Optogenetische Bestimmung der kardialen Erregbarkeit und elektrischen Kopplung zur Untersuchung kardialer Arrhythmie-Mechanismen

Abstract

Ventrikuläre Arhythmien gehören zu den führenden Ursachen für einen plötzlichen Herztod. Eine erhöhte kardiale Erregbarkeit und reduzierte elektrische Kopplung zwischen Kardiomyozyten begünstigen die Entstehung von Extrasystolen, die solche Arhythmien auslösen können. Die kardiale Erregbarkeit kann mithilfe des Eingangswiderstands (R_m), der die aus unterschwelligen Strominjektionen resultierende Membranpotentialänderung beschreibt, sowie dem minimal notwendigen Strom zur Auslösung einer Extrasystole (I_thr) und die elektrische Kopplung anhand der kardialen Längskonstante (λ), definiert über den exponentiellen Abfall eines unterschwelligen Stimulus, quantifiziert werden. Die Quantifizierung dieser Parameter kann zu einem besseren Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen von Arrhythmien beitragen. Bisher war die Messung dieser drei Parameter im Herzen jedoch nicht möglich, da die benötigte homogene Strominjektion nicht mit elektrischer Stimulation durchgeführt werden konnte. In dieser Arbeit wurden daher optogenetische Methoden zur Bestimmung von R_m, I_thr und λ im intakten Herzen entwickelt und ihre Veränderungen unter verschiedenen pathologischen Bedingungen untersucht. Die erforderliche homogene Strominjektion konnte durch optogenetische Stimulation aller beleuchteten Kardiomyozyten von Mausherzen, die den lichtsensitiven, unselektiven Kationenkanal Channelrhodopsin-2 exprimierten, erreicht werden. Zeitlich und räumlich präzise Beleuchtung ermöglichte erstmals die zyklusabhängige Bestimmung von R_m und λ im intakten Herzen und zeigte, dass beide Parameter während der Diastole am kleinsten waren. Zudem konnte gezeigt werden, dass der geringe R_m in der Diastole maßgeblich durch den einwärts-gleichrichtenden K+-Strom (I_K1) generiert wurde und dass sowohl eine pharmakologische als auch Depolarisations-induzierte I_K1-Reduktion zu einer erhöhten kardialen Erregbarkeit führt. Des Weiteren wurde I_thr durch pharmakologisch-induzierte Entkopplung und Induktion eines Myokardinfarktes verringert. Die Kombination der optogenetischen Methoden mit Computersimulationen wurde verwendet, um pathologische Konditionen und antiarrhythmische Therapien anhand ihrer Zusammenhänge zwischen R_m und I_thr zu klassifizieren. Außerdem ermöglichte sie die Quantifizierung der I_K1-Einwärtsgleichrichtung im intakten Herzen und identifizierte eine reduzierte Einwärtsgleichrichtung als neues antiarrhythmischen Konzept. Dies unterstreicht die Bedeutung von I_K1 sowie intakter Kardiomyozyten-Kopplung für die Prävention von Extrasystolen und Arrhythmien. Zusammenfassend kann die optogenetische Bestimmung von R_m, I_thr und λ unter pathologischen Konditionen zu einem besseren Verständnis der zugrundeliegenden Arrhythmie-Mechanismen und der Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze beitragen.