Universität zu Köln

Funktionelle Analyse des Cav2.3 Kalziumkanals im kardiovaskulären System

Weiergräber, Marco (2005) Funktionelle Analyse des Cav2.3 Kalziumkanals im kardiovaskulären System. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Basierend auf transgenen Mausmodelle, die einen Einblick in Ätiologie und Pathogenese von Kanalkrankheiten ermöglichen, hat sich das Wissen hinsichtlich kardiomyogener Automatizität und Propagation der kardialen Erregung in den letzten Jahren enorm erweitert. Nur vier Vertreter spannungsgesteuerter Kalziumkanäle galten ursprünglich als im Herzen exprimiert (Cav1.3, Cav1.2, Cav3.1 und Cav3.2), deren Ablation bei Cav1.3 und Cav3.1 zu markanten kardialen Phänotypen führte, bei anderen hingegen entweder schon in der frühen Pränatalphase letal war (Cav1.2) oder keinen direkten kardialen Effekt zeigte (Cav3.2). Die vorliegende Arbeit legt eine kardiovaskuläre Charakterisierung Cav2.3 defizienter Mäuse vor, unter Zuhilfenahme molekularbiologischer und elektrophysiologischer Verfahren. Sie zeigt, dass mit Cav2.3 eine bis dahin für die kardiale Erregungsbildung- und Erregungsfortleitung als umstritten eingestufte Kalziumkanaluntereinheit einen wichtigen Beitrag zur funktionellen Integrität des Herzens und des kardiovaskulären Systems beisteuert. Auf molekularbiologischer Ebene konnte gezeigt werden, dass nicht nur unterschiedliche Cav2.3 Spleißvarianten im Mausherzen vorliegen, die v.a. in der Pränatalphase eine entwicklungsabhängige Änderung im Verteilungsmuster aufweisen, sondern auch höhere Transkriptzahlen im Atrium im Vergleich zum Ventrikel vorzufinden sind. Diese Ergebnisse wurden durch funktionelle (MEA) Studien unterstützt, die in isolierten pränatalen Cav2.3(-|-) Herzen nicht nur einen erhöhten Variationskoeffizienten, sondern auch Störungen der kardialen Erregungsausbreitung zeigten. Telemetrische EKG-Aufzeichnungen von Cav2.3(-|-) Mäusen konnten weiterhin belegen, dass auch in adulten Tieren Arrhythmien vorliegen, die sowohl Störungen der atrialen Erregung, der AV-Überleitung und der ventrikulären Erregungsausbreitung beinhalten. Die zeitbasierte Analyse der Herzfrequenzvariabilität machte deutlich, dass Cav2.3(-|-) Tiere nicht nur eine signifikante Erhöhung des Variationskoeffizienten, sondern auch der Herzfrequenz aufweisen. Mittels eines pharmakologischen autonomen Blocks stellte sich heraus, dass die erhöhte Herzfrequenz das Resultat eines erhöhten Sympathikotonus ist und auch die AV-Blockbilder waren nach autonomer pharmakologischer Denervation nicht mehr vorzufinden. Damit wurde, bestärkt durch weitere pharmakologische Injektionsexperimente, deutlich, dass Cav2.3 innerhalb des kardiovaskulären Systems sowohl intrinsisch-kardiale, als auch extrinsisch-autonome Aufgaben übernimmt. Die Untersuchung des sympathischen Astes des autonomen Nerven-systems zeigte überraschenderweise eine �Propranololresistenz� in Cav2.3(-|-) Mäusen im Vergleich zu Kontrolltieren, dessen zugrundeliegender Mechanismus und funktionelle Implikation noch ungeklärt ist. Die pharmakologisch induzierbare maximale Herzfrequenzbreite und die Herzreserve weisen eine deutliche Reduktion in Cav2.3(-|-) Tieren auf und müssen in ursächlichem Zusammenhang mit dem signifikant schlechteren Abschneiden Cav2.3 defizienter Mäuse im Laufradexperiment im Vergleich zu Kontrolltieren gesehen werden. Die vorliegende Arbeit stellt dar, dass Cav2.3 in Physiologie und Pathophysiologie des Herzen nicht nur im Erregungsbildungs- und Leitungssystem von Bedeutung ist, sondern auch eine wichtige Funktion bei der autonomen Transmission spielt. Da sich Cav2.3 Transkripte nicht nur im Maus- und Rattenherzen, sondern auch im Herzen großer Säuger (Hausschwein, Mensch) finden ließen, gewinnt Cav2.3 damit auch humanpathophysiologisch Relevanz. Zukünftige Patch-Clamp Studien müssen zeigen, welche Rolle Cav2.3 hierbei auf Einzelzellebene spielt.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Voltage-gated calcium channels are key components in cardiac electrophysiology. Here we demonstrate that Cav2.3 is expressed in mouse and human heart and that mice lacking the Cav2.3 voltage-gated calcium channel exhibit severe alterations in cardiac function. Amplified cDNA fragments from total murine heart and single cardiomyocytes reveal the expression of various Cav2.3 splice variants (Cav2.3d-f). The ablation of Cav2.3 was found to be accompanied with a compensatory upregulation of the Cav3.1 T-type calcium channel, while other voltage-gated calcium channels remained unaffected. Telemetric ECG recordings from Cav2.3 deficient mice displayed altered atrial activation patterns, atrioventricular conduction disturbances and alteration in QRS-morphology. Furthermore, time domain analysis of heart rate variability in Cav2.3(-|-) mice exhibited significant increase in heart rate as well as in the coefficient of variance compared to control mice. Administration of atropin and propranolol revealed that the increased heart rate was due to enhanced sympathetic tone and that partial decrease of the coefficient of variance in Cav2.3(-|-) mice after autonomic block was in accordance with a complete abolishment of 2nd degree atrioventricular block. However, atrial activation disturbances and QRS-dysmorphology remained unaffected, indicating that these are intrinsic cardiac features in Cav2.3(-|-) mice. Systemic administration of isoproterenol resulted in a significant reduction in interbeat-interval in both genotypes, whereas Cav2.3(-|-) mice remained unaffected by selective inhibition of the sympathetic limb using propranolol. In addition, physical performance, heart rate range and heart rate reserve are reduced in Cav2.3(-|-) mice, indicating that the expression of Cav2.3 is essential not only for normal impulse generation and propagation in the murine heart, but also for autonomic regulation and cardiovascular functional capability in mice. Amplification of Cav2.3 in human heart indicates that this channels might also be involved in human cardiac (patho)physiology. Electrophysiological (patch-clamp) studies will elucidate role of Cav2.3 on the cellular level in the future.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Weiergräber, Marcoakp74@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-15900
    Subjects: Medical sciences Medicine
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Cav2.3, EKG, Arrhythmie, EEG, TelemetrieGerman
    Cav2.3, ECG, Arrhythmia, EEG, TelemetryEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Neurophysiologie
    Language: German
    Date: 2005
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 01 June 2005
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 21 Nov 2005 11:23:42
    Referee
    NameAcademic Title
    Herzig, StefanProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1590

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