Functional characterisation of arteries and urinary bladder from mice with genetic ablation of the large conductance Ca2+ and voltage activated K+ (BK) channel

Abstract

BK channels respond to elevations in intracellular calcium and membrane depolarization, and inhibit the excitability of smooth muscles. This study addressed the role of BK channels in arteries and urinary bladder by using mice with inactivated Slo1 gene. BK channel deficiency did not affected alpha-1 agonist-induced Ca2+ transients in aortic cells, suggesting that BK channels normally play a minor role in this process. However, activation of BK channels by cGMP in wt cells determined a more pronounced inhibition of alpha-1 agonist-induced Ca2+ transients as in BK-/- cells. It appears that the NO/cGMP signaling pathway regulates via BK channels the influx of Ca2+ into vascular cells. The fact that cGMP determines suppression of Ca2+ transients in BK-/- vascular cells too suggests that the cGMP effect is also mediated by BK channel-independent mechanisms. In BK-/- cells from cerebral arteries STOCs were completely absent even at depolarized membrane potentials, indicating that only BK channels carry STOCs in this tissue. Since Ca2+ sparks parameters were not affected by the BK channel deficiency a feedback relationship between STOCs and Ca2+ sparks is unlikely to exist. Summarizing the vascular experiments, BK channels participate in at least two mechanisms involved in vascular smooth muscle relaxation: (1) they are effectors of the NO/cGMP signaling cascade, and (2) they carry Ca2+ sparks-induced STOCs. The lack of these mechanisms causes probably the enhanced systemic blood pressure of BK-/- mice. In the urinary bladder, muscarinic submaximal stimulation of muscle strips determined increased tonic contractions in BK-/- versus wild type mice. The phasic component of the KCl-induced contraction was also significantly higher in BK-/- detrusor strips at submaximal KCl concentration. The electrical field stimulation-induced nerve-mediated phasic contraction of the bladder was, as well, more accentuated in BK channels deficient as in control strips, and the maximal contraction was obtained at a lower frequency in BK-/- as in wt bladder. Also the maximal force developed per mass unit after electrical field stimulation (EFS) was higher in BK-/- than in wt bladders. In addition, the amplitudes and frequencies of carbachol-induced rhythmical contractions were increased in BK channel deficient bladder muscles, and spontaneous rhythmical contractility occurred only in strips from BK-/- mice. All these results suggest enhanced excitability and contractility of the BK-/- detrusor. BK channel deficiency did not affect the cAMP-induced relaxation of the carbachol-precontracted detrusor, but the relaxation induced by cGMP was more pronounced in wt than in BK-/- bladder strips, suggesting that the relaxing effect of cGMP is mediated in part by BK channels. Preincubation with cGMP determined the reduction by about a half of the amplitude of the initial phasic component of EFS-induced contraction in BK-/- bladder strips, but did not affect the contractions of wt bladder. In addition, both cAMP and cGMP reduced the amplitudes of carbachol-induced rhythmical contractions only in BK-/- muscles and to the same level as in wt, indicating that BK channel deficiency activates or upregulates cGMP and cAMP sensitive mechanisms in the detrusor, which are responsible for the higher rhythmical contractions. The cyclic nucleotides inhibited also the frequency of the rhythmical contractility, but only in wt muscle strips, suggesting that this effect is mediated by the activation of BK channels. Thus, it appears that BK channels have a prominent role in urinary bladder. The results obtained in vitro can probably explain the elevated bladder pressure and the enhanced micturition frequency of BK deficient mice.

Ca2+-aktivierte K+-Kanäle vom BK Typ werden durch die Erhöhung der intrazellulären Ca2+ Konzentrationen und durch Depolarisation des Membranpotential aktiviert und hemmen die Kontraktion von Zellen der glatten Muskulatur. In dieser Studie wurde die Rolle von BK Kanälen in Arterien und Harnblase anhand von Mäusen mit inaktiviertem Slo1 Gen (BK-/-) analysiert. Das Fehlen des BK Kanals zeigte in Aortenzellen keine Auswirkungen auf Ca2+ Transienten, die durch Stimulation des a1-Rezeptors ausgelöst wurden. Durch cGMP/cGMP-Kinase konnten alpha-1-Agonist-induzierte Ca2+ Transienten in wildtyp (wt) zu 70%, in BK-/- aber nur zu 30% unterdrückt werden. Dies zeigt, daß die cGMP Signalkaskade den Ca2+ Einstrom über L-Typ Ca2+-Kanäle in Gefäßmuskelzellen durch die Aktivität von BK Kanälen reguliert. Die Tatsache, daß cGMP die Ca2+ Transienten in BK-/- Zellen dennoch partiell inhibiert, zeigt, daß auch weitere Effektoren an der Suppression von Ca2+-Transienten durch cGMP beteiligt sind. Ein weiterer Mechanismus, über den BK-Kanäle zur Relaxation beitragen, sind spontane, transiente K+-Auswärtsströme (STOCs). Physiologisch werden STOCs durch Ca2+-Freisetzung aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum, sogenannte Ca2+-Sparks, hervorgerufen. In BK-/- glatten Muskelzellen aus Zerebralarterien waren keine STOCs mehr nachweisbar, selbst bei sehr positiven Membranpotentialen. Dies zeigt, daß nur BK Kanäle in der Lage sind, Ca2+-induzierte, hyperpolarisierende STOCs hervorzurufen, welche Gefäßmuskelzellen über eine Hemmung des spannungsabhängigen Ca2+-Einstroms relaxieren. Eine Rückkopplung zwischen STOCs und Sparks besteht offenbar nicht, da die Parameter für Sparks bei Fehlen des BK-Kanals nicht verändert sind. Die entdeckten Alterationen in BK-Kanal-defizienten Mäusen könnten zur beobachteten Hypertonie dieser Mäuse beitragen.

Muskarinerge Stimulation führte zu einer erhöhten tonischen Kontraktion in BK-/- versus wt Detrusor, dem Muskel der Harnblase. Elektrische Feldstimulation (EFS), Neurotransmitter aus Nervenendigungen freisetzend, wirkte bei submaximalen Frequenzen in BK-/- stärker kontrahierend als in wt Detrusor. Die maximale Kontraktion des BK-/- Detrusors wurde bereits bei wesentlich niedrigeren Stimulationsfrequenzen als bei wt Detrusor erreicht. Die Kraftentwicklung pro Muskelgewichtseinheit lag höher in BK-/- als in wt Detrusor. BK-/-, nicht jedoch wt Detrusor zeigte spontane rhythmische Kontraktionen bereits in Abwesenheit eines Stimulus. Amplitude und Frequenz von Carbachol-induzierten rhythmischen Kontraktionen waren höher in BK-/- Detrusor. Diese Ergebnisse weisen auf eine erhöhte Kontraktilität der BK-/- Blase hin. Cyclo-GMP reduzierte die Amplitude der EFS-induzierten Kontraktionen des BK-/- Detrusors um 50%, zeigt aber keinen Effekt auf die Amplitude der Kontraktion des wt Detrusors. Ebenso wird die Amplitude von Carbachol-induzierten rhythmischen Kontraktionen des BK-/- Detrusors durch cGMP vermindert, interessanterweise genau auf den Wert wie in wt Detrusor. Diese Ergebnisse lassen vermuten, daß bei Verlust des BK Kanals cGMP und cAMP sensitive Mechanismen im Detrusor aktiviert werden, um eine Kontraktilitätserhöhung über das beobachtete Ausmaß hinaus zu verhindern. In wt Detrusor hingegen, zeigen cAMP und cGMP nur modulierende Effekte auf die Frequenz rhythmischer Kontraktionen. Das Fehlen dieser Frequenzmodulation in BK-/- Detrusor weist darauf hin, daß dieser Effekt über BK Kanäle vermittelt wird. Die in vitro Ergebnisse dieser Studie erklären den erhöhten Blasentonus und die erhöhte Miktionsfrequenz von BK-/- Mäusen.