Thermodynamics of myoplasmic Ca²⁺ alternans reveal the molecular mechanisms involved in its genesis

Abstract

Myoplasmic Ca²⁺ alternans commonly occur during conditions such as tachycardia, ischemia, or hypothermia. This is a serious condition that can lead to sudden cardiac death. Myoplasmic Ca²⁺ alternans are alternating beat-to-beat changes in the amplitude of the Ca²⁺ transient. They typically arise from a variation in the amount of Ca²⁺ released from the sarcoplasmic reticulum (SR) between two consecutive heartbeats. This variability in the release of Ca²⁺ has previously been attributed to a delay in the recovery of the ryanodine receptor (RyR2), an incomplete Ca²⁺ refilling of the SR, or a change in the duration of the action potential. In each case, the RyR2 will mobilize Ca²⁺ from the SR in an alternating manner, thus generating Ca²⁺ alternans. To investigate the myoplasmic Ca²⁺ alternans in more depth, we utilized a novel experimental approach, Fluorescence Local Field Optical Mapping (FLOM), to record at the epicardial layer of an intact heart with subcellular resolution. These recordings were collected in conjunction with a local cold finger, where a temperature gradient was locally imposed on the tissue. In the colder regions, Ca²⁺ alternans were larger and occurred without changes in the duration of the action potential duration. Upon analyzing changes in the Q10 of several kinetic processes defining the intracellular Ca²⁺ dynamics, we found the imposed temperature gradient to have a significant effect on the relaxation of intracellular Ca²⁺ transients. The precipitous temperature dependency of Ca²⁺ alternans observed suggests they arise from an insufficient Ca²⁺ uptake into the SR by the ATPase of SR (SERCA2a). Interestingly, we found Ca2+ alternans to be heavily dependent on the SR Ca²⁺ and could be fostered with increased heart rate, which decreased the time for SERCA2a reuptake into SR beat to beat. Similarly, the partial pharmacological inhibition of SERCA2a with Thapsigargin increased the amplitude of myoplasmic Ca²⁺ alternans. Finally, the FLOM experimental approach is a valuable technique that can shed light on how arrhythmogenesis correlates with the spatial distribution of metabolically impaired myocytes along the myocardium.

Las alternancias de Ca²⁺ en el mioplasma suelen ocurrir durante una taquicardia, isquemia o hipotermia. Esta condición fisiopatológica puede desencadenar una muerte súbita. Las alternancias de Ca²⁺ mioplásmicas se expresan como un cambio latido a latido en la amplitud del Ca²⁺ sistólico. Estos cambios cíclicos en la amplitud del Ca²⁺ sistólico provienen de variaciones en la liberación de Ca²⁺ desde el retículo sarcoplasmático (RS) entre dos latidos consecutivos. Esta variabilidad en la liberación de Ca²⁺ desde el RS ha sido asociados con una incompleta recuperación del estado inactivado del receptor a rianodina tipo 2 (RyR2), un rellenado incompleto del RS o cambios en la duración del potencial de acción. En cualquier caso, el RyR2 moviliza Ca²⁺ de manera alternadas, generando alternancias mioplásmicas de Ca²⁺. Con la intención de estudiar las alternancias mioplásmicas de Ca²⁺ con mayor profundidad, hemos desarrollado una nueva aproximación experimental, el Mapeo Óptico Fluorescente de Campo Local (FLOM, por sus siglas en ingles). Esta técnica nos ha permitido registrar en la capa epicárdica del ventrículo izquierdo imágenes fluorescentes en un corazón intacto con resolución subcelular. Estas imágenes han sido obtenidas en conjunción con un dedo frio, que permite generar un gradiente de temperatura en el tejido. En las regiones más frías las alternancias mioplásmicas de Ca²⁺ son mayores y ocurren en ausencia de cambios en la duración del potencial de acción. Analizando el Q10 de algunos procesos cinéticos que determinan la dinámica de Ca²⁺ intracelular, encontramos que los gradientes de temperatura afectan la relajación de los transitorios de Ca²⁺. Interesantemente, encontramos que la dependencia de temperatura de las alternancias mioplásmicas de Ca²⁺ provienen de una recaptura insuficiente de Ca2+ hacia el SR mediada por la bomba de Ca2+ SERCa2. Aún más, la inhibición de la bomba de Ca²⁺ con Thapsigargina ha mostrado que si la capacidad de transporte de Ca²⁺ hacia el RS es menor, la amplitud de las alternancias mioplásmicas de Ca²⁺ se incrementan. Finalmente, el desarrollo de FLOM como una nueva aproximación experimental nos ha permitido dilucidad como la arritmogénesis está correlacionada con la distribución espacial de disfunciones metabólicas en miocitos en el miocardio.