Regulation of sinoatrial node and pacemaking mechanisms in health and disease

Abstract

Le noeud sinusal (NS) est le centre de l‟automatisme cardiaque. Grâce à son activité électrique spontanée, il dicte la fréquence cardiaque (FC) en réponse aux demandes physiologiques. A ce jour, le NS demeure un sujet de recherche important puisque les mécanismes moléculaires responsables de sa régulation sont encore méconnus. Par exemple, les processus menant à la bradycardie sinusale et à la maladie du sinus (MS) chez les personnes âgées sont mécompris et présentement l‟implantation d‟un stimulateur cardiaque demeure le seul traitement disponible. Ainsi, l‟objectif de cette thèse était de déterminer les changements moléculaires et cellulaires se produisant au niveau du NS en réponse à divers stimuli physiologiques et pathologiques afin d'établir leurs rôles potentiels dans la régulation de la FC et le développement de la MS. Dans les deux premiers chapitres, la grossesse est présentée comme modèle physiologique. En effet, la réponse adaptative aux demandes croissantes de la mère et du foetus engendre des changements physiologiques considérables au niveau du myocarde, dont une augmentation de la FC essentielle pour la perfusion adéquate des organes. Toutefois, cette augmentation peut aussi favoriser le développement d‟arythmies. Dans le troisième chapitre, l‟inflammation, un facteur présent lors du vieillissement et dans plusieurs pathologies où la MS se manifeste, a fait l‟objet d‟une étude dans le but de déterminer son rôle dans le développement de la MS. Les résultats obtenus dans cette thèse démontrent que la grossesse induit une hausse de la FC chez la souris gestante similaire à celle retrouvée chez la femme enceinte. Cette accélération était due à un remodelage électrique du NS. Plus spécifiquement, la fréquence des potentiels d‟action ainsi que la densité et l‟expression des courants pacemaker (If) et calcique de type L (ICaL) étaient augmentées. De plus, une accélération des transitoires calciques spontanés et de la vitesse de relâche calcique du réticulum sarcoplasmique a été observée. La régulation de l‟automaticité par un stimulus pathologique, l‟interleukine-1β, est abordée par la suite. L‟interleukine-1β, une cytokine ayant un rôle majeur comme médiateur inflammatoire, se retrouve en concentrations élevées dans plusieurs maladies associées avec la ii MS. Nos résultats démontrent que l‟interleukine-1β engendre une diminution de l‟automaticité associée à une réduction de If et ICaL dans les cardiomyocytes humains de type nodal dérivés de cellules souches induites pluripotentes (hiPSC-CM). En parallèle, le phénotype électrophysiologique et moléculaire des hiPSC-CM a été caractérisé démontrant leur homologie avec les cellules du NS humain adulte, les validant comme modèle in vitro de cellules nodales humaines. En conclusion, les études présentées dans cette thèse démontrent que le NS est plus qu‟un simple tissu régulé par l‟innervation autonome. En effet, son automaticité est dynamique et peut être influencée par des facteurs physiologiques ou pathologiques. Nos résultats contribuent ainsi à une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents à l‟automaticité. Ces avancées sont importantes non seulement pour la santé des femmes, mais aussi pour les individus souffrant de la MS. À terme, nous espérons que ces résultats contribueront au développement de stratégies thérapeutiques pour traiter des complications liées aux troubles d‟automaticité cardiaque.

The sinoatrial node (SAN) is the dominant cardiac pacemaker. With its spontaneous automaticity, it dictates rhythm and controls heart rate in response to varying physiological demands. Despite its modest size, the SAN is a very heterogeneous and complex structure that remains the topic of research efforts due, in part, to uncertainties in the mechanisms that regulate pacemaking in various conditions. For instance, the processes that lead to severe sinus bradycardia and SAN dysfunction (SND) in the elderly are unknown and to date, the implantation of electronic pacemaker remains the only SND treatment. Accordingly, the overall objective of this thesis was to explore and highlight the molecular and cellular changes that occur within the SAN in both physiological and pathological states, while determining how they contribute to regulation of heart rate and potentially SND. In the first two chapters, we present pregnancy as a physiological model considering it is a period during which substantial adaptive changes to the myocardium and increases in heart rate occur. Paradoxically, the rapid rate, which is essential for adequate organ perfusion of both mother and foetus, may also increase vulnerability to certain arrhythmias. In the third chapter, inflammation, a central process in pathology and common factor to several diseases and even ageing, was evaluated as potential underlying circumstance contributing to the development of sinus bradycardia and SND. Combinations of in vivo, ex vivo, biochemical, molecular and cellular approaches were used in order to generate an integrated understanding of the models we examined. Our data shows that in pregnant mice, an increase in heart rate similar to that of pregnant women occurs and was due to an electrical remodelling of the SAN. Specifically, an increase in action potential frequency of isolated individual SAN cells was observed. This was attributed to increased expression and density of pacemaker (If) and L-type Ca2+ currents (ICaL) along with a rapid spontaneous Ca2+ transient rate and faster intracellular sarcoplasmic reticulum Ca2+ release. We then demonstrate that the pro-inflammatory cytokine interleukin-1β which is a major inflammatory mediator that is upregulated in several diseases associated with SND, iv dramatically slows automaticity by reducing If and ICaL density in nodal-like cardiomyocytes derived from human-induced pluripotent stem cells (hiPSC-CM). Importantly, in that study, hiPSC-CMs were also physiologically and molecularly characterized revealing their high resemblance to adult human SAN and a potential use as a novel in vitro model to study pacemaking in humans. In conclusion, the results of this thesis demonstrate that the SAN is not a simple, neurally controlled tissue, but a rather dynamic pacemaker that undergoes extensive intrinsic remodelling during states of health and disease. The results contribute to understanding physiological mechanisms of pacemaking and how they are altered by disease and may be relevant for both women‟s health and the individuals affected by SND. Ultimately, we hope these findings will be helpful in the development of therapeutic strategies to treat pacemaking-related complications.