Auswirkung der schnellen Vorhofstimulation auf die ANP-Modulation des L-Typ Ca2+ - Kanals in einem experimentellen Vorhofflimmermodell des Kaninchens

Abstract

Der spannungsgesteuerte L-Typ Calcium Kanal sorgt in den kardialen Schrittmacherzellen für ein rasches Fortschreiten der Depolarisation und in den restlichen kardialen Myozyten für den, zur Erhaltung der Plateauphase notwendigen, Ca2+-Ioneneinstrom. Seine Stimulation bzw. Regulation erfolgt mittels unterschiedlicher Signalwege letztlich über eine Phosphorylierung der _1- bzw. _- Untereinheit des Kanals. Eine Verringerung erfährt der ICa,L-Strom auch durch einen cGMP-abhängigen Mechanismus, der wiederum vom „Atrialen Natriuretischen Peptid“ (ANP) einen positiven Impuls erfährt. Beim Vorhofflimmern, der mit 4,5 Millionen Betroffenen häufigsten Herz-Kreislauf-Erkrankung in Europa, kommt es zu Veränderungen sowohl der Struktur als auch der elektrophysiologischen Eigenschaften der Vorhöfe, an denen der L-Typ Calcium Kanal maßgeblich beteiligt ist. Eine zusätzliche Folge supraventrikulärer Tachykardien ist die vermehrte Freisetzung des Polypeptids ANP. In der vorliegenden Arbeit sollen die Folgen der schnellen Vorhofstimulation im Hinblick auf die ANP-Modulation des L-Typ Calciumkanals untersucht werden.

Ein speziell entwickeltes Tiermodell erlaubte die Simulation von 24-stündigem Vorhofflimmern in New Zealand White Rabbits und die Gewinnung atrialer Kardiomyozyten für die Durchführung elektrophysiologischer Untersuchungen mittels der Patch clamp Technik im sogenannten whole-cell Modus.

Als Folgen der schnellen atrialen Stimulation konnte sowohl vor Applikation von 10 nMol/l ANP als auch nach fünfminütigem Einwaschen der Substanz eine signifikante Verringerung der ICa,L-Stromdichte nachgewiesen werden. Hierbei konnte eine Spannungsverschiebung des Stromdichtenmaximums von 0 mV in der implantierten Kontrollgruppe hin zu +10 mV in der im Vorhof stimulierten Gruppe beobachtet werden. Bei der Untersuchung der ANP-Wirkung auf die Zellen der atrialen Pacing-Gruppe konnte eine statistisch signifikante Reduktion der Stromdichte um 75,9% nachgewiesen werden, während diese für die Kontrollgruppe bei derselben Versuchskonstellation nur 29,1% betrug.

Ursachen für den reduzierten ICa,L-Strom sind einerseits in der verminderten Expression der mRNA von _1- und _- Untereinheit zu suchen bzw. sind auf eine durch ANP stimulierte cGMP-Wirkung zurückzuführen, was an eine Art Regelkreis, der sowohl den Calciumeintrom in die Kardiomyozyten als auch die ANP-Konzentration beinhaltet, denken lässt. Der verminderte Calcium-Einstrom durch den L-Typ Calcium Kanal führt sowohl zu einer verkürzten effektiven atrialen Refraktärphase als auch zu einer veränderten Morphologie des atrialen Aktionspotentiales, was wiederum eine immense Beeinträchtigung der Erregungs-Kontraktions-Kopplung in den Vorhöfen zur Folge hat und im Fortbestehen der therapieresistenten supraventrikulären Arrhythmie resultieren kann. Ein möglicher Therapieansatz liegt in der Kontrolle bzw. Reduktion der ANP-Konzentration bei Patienten mit supraventrikulären Tachykardien.

The voltage-gated L-type calcium channel provides the basis for rapid progression of depolarisation in cardiac pacemaker cells. In other myocytes, this channel is necessary for the influx of calcium ions and the maintenance of action potential duration. The stimulation and regulation of the cardiac L-type calcium channel uses different signal transduction pathways and is accomplished by phosphorylation of the a1- and b-subunit. Another possibility of decreasing the ICa,L-current is by a cGMP-dependent mechanism that is positively stimulated by the atrial natriuretic peptide (ANP).

Atrial fibrillation affects about 4.5 million persons and is the most common persistent arrhythmia disease in Europe. The L-type calcium channel plays a relevant role in structural and electrophysiological changes of the cardiac atria. Additionally, there is an increase of ANP release in supraventricular tachycardias. The present work investigates the consequences of rapid atrial pacing on ANP-modulation of cardiac L-type calcium channel.

A special animal model was developed to simulate atrial fibrillation in New Zealand White Rabbits for 24 hours, and to be able to extract atrial cardiomyocytes for electrophysiological investigations using the patch clamp techniques in the “whole-cell mode”.

Rapid atrial pacing resulted in a significantly decreased ICa,L-current density. There was a voltage-shift of the maximum of current density from 0 mV in the implanted control group to +10 mV in the atrial pacing group. In myocytes of the atrial pacing group, the wash-in of 10 nMol/l ANP resulted in a 75.9% decrease of current density (p<0.001). The control group was only reduced by 29.1% (p=0.357).

On one hand the decrease in ICa,L might be caused by a reduced expression of the a1- and b-subunit mRNA; on the other hand the effect of cGMP was stimulated by ANP and a feed-back control system regulating calcium current and ANP-concentration might be responsible.

The effects of a reduced calcium influx through the L-type calcium channel are A) a reduced atrial effective refractory period and B) a change in atrial action potential morphology. This change can result in a huge disruption of atrial electrophysiology and in the persistence of a more and more therapy-resistant supraventricular arrhythmia. Our results implicate, that a possible therapeutical approach might be the control and reduction of ANP-concentration in patients with atrial fibrillation.