Relationship between repolarization and sarcoplasmic reticulum stability

Background. The interplay between ventricular repolarization and intracellular Ca2+ handling is crucial to maintain the physiological excitation-contraction coupling (ECC) in cardiac myocytes. The intracellular Ca2+ and the sarcoplasmic reticulum (SR) Ca2+ load play a crucial role in this mechanism and they are influenced, and controlled, by several factors. Among them, the non-physiological action potential duration (APD) prolongation affects the sarcolemmal Ca2+ influx/efflux balance thus it represents a stress-condition for intracellular Ca2+ homeostasis, requiring robust compensatory mechanisms. This may be critical in pathological conditions, such as heart failure (HF), where intracellular Ca2+ handling is impaired. Indeed, pathophysiological conditions in which the SR Ca2+ handling is altered could represent a trigger to induce arrhythmogenic afterdepolarizations. On the other hand, prolonged repolarization and arrhythmias are often associated, albeit the concomitance of multiple factors, such as peptides or polymorphisms in proteins involved in the ECC, could be necessary to produce arrhythmogenesis. Aims. In this thesis, the purposes are: 1) to address the role and mechanisms of angiotensin II and NOS1AP polymorphisms in generating SR instability in the presence of prolonged repolarization; 2) to investigate the ECC mechanisms in human-induced pluripotent stem-cell derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) carrying the phospholamban (PLN) mutation R14Del, by the use of a luso-inotropic drug developed in our lab. Results and discussion. The results obtained have confirmed that APD prolongation per se could be insufficient to induce arrhythmias thus the presence of concomitant factors, such as angiotensin II or NOS1AP polymorphisms, are necessary to produce arrhytmogenesis. Similarly, other mechanisms, not strictly correlated to the SR, seem to be involved in the generation of the phenotype of HF patients affected by the PLN-R14Del mutation. The study of mechanisms involved in SR-correlated genetic pathologies, have both a fundamental and translational value, which could be useful to help patients affected by cardiac diseases.

Introduzione. L’interazione tra ripolarizzazione ventricolare e il maneggiamento del calcio intracellulare è cruciale nel mantenimento fisiologico dell’accoppiamento eccitazione-contrazione (E-C) nei cardiomiociti. Sia il calcio intracellulare che il riempimento del reticolo sarcoplasmatico (RS) giocano un ruolo importante in questo meccanismo, oltre ad essere influenzati e controllati da molti altri fattori. Tra questi, il prolungamento del potenziale d’azione non fisiologico influenza il bilancio tra calcio che entra/esce dal reticolo, rappresentando quindi un importante fattore di stress per l’omeostasi del calcio intracellulare, richiedendo robusti meccanismi compensatori. Questo può diventare un problema in condizioni patologiche, come nello scompenso cardiaco, in cui il maneggiamento del calcio intracellulare è compromesso. Infatti, condizioni patologiche in cui tale maneggiamento è compromesso può rappresentare un trigger d’induzione di meccanismi aritmogeni. D’altra parte, il prolungamento della ripolarizzazione e le aritmie sono spesso associate fra loro, nonostante la presenza concomitante di altri fattori, come peptidi o polimorfismi di proteine coinvolte nel meccanismo di E-C, possono essere necessari per portare ad aritmogenesi. Scopo. In questa tesi, gli scopi sono: 1) capire il ruolo e i meccanismi dell’angiotensina II e dei polimorfismi di NOS1AP nel generare instabilità reticolare in presenza di ripolarizzazione prolungata; 2) indagare sui meccanismi di accoppiamento E-C nei cardiomiociti umani derivati da staminali pluripotenti indotte che portano la mutazione del fosfolambano (R14Del) tramite l’uso di un farmaco lusitropo e inotropo sviluppato nel nostro laboratorio. Risultati e discussione. I risultati ottenuti in questa tesi hanno confermato che il prolungamento della durata del potenziale d’azione da solo non è sufficiente per indurre aritmie, pertanto, per indurre aritmogenesi, è necessaria la presenza di fattori concomitanti, come l’angiotensina II o polimorfismi di NOS1AP. Allo stesso modo, altri meccanismi, non strettamente correlati al RS, sembrano essere coinvolti nella generazione del fenotipo dei pazienti con scompenso cardiaco affetti dalla mutazione del fosfolambano R14Del. Lo studio dei meccanismi coinvolti nelle patologie genetiche correlate al RS ha valore fondamentale e traslazionale, che potrebbe essere utile per aiutare i pazienti affetti da malattie cardiache.