Population of computational rabbit-specific ventricular action potential models for investigating sources of variability in cellular repolarisation

Variability is observed at all levels of cardiac electrophysiology. Yet, the underlying causes and importance of this variability are generally unknown, and difficult to investigate with current experimental techniques. The aim of the present study was to generate populations of computational ventricular action potential models that reproduce experimentally observed intercellular variability of repolarisation (represented by action potential duration) and to identify its potential causes. A systematic exploration of the effects of simultaneously varying the magnitude of six transmembrane current conductances (transient outward, rapid and slow delayed rectifier K(+), inward rectifying K(+), L-type Ca(2+), and Na(+)/K(+) pump currents) in two rabbit-specific ventricular action potential models (Shannon et al. and Mahajan et al.) at multiple cycle lengths (400, 600, 1,000 ms) was performed. This was accomplished with distributed computing software specialised for multi-dimensional parameter sweeps and grid execution. An initial population of 15,625 parameter sets was generated for both models at each cycle length. Action potential durations of these populations were compared to experimentally derived ranges for rabbit ventricular myocytes. 1,352 parameter sets for the Shannon model and 779 parameter sets for the Mahajan model yielded action potential duration within the experimental range, demonstrating that a wide array of ionic conductance values can be used to simulate a physiological rabbit ventricular action potential. Furthermore, by using clutter-based dimension reordering, a technique that allows visualisation of multi-dimensional spaces in two dimensions, the interaction of current conductances and their relative importance to the ventricular action potential at different cycle lengths were revealed. Overall, this work represents an important step towards a better understanding of the role that variability in current conductances may play in experimentally observed intercellular variability of rabbit ventricular action potential repolarisation.

L'implication des tubules T dans la repolarisation ventriculaire chez la souris

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude des œstrogènes sur la repolarisation cardiaque et de la grossesse sur l’électrocardiographie chez la souris

Le tamoxifène, un modulateur sélectif des récepteurs oestrogéniques, est un médicament largement utilisé depuis plus de vingt ans pour le traitement et la prévention du cancer du sein. Plusieurs études ont rapporté que l’administration aiguë du tamoxifène pouvait réduire certains courants K+ cardiaques. Cette observation suggère que les femmes traitées de façon chronique avec le tamoxifène risquent d’avoir une prolongation de leur intervalle QT, favorisant ainsi le développement de torsades de pointes. Puisque in vivo, le tamoxifène est largement métabolisé et son effet est attribué à celui du 4hydroxy-tamoxifène (4OH-tamoxifène), nous avons d'abord vérifié si les effets du tamoxifène sur la repolarisation pouvaient être dus au 4OH-tamoxifène. À l'aide de la méthode de patch-clamp, nous avons étudié l’effet aigu du 4OH-tamoxifène sur les courants K+ présents au niveau ventriculaire chez la souris femelle. En premier lieu, nous avons démontré que les souris traitées avec le 4OH-tamoxifène présentaient une diminution des courants K+ comparativement aux souris intactes. Fait intéressant, le prétraitement des myocytes avec l’antagoniste des récepteurs oestrogéniques, le ICI 182,780, ou l’inhibiteur de la synthèse protéique, l'actinomycine D, n’a pas modifié les effets du 4OH-tamoxifène. Ces résultats suggéraient que les effets du 4OH-tamoxifène sur les courants potassiques ne soient pas liés à la transcription génomique et n’implique pas les récepteurs aux œstrogènes. Bien que l’administration aiguë du 4OH-tamoxifène diminue les courants K+ cardiaques, l’absence de troubles au niveau du rythme cardiaque chez les femmes traitées à long terme exclu la possibilité de conclure que le traitement chronique avec le tamoxifène augmente la durée de l’intervalle QT. L'accès à des souris femelles et des cobayes nous a permis de démontrer que contrairement au traitement en aigu, les courants et les canaux K+ cardiaques sont augmentés en chronique. Les oestrogènes associés à une diminution des courants K+ d’une part et nos résultats obtenus avec le tamoxifène d’autre part suggèrent qu’en bloquant les récepteurs oestrogéniques, le tamoxifène puisse prévenir les effets inhibiteurs des oestrogènes sur les courants K+. Cette association œstrogènes- tamoxifène- récepteurs oestrogéniques et courants K+ nous a encouragées à approfondir encore nos études et vérifier l’influence des hormones sexuelles féminines sur la repolarisation ventriculaire. Une troisième étude a été ainsi réalisée chez des souris femelles ovariectomisées et des souris déficientes en récepteurs oestrogéniques α ou β afin de vérifier le rôle des oestrogènes et des récepteurs oestrogéniques sur la repolarisation ventriculaire. Nos résultats ont révélé clairement que l’absence des oestrogènes entraîne une augmentation de la densité du courant K+ transitoire indépendant du Ca2+ (Ito) et de l’expression du canal Kv4.3 et ces effets sont médiés par les REα. Ces données soutiennent davantage notre conclusion que l’inhibition des récepteurs oestrogéniques est responsable de l’augmentation des courants/canaux K+ et suggèrent fortement qu’ils jouent un rôle dans la régulation de la repolarisation ventriculaire. Elles soulignent aussi l'importance de vérifier le statut hormonal des animaux utilisés pour des études touchant l'électrophysiologie cardiaque. Dans la dernière partie de cette thèse nous avons vérifié les effets de la grossesse et du système nerveux autonome sur les différents paramètres électrocardiographiques et plus particulièrement sur le rythme cardiaque chez la souris. Nos données ont montré que, comme chez la femme enceinte, la grossesse est associée à une augmentation du rythme cardiaque. De plus, l'augmentation des niveaux des hormones féminines pourrait affecter l’automatisme et l’activité électrique cardiaque. Ces différentes études ont augmenté les connaissances sur la régulation hormonale de l'électrophysiologie cardiaque et aideront aux avancements des recherches chez les femmes.

Altérations de la repolarisation ventriculaire induites par l’exercice dans la sténose congénitale modérée de la valve aortique

Introduction: La surcharge de pression ventriculaire augmente à l’exercice chez les patients avec une sténose de valve aortique (SVA). Lorsqu’il n’y a aucun symptôme apparent, il est cependant difficile d’indiquer l’intervention chirurgicale en utilisant seulement les indices de surcharge de pression ventriculaire. D’autres paramètres, tels que la dispersion de la repolarisation ventriculaire (d-QT), qui augmentent avec le gradient de pression transvalvulaire (GPT), n’ont pas été étudiés dans la SVA. L’objectif de l’étude était de déterminer le modèle de réponse du segment QT et de la d-QT à l’épreuve d’effort chez des enfants avec une SVA congénitale modérée afin d’évaluer l’impact de la surcharge de pression ventriculaire selon une perspective électrophysiologique. Matériel et méthodes: 15 patients SVA modérés ont été comparés à 15 sujets contrôles appariés pour l’âge (14.8±2.5 ans vs. 14.2±1.5 ans) et pour le sexe (66,7% de sujets mâles). Tous les sujets ont fait une épreuve d’effort avec enregistrement électrocardiographique à 12 dérivations. Le segment QT a été mesuré à partir du début du complexe QRS jusqu’à l’apex de l’onde T (QTa) au repos, à l’effort maximal ainsi qu’après 1 et 3 minutes de récupération. La longueur du segment QT a été corrigée selon l’équation de Fridericia et la d-QT a été calculée. Résultats: La longueur du segment QT corrigée (QTc) était similaire au repos entre les groupes d’étude, mais était significativement élevée chez les SVA en comparaison avec le groupe contrôle à l’effort maximal (p=0.004) ainsi qu’après 1 (p<0.001) et 3 (p<0.001) minutes de récupération. Une interaction significative a été identifiée entre les groupes pour la d-QT (p=0.034) et les tests post hoc ont révélé une différence significative seulement au repos (p=0.001). Conclusions: Les anomalies de repolarisation ventriculaire peuvent être révélées par l’évaluation de la repolarisation électrique lors de l’épreuve d’effort chez les SVA modérées asymptomatiques. L’utilisation de la réponse du QT à l’effort pourrait être bénéfique pour l’optimisation de la stratification du risque chez ces patients.

Dynamique de l'intervalle cardiaque RR et de la repolarisation ventriculaire dans le sommeil chez les femmes post-ménopausées

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude des différences mâle/femelle au niveau de la repolarisation cardiaque

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

Effet aigu et chronique du tamoxifène sur la repolarisation cardiaque chez la souris

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dynamique de l'intervalle cardiaque RR et de la repolarisation ventriculaire dans le sommeil chez les femmes post-ménopausées

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude des différences mâle/femelle au niveau de la repolarisation cardiaque

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

Effet aigu et chronique du tamoxifène sur la repolarisation cardiaque chez la souris

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

The effect of blood glucose on the vasculature in young patients with type 1 diabetes

Background. Patients with type 1 diabetes are at markedly increased risk of vascular complications. In this respect it is noteworthy that hyperglycaemia that is shown to cause endothelial dysfunction, has clearly been shown to be a risk factor for diabetic microvascular disease. However, the role of hyperglycaemia as a predictor of macrovascular disease is not as clear as for microvascular disease, although type 1 diabetes itself increases the risk of cardiovascular disease substantially. Furthermore, it is not known whether it is the short-term or the long-term hyperglycaemia that confers possible risk. In addition, the role of glucose variability as a predictor of complications is to a large extent unexplored. Interestingly, although hyperglycaemia increases the risk of pre-eclampsia in women with type 1 diabetes, it is unclear whether pre-eclampsia, a condition characterized by endothelial dysfunction, is also a risk factor for microvascular complication, diabetic nephropathy. Aims. This doctoral thesis investigated the role of acute hyperglycaemia and glucose variability on arterial stiffness and cardiac ventricular repolarisation in male patients with type 1 diabetes as well as in healthy male volunteers. The thesis also explored whether acute hyperglycaemia leads to an inflammatory response, endothelial dysfunction and oxidative stress. Finally, the role of pre-eclampsia, as a predictor of diabetic nephropathy in type 1 diabetes was examined. Subjects and methods. In order to study glucose variability and the daily glycaemic control, 22 male patients with type 1 diabetes, without any diabetic complications, were monitored for 72-h with a continuous glucose monitoring system. At the end of the 72-h glucose monitoring period a 2-h hyperglycaemic clamp was performed both in the patients with type 1 diabetes and in the 13 healthy age-matched male volunteers. Blood pressure, arterial stiffness and QT time were measured to detect vascular changes during acute hyperglycaemia. Blood samples were drawn at baseline (normoglycaemia) and during acute hyperglycaemia. In another patient sample, women with type 1 diabetes were followed during their pregnancy and restudied eleven years later to elucidate the role of pre-eclampsia and pregnancy-induced hypertension as potential risk factors for diabetic nephropathy. Results and conclusions. Acute hyperglycaemia increased arterial stiffness as well as caused a disturbance in the myocardial ventricular repolarisation, emphasizing the importance of a strict daily glycaemic control in male patients with type 1 diabetes. An inflammatory response was also observed during acute hyperglycaemia. Furthermore, a high mean daily blood glucose but not glucose variability per se is associated with arterial stiffness. While glucose variability in turn correlated with central blood pressure, the results suggest that the glucose metabolism is closely linked to the haemodynamic changes in male patients with uncomplicated type 1 diabetes. Notably, the results are not directly applicable to females. Finally, a history of a pre-eclamptic pregnancy, but not pregnancy-induced hypertension was associated with increased risk of diabetic nephropathy.

Oxaliplatin induces hyperexcitability at motor and autonomic neuromuscular junctions through effects on voltage-gated sodium channels

Oxaliplatin, an effective cytotoxic treatment in combination with 5-fluorouracil for colorectal cancer, is associated with sensory, motor and autonomic neurotoxicity. Motor symptoms include hyperexcitability while autonomic effects include urinary retention, but the cause of these side-effects is unknown. We examined the effects on motor nerve function in the mouse hemidiaphragm and on the autonomic system in the vas deferens. In the mouse diaphragm, oxaliplatin (0.5 mM) induced multiple endplate potentials (EPPs) following a single stimulus, and was associated with an increase in spontaneous miniature EPP frequency. In the vas deferens, spontaneous excitatory junction potential frequency was increased after 30 min exposure to oxaliplatin; no changes in resting Ca(2+) concentration in nerve terminal varicosities were observed, and recovery after stimuli trains was unaffected.In both tissues, an oxaliplatin-induced increase in spontaneous activity was prevented by the voltage-gated Na(+) channel blocker tetrodotoxin (TTX). Carbamazepine (0.3 mM) also prevented multiple EPPs and the increase in spontaneous activity in both tissues. In diaphragm, beta-pompilidotoxin (100 microM), which slows Na(+) channel inactivation, induced multiple EPPs similar to oxaliplatin's effect. By contrast, blockers of K(+) channels (4-aminopyridine and apamin) did not replicate oxaliplatin-induced hyperexcitability in the diaphragm. The prevention of hyperexcitability by TTX blockade implies that oxaliplatin acts on nerve conduction rather than by effecting repolarisation. The similarity between beta-pompilidotoxin and oxaliplatin suggests that alteration of voltage-gated Na(+) channel kinetics is likely to underlie the acute neurotoxic actions of oxaliplatin.

Le remodelage cardiaque lors de la gestation chez la rate : implication du récepteur aux minéralocorticoïdes et altérations par un supplément sodique

La grossesse induit de profonds changements hémodynamiques et métaboliques de l’organisme maternel qui ont des conséquences sur le cœur. L’adaptation du cœur à cette condition physiologique nécessite un remodelage de sa structure et par conséquent des ajustements de sa fonction. Les mécanismes responsables de ces adaptations sont en grande partie inconnus. Cependant, ces connaissances sont essentielles pour la compréhension des complications cardiovasculaires, telle que l’hypertension gestationnelle (HG), qui constituent un risque pour la santé de la mère et du fœtus. Afin de caractériser les adaptations du cœur lors de la grossesse, l’originalité de notre approche expérimentale consistait à étudier le remodelage à l’échelle des cardiomyocytes du ventricule gauche. Ainsi, notre premier objectif était de déterminer les modifications structurales et fonctionnelles des cardiomyocytes chez la rate en vue d’identifier les altérations lors de l’HG. Chez les rates gestantes, le remodelage structural des cardiomyocytes se caractérise par une hypertrophie cellulaire avec une augmentation proportionnelle des dimensions. L’HG a été induite par un supplément sodique (0.9% NaCl) dans la diète. L’inadaptation structurale lors de l’HG se traduit par une diminution du volume cellulaire. L’étude des modifications fonctionnelles a révélé que lors de la gestation le fonctionnement contractile des cellules est dépendant de l’adaptation du métabolisme maternel. En effet, les substrats énergétiques, lactate et pyruvate, induisent une augmentation de la contractilité des cardiomyocytes. Cet effet est plus faible dans les cellules des rates hypertendues, ce qui suggère des anomalies du couplage excitation-contraction, dans lequel les courants calciques de type L (ICa-L) jouent un rôle important. Paradoxalement, le lactate et le pyruvate ont induit une augmentation de la densité des courants ICa-L seulement chez les rates hypertendues. Le récepteur aux minéralocorticoïdes (RM) est connu pour son implication dans le remodelage structuro-fonctionnel du cœur dans les conditions pathologiques mais pas dans celui induit par la grossesse. Notre deuxième objectif était donc de déterminer le rôle du RM dans l’adaptation de la morphologie et de la contractilité des cardiomyocytes. Des rates gestantes ont été traitées avec le canrénoate de potassium (20 mg/kg/jr), un antagoniste des RM. L’inhibition des RM pendant la gestation empêche l’hypertrophie cellulaire. De plus, l’inhibition des RM bloque l’effet du lactate et du pyruvate sur la contractilité. Chez la femme, la grossesse est associée à des changements des propriétés électriques du cœur. Sur l’électrocardiogramme, l’intervalle QTc est plus long, témoignant de la prolongation de la repolarisation. Les mécanismes régulant cette adaptation restent encore inconnus. Ainsi, notre troisième objectif était de déterminer le rôle du RM dans l’adaptation de la repolarisation. Chez la rate gestante, l’intervalle QTc est prolongé ce qui est corroboré par la diminution des courants potassiques Ito et IK1. L’inhibition des RM pendant la gestation empêche la prolongation de l’intervalle QTc et la diminution des courants Ito. Les travaux exposés dans cette thèse apportent une vision plus précise du remodelage cardiaque induit par la grossesse, qui est permise par l’étude à l’échelle cellulaire. Nos résultats montrent que lors de la gestation et de l’HG les cardiomyocytes subissent des remodelages morphologiques contrastés. Notre étude a aussi révélé que lors de la gestation, la fonction contractile est tributaire des adaptations métaboliques et que cette relation est altérée lors de l’HG. Nos travaux montrent que la régulation de ces adaptations gestationnelles fait intervenir le RM au niveau de la morphologie, de la relation métabolisme/fonctionnement contractile et de la repolarisation. En faisant avancer les connaissances sur l’hypertrophie de la grossesse, ces travaux vont permettre d’améliorer la compréhension des complications cardiovasculaires gestationnelles.

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 left atrial ganglionated plexus : its function and pathways relative to atrial fibrillation surgery

Le système nerveux autonome cardiaque est devenu une cible dans les thérapies ablatives de la fibrillation auriculaire. Nous avons étudié les voies de communication et la fonction des plexus ganglionnaires (PG) de l'oreillette gauche (PGOG) afin de clarifier la validité physiopathologique des méthodes de détection et des thérapies impliquant ces groupes de neuronnes. Méthodes: Vingt-deux chiens ont subi une double thoracotomie et ont été instrumentés avec des plaques auriculaires épidcardiques de multiélectrodes. Une stimulation électrique (2 mA, 15 Hz) des PGOG a été réalisée à l'état basal et successivement après: 1) une décentralisation vagale, 2) l'ablation par radiofréquence des plexus péri-aortiques et de la veine cave supérieure (Ao/VCS) et 3) l'ablation du PG de l'oreillette droite (PGOD). Ces procédures de dénervation ont été réalisées suivant une séquence antérograde (n = 17) ou rétrograde (n = 5). Résultats: Chez 17 des 22 animaux, la stimulation des PGOG a induit une bradycardie sinusale (149 ± 34 bpm vs 136 ± 28 bpm, p < 0.002) et des changements de repolarization (ΔREPOL) auriculaires isointégrales. Dans le groupe des ablations antérogrades, les réponses aux stimulations vagales ont été supprimées suite à la décentralisation vagale chez un seul animal, par l'ablation des plexus Ao/VCS dans 4 cas et par l'ablation du PGOG dans 5 autres animaux. Des changements ont persisté tout au long chez 2 chiens. La valeur de surface des ΔREPOL a diminué avec les dénervations séquentielles, passant de 365 ± 252 mm2 en basale à 53 ± 106 mm2 après l'ablation du PGOD (p < 0.03). Dans le groupe de dénervation rétrograde, les changements de repolarisation et chronotropiques ont été supprimés suite à l'ablation du PGOD chez deux chiens et suite à l'ablation Ao/VCS chez trois. La valeur de surface du ΔREPOL a aussi diminué après l'ablation du PGOD (269±144mm2 vs 124±158mm2, p<0.05). Conclusion: Les PGOD sont identifiables en préablation par la réponse bradycardique à la stimulation directe dans la plupart des cas. Le PGOD semble former la principale, mais non la seule, voie de communication avec le nœud sinusal. Ces résultats pourraient avoir des implications dans le traitement de la FA par méthodes ablatives.