate the mechanism of action of estragole on neuronal excitability. Intact and dissociated dorsal root ganglion neurons of rats were used to record action potential and Na+ currents with intracellular and patch-clamp techniques, respectively. Estragole blocked the generation of action potentials in cells with or without inflexions on their descendant (repolarization) phase (Ninf and N0 neurons, respectively) in a concentration-dependent manner. The resting potentials and input resistances of Ninf and N0 cells were not altered by estragole (2, 4, and 6 mM). Estragole also inhibited total Na+ current and tetrodotoxin-resistant Na+ current in a concentration-dependent manner (IC50 of 3.2 and 3.6 mM, respectively). Kinetic analysis of Na+ current in the presence of 4 mM estragole showed a statistically significant reduction of fast and slow inactivation time constants, indicating an acceleration of the inactivation process. These data demonstrate that estragole blocks neuronal excitability by direct inhibition of Na+ channel conductance activation. This action of estragole is likely to be relevant to the understanding of the mechanisms of several pharmacological effects of this substance.

Base moléculaire et rôle du courant potassique transitoire I(A) des interneurones de l'hippocampe chez le rongeur

Les mécanismes cellulaires et moléculaires qui sous-tendent la mémoire et l’apprentissage chez les mammifères sont incomplètement compris. Le rythme thêta de l’hippocampe constitue l’état « en ligne » de cette structure qui est cruciale pour la mémoire déclarative. Dans la région CA1 de l’hippocampe, les interneurones inhibiteurs LM/RAD démontrent des oscillations de potentiel membranaire (OPM) intrinsèques qui pourraient se révéler importantes pour la génération du rythme thêta. Des travaux préliminaires ont suggéré que le courant K+ I(A) pourrait être impliqué dans la génération de ces oscillations. Néanmoins, peu de choses sont connues au sujet de l’identité des sous-unités protéiques principales et auxiliaires qui soutiennent le courant I(A) ainsi que l’ampleur de la contribution fonctionnelle de ce courant K+ dans les interneurones. Ainsi, cette thèse de doctorat démontre que le courant I(A) soutient la génération des OPM dans les interneurones LM/RAD et que des protéines Kv4.3 forment des canaux qui contribuent à ce courant. De plus, elle approfondit les connaissances sur les mécanismes qui régissent les interactions entre les sous-unités principales de canaux Kv4.3 et les protéines accessoires KChIP1. Finalement, elle révèle que la protéine KChIP1 module le courant I(A)-Kv4.3 natif et la fréquence de décharge des potentiels d’action dans les interneurones. Nos travaux contribuent à l’avancement des connaissances dans le domaine de la modulation de l’excitabilité des interneurones inhibiteurs de l’hippocampe et permettent ainsi de mieux saisir les mécanismes qui soutiennent la fonction de l’hippocampe et possiblement la mémoire chez les mammifères.

Remodelage électrique cardiaque dans des modèles murins de cardiomyopathies

Les cardiomyopathies sont une atteinte du myocarde qui se présente sous différentes formes telles que l’hypertrophie ou la dilatation des chambres cardiaques. Ces maladies du muscle cardiaque peuvent affecter la contraction cardiaque et dégénèrer en insuffisance cardiaque. Aussi, l’hypertrophie et l’insuffisance cardiaques sont associées à une augmentation de la morbidité et de la mortalité cardiovasculaires principalement due au remodelage électrique et à la survenue d’arythmies. De plus, le retard de repolarisation, associé à une diminution des courants K+, est un des troubles cardiaques les plus couramment observés lors de ces pathologies cardiaques. L’angiotensine II (Ang II) et la norépinéphrine, principaux effecteurs du système rénine-angiotensine et du système nerveux sympathique, peuvent tous deux agir directement sur le cœur en liant les récepteurs de type 1 de l’Ang II (AT1) et les récepteurs adrénergiques. L’Ang II et la norépinéphrine sont associées au développement des cardiomyopathies, au remodelage cardiaque et à une prolongation de la durée du potentiel d'action cardiaque. Deux modèles de souris trangéniques surexprimant spécifiquement au niveau cardiaque les récepteurs AT1 (la souris AT1R) ou les récepteurs α1B-adrénergiques (la souris α1B-AR) ont été créés afin d’étudier les effets de ces stimuli sur le cœur. Ces deux modèles de souris développent du remodelage cardiaque, soit de l’hypertrophie chez les souris AT1R (cardiomyopathie hypertrophique) ou une dilatation des chambres cardiaques chez les souris α1B-AR (cardiomyopathie dilatée). Au stade avancé de la maladie, les deux modèles de souris transgéniques sont insuffisants cardiaques. Des données préliminaires ont aussi montré que les souris AT1R et les souris α1B-AR ont une incidence accrue d’arythmies ainsi qu’une prolongation de la durée du potentiel d’action. De plus, ces deux modèles de souris meurent subitement et prématurément, ce qui laissait croire qu’en conditions pathologiques, l’activation des récepteurs AT1 ou des récepteurs α1B-adrénergiques pouvait affecter la repolarisation et causer l’apparition d’arythmies graves. Ainsi, l’objectif de ce projet était de caractériser la repolarisation ventriculaire des souris AT1R et α1B-AR afin de déterminer si la suractivation chronique des récepteurs de l’Ang II ou des récepteurs 1B-adrénergiques pouvait affecter directement les paramètres électrophysiologiques et induire des arythmies. Les résultats obtenus ont révélé que les souris AT1R et les souris α1B-AR présentent un retard de repolarisation (prolongation de l’intervalle QTc (dans l’électrocardiogramme) et de la durée du potentiel d’action) causé par une diminution des courants K+ (responsables de la repolarisation). Aussi, l’incidence d’arythmies est plus importante dans les deux groupes de souris transgéniques comparativement à leur contrôle respectif. Finalement, nous avons vu que les troubles de repolarisation se produisent également dans les groupes de souris transgéniques plus jeunes, avant l’apparition de l’hypertrophie ou du remodelage cardiaque. Ces résultats suggèrent qu’en conditions pathologiques, l’activation chronique des récepteurs de l’Ang II ou des récepteurs α1B-adrénergiques peut favoriser le développement d’arythmies en retardant la repolarisation et cela, indépendamment de changements hémodynamiques ou du remodelage cardiaque. Les résultats de ces études pourront servir à comprendre les mécanismes responsables du développement d’arythmies cardiaques lors du remodelage et de l’insuffisance cardiaques et pourraient aider à optimiser le choix des traitements chez ces patients atteints ou à risque de développer de l’hypertrophie ou du remodelage cardiaque.

The Effects of Pro-inflammatory Cytokines on the L-type Calcium Current in Mouse Ventricular Myocytes

L’inflammation: Une réponse adaptative du système immunitaire face à une insulte est aujourd’hui reconnue comme une composante essentielle à presque toutes les maladies infectieuses ou autres stimuli néfastes, tels les dommages tissulaires incluant l’infarctus du myocarde et l’insuffisance cardiaque. Dans le contexte des maladies cardiovasculaires, l’inflammation se caractérise principalement par une activation à long terme du système immunitaire, menant à une faible, mais chronique sécrétion de peptides modulateurs, appelés cytokines pro-inflammatoires. En effet, la littérature a montré à plusieurs reprises que les patients souffrant d’arythmies et de défaillance cardiaque présentent des taux élevés de cytokines pro-inflammatoires tels le facteur de nécrose tissulaire alpha (TNFα), l’interleukine 1β (IL-1β) et l’interleukine 6. De plus, ces patients souffrent souvent d’une baisse de la capacité contractile du myocarde. Le but de notre étude était donc de déterminer si un lien de cause à effet existe entre ces phénomènes et plus spécifiquement si le TNFα, l’IL-1β et l’IL-6 peuvent affecter les propriétés électriques et contractiles du cœur en modulant le courant Ca2+ de type L (ICaL) un courant ionique qui joue un rôle primordial au niveau de la phase plateau du potentiel d’action ainsi qu’au niveau du couplage excitation-contraction. Les possibles méchansimes par lesquels ces cytokines exercent leurs effets seront aussi explorés. Pour ce faire, des cardiomyocytes ventriculaires de souris nouveau-nées ont été mis en culture et traités 24 heures avec des concentrations pathophysiologiques (30 pg/mL) de TNFα, IL-1β ou IL-6. Des enregistrements de ICaL réalisés par la technique du patch-clamp en configuration cellule entière ont été obtenus par la suite et les résultats montrent que le TNFα n’affecte pas ICaL, même à des concentrations plus élevées (1 ng/mL). En revanche, l’IL-1β réduisait de près de 40% la densité d’ICaL. Afin d’examiner si le TNFα et l’IL-1β pouvaient avoir un effet synergique, les cardiomyocytes ont été traité avec un combinaison des deux cytokines. Toutefois aucun effet synergique sur ICaL n’a été constaté. En outre, l’IL-6 réduisait ICaL significativement, cependant la réduction de 20% était moindre que celle induite par IL-1β. Afin d’élucider les mécanismes sous-jacents à la réduction de ICaL après un traitement avec IL-1β, l’expression d’ARNm de CaV1.2, sous-unité α codante pour ICaL, a été mesurée par qPCR et les résultats obtenus montrent aucun changement du niveau d’expression. Plusieurs études ont montré que l’inflammation et le stress oxydatif vont de pair. En effet, l’imagerie confocale nous a permis de constater une augmentation accrue du stress oxydatif induit par IL-1β et malgré un traitement aux antioxydants, la diminution de ICaL n’a pas été prévenue. Cette étude montre qu’IL-1β et IL-6 réduisent ICaL de façon importante et ce indépendamment d’une régulation transcriptionelle ou du stress oxydatif. De nouvelles données préliminaires suggèrent que ICaL serait réduit suite à l’activation des protéines kinase C mais des études additionelles seront nécessaires afin d’étudier cette avenue. Nos résultats pourraient contribuer à expliquer les troubles du rythme et de contractilité observés chez les patients souffrant de défaillance cardiaque.

Études de type structure fonction des mutations causant l’ataxie épisodique de type I sur les canaux potassiques dépendants du voltage

Les ataxies épisodiques (EA) d’origine génétique sont un groupe de maladies possédant un phénotype et génotype hétérogènes, mais ont en commun la caractéristique d’un dysfonctionnement cérébelleux intermittent. Les EA de type 1 et 2 sont les plus largement reconnues des ataxies épisodiques autosomiques dominantes et sont causées par un dysfonctionnement des canaux ioniques voltage-dépendants dans les neurones. La présente étude se concentrera sur les mutations causant l'EA-1, retrouvées dans le senseur de voltage (VSD) de Kv1.1, un canal très proche de la famille des canaux Shaker. Nous avons caractérisé les propriétés électrophysiologiques de six mutations différentes à la position F244 et partiellement celles des mutations T284 A/M, R297 K/Q/A/H, I320T, L375F, L399I et S412 C/I dans la séquence du Shaker grâce à la technique du ‘’cut open voltage clamp’’ (COVC). Les mutations de la position F244 situées sur le S1 du canal Shaker sont caractérisées par un décalement des courbes QV et GV vers des potentiels dépolarisants et modifient le couplage fonctionnel entre le domaine VSD et le pore. Un courant de fuite est observé durant la phase d'activation des courants transitoires et peut être éliminé par l'application du 4-AP (4-aminopyridine) ou la réinsertion de l'inactivation de type N mais pas par le TEA (tétraéthylamonium). Dans le but de mieux comprendre les mécanismes moléculaires responsables de la stabilisation d’un état intermédiaire, nous avons étudié séparément la neutralisation des trois premières charges positives du S4 (R1Q, R2Q et R3Q). Il en est ressorti l’existence d’une interaction entre R2 et F244. Une seconde interface entre S1 et le pore proche de la surface extracellulaire agissant comme un second point d'ancrage et responsable des courants de fuite a été mis en lumière. Les résultats suggèrent une anomalie du fonctionnement du VSD empêchant la repolarisation normale de la membrane des cellules nerveuses affectées à la suite d'un potentiel d'action.