Vliv plicní medikace na funkce kardiomyocytů

MUDr. Martin Ščurek, Ph.D.

Doctoral thesis

The effect of the pulmonary medication on the cardiomyocytes’ function

Abstract:

Řada běžných plicních léčiv může poškozovat kardiovaskulární systém a jejich dlouhodobé užívání tak může vézt ke vzniku kardiomyopatií, srdečních arytmií, nebo může vyústit až ke vzniku chronického srdečního selhání. Mezi tato léčiva řadíme také aminofylin, derivát methylxantinu s prokázaným bronchodilatačním, ale i arytmogenním účinkem. Experimentální data o přímém působení aminofylinu na elektrofyziologii a kontraktilitu srdečních buněk však dosud chybí. Tato práce byla zaměřena na analýzu změn tepové frekvence a síly kontrakce lidských kardiomyocytů odvozených z pluripotentních kmenových buněk (hPSC-CM) a kultur HL-1 kardiomyocytů. Měření probíhalo po jejich expozici rostoucím koncentracím aminofylinu (10 μM – 10 mM u hPSC-CM a 8–512 μM u HL-1 kardiomyocytů) oproti kontrolní skupině měřené ve stejných časových intervalech bez přítomnosti sledovaného léčiva. U hPSC-CM byly hodnoceny změny ve frekvenci stahů (BR) a síle kontrakce pomocí mikroskopu atomárních sil (AFM). U HL-1 buněčné linie kardiomyocytů byly měřeny změny ve frekvenci stahů po expozici aminofylinu pomocí MEA čipu („multielectrode chip“). Na závěr jsme posoudili účinek aminofylinu na intracelulární dynamiku Ca2+ pomocí intracelulárního měření vápníku u HL-1 linie kardiomyocytů. BR byla při srovnání s kontrolami významně zvýšena po expozici aminofylinu jak u hPSC-CM (10 mM aminofylinu), tak i v případě HL-1 kardiomyocytů (256 i 512 μM aminofylinu). Byl rovněž pozorován významný nárůst kontrakční síly u hPSC-CM při měření s 10 μM aminofylinu oproti kontrole (podobný trend byl viditelný i při vyšších koncentracích). Při intracelulárním měření vápníku bylo významně zvýšeno množství vápníkových „záblesků“ u HL-1 kardiomyocytů v přítomnosti 512 μM aminofylinu. Dospěli jsme k závěru, že pozorovaná aberantní odpověď kardiomyocytů na aminofylin potvrzuje arytmogenní potenciál tohoto léčiva. Zároveň naše experimentální data naznačují vysvětlení arytmických jevů, které bývají často pozorovány při léčbě aminofylinem/teofylinem v běžné klinické praxi. AFM v kombinaci s hPSC-CM proto může sloužit jako spolehlivá a robustní metoda k testování bezpečnosti léčiv.

Abstract:

Cardiac side effects of some pulmonary drugs are observed in clinical practice. Aminophylline, a methylxanthine bronchodilator with documented proarrhythmic action, may serve as an example. Data on the action of aminophylline on cardiac cell electrophysiology and contractility are not available. Hence, this study was focused on the analysis of changes in the beat rate and contraction force of human pluripotent stem cell–derived cardiomyocytes (hPSC-CMs) and HL-1 cardiomyocytes in the presence of increasing concentrations of aminophylline (10 μM-10mM in hPSC-CM and 8–512 μM in HL-1 cardiomyocytes). Basic biomedical parameters, namely, the beat rate (BR) and contraction force, were assessed in hPSC-CMs using an atomic force microscope (AFM). The beat rate changes under aminophylline were also examined on the HL-1 cardiac muscle cell line via a multielectrode array (MEA). Additionally, calcium imaging was used to evaluate the effect of aminophylline on intracellular Ca2+ dynamics in HL-1 cardiomyocytes. The BR was significantly increased after the application of aminophylline both in hPSC-CMs (with 10mM aminophylline) and in HL-1 cardiomyocytes (with 256 and 512 μM aminophylline) in comparison with controls. A significant increase in the contraction force was also observed in hPSC-CMs with 10 μM aminophylline (a similar trend was visible at higher concentrations as well). The occurrence of the calcium sparks in HL-1 cardiomyocytes was significantly increased with the presence of 512 μM aminophylline. We conclude that the observed aberrant cardiomyocyte response to aminophylline suggests an arrhythmogenic potential of the drug. The acquired data represent a missing link between the arrhythmic events related to the aminophylline/theophylline treatment in clinical practice and describe cellular mechanisms of methylxanthine arrhythmogenesis. An AFM combined with hPSC-CMs may serve as a robust platform for direct drug effect screening.

Keywords

aminofylin, iPSC, hESC, kardiomyocyty, screening plicních léků, kardiotoxicita léčiv, mikroskopie atomárních sil, biomechanické vlastnosti, arytmogenní účinky, methylxantiny, aminophylline, cardiomyocytes, pulmonary drug screening, drug cardiotoxicity, atomic force microscopy, biomechanical properties, arrhythmogenic effects, methylxanthines

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 9. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 7. 12. 2022
• Supervisor: doc. MUDr. Kristián Brat, Ph.D.
• Reader: doc. MUDr. Libor Fila, Ph.D., doc. MUDr. Ivan Solovič, CSc.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
Internal Medicine / Internal Diseases