Biopacemaker acceleration without increased synchronization by chronic exposure to phorbol myristate acetate

Abstract

L'activité électrique du coeur est initiée par la génération spontanée de potentiels d'action venant des cellules pacemaker du noeud sinusal (SN). Toute dysfonction au niveau de cette région entraîne une instabilité électrique du coeur. La majorité des patients souffrant d'un noeud sinusal déficient nécessitent l'implantation chirurgicale d'un pacemaker électronique; cependant, les limitations de cette approche incitent à la recherche d'une alternative thérapeutique. La base moléculaire des courants ioniques jouant un rôle crucial dans l'activité du noeud sinusal sont de plus en plus connues. Une composante importante de l'activité des cellules pacemakers semble être le canal HCN, responsable du courant pacemaker If. Le facteur T-box 3 (Tbx3), un facteur de transcription conservé durant le processus de l'évolution, est nécessaire au développement du système de conduction cardiaque. De précédentes études ont démontré que dans différentes lignées cellulaires le Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) active l'expression du gène codant Tbx3 via des réactions en cascade partant de la protéine kinase C (PKC). L'objectif principal de cette étude est de tester si le PMA peut augmenter la fréquence et la synchronisation de l'activité spontanée du pacemaker biologique en culture. Plus précisément, nous avons étudié les effets de l'exposition chronique au PMA sur l'expression du facteur de transcription Tbx3, sur HCN4 et l'activité spontanée chez des monocouches de culture de myocytes ventriculaires de rats néonataux (MVRN). Nos résultats démontrent que le PMA augmente significativement le facteur transcription de Tbx3 et l'expression ARNm de HCN4, favorisant ainsi l'augmentation du rythme et de la stabilité de l'activité autonome. De plus, une diminution significative de la vitesse de conduction a été relevée et est attribuée à la diminution du couplage intercellulaire. La diminution de la vitesse de conduction pourrait expliquer l'effet négatif du PMA sur la synchronisation de l'activité autonome du pacemaker biologique. Ces résultats ont été confirmés par un modèle mathématique multicellulaire suggérant que des fréquences et résistances intercellulaires plus élevée pourraient induire une activité plus stable et moins synchrone. Cette étude amène de nouvelles connaissances très importantes destinées à la production d'un pacemaker biologique efficient et robuste.

The normal heartbeat is initiated by the spontaneous generation of action potentials in pacemaker cells of the sinoatrial node (SAN) region. Dysfunction of this region leads to electrical instability of the heart. The majority of the patients with sinus node dysfunction require surgical implantation of electronic pacemaker devices; however, limitations of this therapeutic approach lead to a need to search for alternatives. To date, the molecular basis of the ionic currents which play pivotal role in SAN action potential has been discovered. It is thought that an important component of the pacemaker cells are HCN channels, responsible for the funny current (If) in the SAN. Meanwhile, T-box factor 3 known as an evolutionary conserved transcription factors is necessary for development of the conduction system. In previous studies, it has been shown that Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) activates Tbx3 gene expression in a PKC-dependent manner in several cell lines. The main objective of this study is to test if PMA can increase the frequency and synchronization of spontaneous activity of cultured biopacemakers. More precisely, we studied the effects of chronic exposure to PMA on the expression of the Tbx3 transcription factor and HCN4 in neonatal rat ventricular myocytes monolayers and how spontaneous activity was altered. Our results show that PMA significantly increases the Tbx3 transcription factor and HCN4 mRNA expression favoring an increased in the rate and spatial-temporal stability of the spontaneous activity. In addition, a significant decrease in conduction velocity was found that is attributed to decrease electrical intercellular coupling of the cells. The decrease in the conduction velocity could explain the negative effect PMA has on synchronization of spontaneous activity of the biopacemaker. These findings are confirmed by a multicellular mathematical model implying that faster frequency and higher intercellular resistance of the pacemaker cells may lead to a more stable and less synchronous activity. This study provides important new knowledge to produce efficient and robust biological pacemakers.