Fra global til lokal – ny forståelse av den elektromekaniske koblingen i hjertet

Kunnskapsgrunnlag

Artikkelen er basert på artikkelforfatternes egen forskning på feltet og på et skjønnsmessig utvalg av artikler funnet ved litteratursøk i PubMed. Følgende søketermer ble anvendt: «ANK2», «ankyrin-B», «ankyrin-B syndrome», «long QT syndrome type 4», «IP₃R». Dette ga 140 treff i Pubmed 15.2. 2012.

Siden fokus for artikkelen er Ca²⁺-homøostase i ventrikkelceller, la vi vekt på artikler som hovedsakelig omhandler ventrikkelceller eller ventrikulære arytmier. Hypotesene som er formulert i artikkelen angående funksjonen til ankyrin-B og IP₃R er våre egne, men i tråd med nyere oversiktsartikler på feltet.

Klassisk forståelse av hjertets elektromekaniske kobling

Teorien om Ca²⁺-indusert Ca²⁺-frigjøring i hjertemuskelcellene beskriver et system for forsterkning av Ca²⁺-signalet som har flere kontrollpunkter (fig 1a) (2). Ved hver aktivering (depolarisering) slippes en liten mengde Ca²⁺ inn i hjertemuskelcellene gjennom L-type Ca²⁺-kanaler i cellemembranen. Ca²⁺ som slipper inn på denne måten, bindes til en Ca²⁺-frislippskanal i hjertemuskelcellenes Ca²⁺-lager, det sarkoplasmatiske retikulum. Disse Ca²⁺-frislippskanalene, ryanodinreseptorene (RyR), kan åpnes av en liten mengde Ca²⁺ i cytosol.

Figur 1  a) Skjematisk fremstilling av dyaden og eksitasjons-kontraksjons-koblingen i ventrikulære kardiomyocytter. Heltrukne piler indikerer ioneflukser i normal eksitasjons-kontraksjons-kobling, stiplete linjer markerer IP₃-avhengig Ca²⁺-fluks. Bemerk at NCX kan transportere både Ca²⁺ og Na⁺ i begge retninger over cellemembranen, men at kun Ca²⁺-fluks ut av cellen og Na⁺-fluks inn i cellen er markert i figuren. IP₃R kan ha to roller i kardiomyocyttenes Ca²⁺-homøostase. Dersom IP₃R, NCX og NKA danner et selvstendig mikrodomene uavhengig av RyR, som vist i a), kan dette systemet virke som en sikkerhetsventil hvor Ca²⁺ som slippes fri gjennom IP₃R, transporteres direkte ut gjennom Na⁺/Ca²⁺-ionebytteren (NCX). Dette kan forhindre at Ca²⁺-konsentrasjonen i SR blir for høy. b) Dersom IP₃R og Ca²⁺-frislippskanalen RyR er samlokalisert, kan frislipp fra IP₃R sensitivisere RyR for Ca²⁺ og potensere Ca²⁺-frislipp fra sarkoplasmatisk retikulum (SR), men også øke sannsynligheten for ukontrollert frislipp

Ved åpning av RyR strømmer Ca²⁺ ut i cytosol, hvor konsentrasjonen dermed mangedobles i forhold til diastolen (5 – 15-dobles). Ca²⁺ bindes deretter til de kontraktile proteinene og starter dermed muskelkontraksjonen. Den systoliske konsentrasjonen av Ca²⁺ i cytosol bestemmer kraften i kontraksjonen. Koblingen av Ca²⁺ og sammentrekning får dermed fire viktige kontrollpunkter (3): For det første er selve «gnisten», Ca²⁺-innstrømmingen over cellemembranen som starter prosessen, gjenstand for regulering. Dette er viktig, siden stor innstrømming vil gi større frislipp fra Ca²⁺-lageret. For det andre kan RyR-ventilenes følsomhet endres slik at mindre Ca²⁺ kreves for å gi et stort frislipp. For det tredje kan mengden Ca²⁺ i det sarkoplasmatiske retikulum justeres. Dette er et viktig kontrollpunkt, siden mengden Ca²⁺ som slippes fri ved hver aktivering øker eksponentielt med mengden Ca²⁺ i det sarkoplasmatiske retikulum. For det fjerde kan de kontraktile proteinenes evne til å reagere på Ca²⁺ tilpasses organismens behov for økt eller redusert slagvolum.

Man vet etter hvert mye om disse kontrollpunktene og hvordan de reguleres i fysiologiske og patologiske situasjoner. Spesielt er mye oppmerksomhet de siste to tiår blitt rettet mot RyR og dens rolle i patofysiologien ved både svekket kontraksjon og arytmier (4).

Fra «global» til «lokal» Ca²⁺-håndtering

Beskrivelsen av sammenhengen mellom Ca²⁺ og sammentrekninger hviler på en forståelse av samspillet mellom proteiner i hjertemuskelcellene. Man har lenge visst at diffusjonen av Ca²⁺ i cytosol er begrenset pga. en buffereffekt fra Ca²⁺-bindende proteiner og geometriske hindringer (5). I vann er diffusjonskoeffisienten til Ca²⁺ 1 000 µm²/s, mens den i cytosol er beregnet til 10 – 20 µm²/s (6). Teoretisk sett ville en slik diffusjon likevel være nok til at Ca²⁺ frigitt fra én Ca²⁺-kanal i cellemembranen kunne nå store deler av cellen i løpet av én kontraksjonssyklus.

Et problem med et system basert på diffusjon fra få kanaler i cellemembranen ville imidlertid være store konsentrasjonsforskjeller internt i cellen og regionale tidsforskjeller for aktivering av Ca²⁺-frislippskanalene. Den ekstremt raske (~1 ms etter aktivering av cellen) og normalt svært homogene Ca²⁺-frigjøringen i forskjellige områder taler for en tettere kobling mellom membranaktivering og Ca²⁺-frigjøring (7). Det var derfor god grunn til å anta at koblingen av depolarisering og sammentrekning måtte foregå svært «lokalt», men likevel synkront i hele cellen.

Denne prosessen er hovedsakelig blitt studert gjennom de fenomenene man kan observere «globalt», dvs. for eksempel totalkonsentrasjonen av Ca²⁺ i cytoplasma og summen av strømmen fra alle membrankanaler. I 1990-årene gjorde forbedringer i mikroskopiteknikk imidlertid at man kunne beskrive de lokale prosessene i større detalj enn før. Dermed ble det bekreftet at den raske økningen av Ca²⁺ i cytosol som skjer ved aktivering av hjertemuskelcellene, er et resultat av at mange RyR-kanaler åpner samtidig (8).

Disse RyR-kanalene finnes i velavgrensede «klynger» i det sarkoplasmatiske retikulum. L-type Ca²⁺-kanalene i overflatemembranen er tett koblet til en RyR-klynge. Denne lokale strukturen utgjør «dyaden» – den ultrastrukturelle grunnenheten i kobling mellom depolarisering og Ca²⁺-frigjøring i hjertemuskelcellene. Den raske spredningen av aksjonspotensialet i cellemembranen (hele cellen depolarisert i løpet av ~ 0,1 ms) (9) aktiverer L-type Ca²⁺-kanaler i hele cellen nærmest simultant, og den tette koblingen til RyR i dyadene sikrer synkron og homogen Ca²⁺-frigjøring i cellen. Det er vist at dyadens struktur kan forstyrres ved for eksempel hjertesvikt, og at dette medfører heterogen, dyssynkron og langsommere Ca²⁺-frigjøring (7, 10).

Dyaden – ett av flere mikrodomener?

Kunnskapen om dyadens struktur kan altså forklare vesentlige fysiologiske og patofysiologiske fenomener knyttet til hjertemuskelcellenes Ca²⁺-homøostase. Utvikling av nye molekylære teknikker har imidlertid vist at dyaden ikke er den eneste lokale enheten i hjertemuskelcellene, den er snarere en blant flere mikrodomener (11). Et eksempel på nye oppdagelser som har fremskyndet en slik tenkning, er det såkalte ankyrin-B-syndrom, eller lang QT-syndrom type 4.

Opphopning av plutselig død som følge av arytmier i en fransk familie ledet til genetiske analyser hvor man beskrev mutasjoner i et gen (ANK2) som koder for proteinet ankyrin-B (12). Senere bekreftet dyreeksperimentelle studier at redusert mengde ankyrin-B i hjertet medfører forhøyet risiko for at økt sympatikusaktivitet utløser ventrikulære arytmier og plutselig død (13).

Det ble vist at celler fra ventriklene til mus med redusert mengde ankyrin-B oftere spontant depolariserte under aksjonspotensialets repolariseringsfase (fase 3) og hvilefase (fase 4). Slike tidlige og sene etterdepolariseringer kan skyldes forstyrrelser i Ca²⁺-homøostasen og spontan Ca²⁺-frigjøring fra sarkoplasmatisk retikulum som aktiverer Na⁺/Ca²⁺-ionebytteren (NCX). NCX har som hovedoppgave å transportere ett Ca²⁺-ion ut av cellen i bytte mot tre Na⁺-ioner under cellens relaksasjonsfase. Dette skaper en innadgående strøm som virker depolariserende på cellemembranen. Denne depolariseringen balanseres av andre motsattvirkende ionestrømmer, og overskuddet av Na⁺ fjernes av Na⁺/K⁺-ATPasen. Ved frigjøring av Ca²⁺ fra sarkoplasmatisk retikulum i fase 3 eller fase 4 av aksjonspotensialet vil imidlertid NCX-strømmen kunne depolarisere cellemembranen tilstrekkelig til å utløse et spontant aksjonspotensial. Spontane aksjonspotensialer ses som ventrikulære ekstrasystoler og kan starte arytmier. Denne årsakskjeden ble vist i musene med redusert ankyrin-B under β-adrenerg stimulering: Spontan Ca²⁺-frigjøring medførte etterdepolariseringer, som utløste spontane aksjonspotensialer. Musene hadde også økt forekomst av ekstrasystoler og vedvarende ventrikulære arytmier.

Ikke alle mutasjoner i ANK2 disponerer for slike arytmier, den kliniske effekten avhenger av mutasjonens betydning for ankyrin-B-funksjonen (14, 15). På tross av denne innsikten i sykdomsmekanismen er forebyggende behandling av ankyrin-B-syndromet begrenset til β-adrenerge reseptorantagonister og implanterbar defibrillator, selv om andre tiltak som sympatikusdenervering også har vært foreslått (16). En mer spesifikk behandling vil avhenge av svaret på det gjenstående spørsmålet: Hvordan medfører redusert ankyrin-B-funksjon endringer i Ca²⁺-homøostasen som øker risikoen for arytmi?

Ankyrin-B og IP₃R – nye gutter i gaten eller et helt nytt nabolag?

Ankyrin-B er et såkalt forankringsprotein. Det sørger for at flere proteiner som er involvert i Ca²⁺-håndtering i hjertemuskelcellene holdes på plass i bestemte mikrodomener (17). Det interessante er at proteinene som inngår i den klassiske dyaden ikke er blant disse. Ankyrin-B sikrer altså et lokalt samspill mellom andre proteiner. Tap av dette lokale samspillet kan ha stor betydning for Ca²⁺-homøostasen, i verste fall med fatale konsekvenser. Det finnes altså flere mikrodomener enn dyaden med betydning for Ca²⁺-håndteringen.

Proteiner i ankyrinfamilien stabiliserer og forankrer proteiner i sarcolemma og det sarkoplasmatiske retikulum til cellenes cytoskjelett (17). Ankyrin-B binder tre proteiner som er involvert i Ca²⁺-homøostasen: NCX og Na⁺/K⁺-pumpen (NKA) i cellemembranen og dessuten inositol(1,4,5)-trifosfatreseptoren (IP₃R) i det sarkoplasmatiske retikulum (18) (fig 1a). Gjennom effekten av digitalis har man lenge kjent til at samspillet mellom NCX og NKA er vesentlig for Ca²⁺-homøostasen i hjertet: Digitalis hemmer NKA og fører dermed til opphopning av Na⁺ i cytosol. Dette hindrer NCX i å bytte Ca²⁺ med Na⁺ fra ekstracellulærvæsken. Dermed stiger Ca²⁺-konsentrasjonen i cytosol. Vi har tidligere vist at NKA er samlokalisert med NCX (19, 20). Bindingen til ankyrin-B medfører at disse proteinene inngår i et mikrodomene med flere proteiner, blant annet IP₃R. Interessant nok har man vist at IP₃R også er en Ca²⁺-kanal i det sarkoplasmatiske retikulum (21). RyR er altså ikke den eneste veien for Ca²⁺-frigjøring fra det sarkoplasmatiske retikulum.

IP₃R stimuleres av IP₃, som frigjøres når fosfolipase C (PLC)-koblede reseptorer i cellemembranen aktiveres av endotelin-1, angiotensin II eller noradrenalin (22). Resultatet er at IP₃R åpner og frigjør Ca²⁺ fra sarkoplasmatisk retikulum til cytosol. Denne prosessen krever ikke en forutgående depolarisering av cellemembranen. Dermed skiller denne Ca²⁺-frigjøringen seg fra den Ca²⁺-induserte Ca²⁺-frigjøringen fra RyR-kanalene. Når det i tillegg normalt er langt færre IP₃R enn RyR, ca. 1 : 50 (23), og Ca²⁺-frigjøring fra hver IP₃R er langt tregere og mindre enn Ca²⁺-frigjøringen fra RyR, må man spørre hvilken funksjon frigjøringen fra IP₃R har. Dette er et uavklart spørsmål, men det er grunn til å tro at svaret involverer Ca²⁺-signalering i mikrodomenet til IP₃R og at sammenhengen med hjertesykdom kanskje skyldes endringer internt i dette eller i samspillet med andre mikrodomener (24).

IP₃R – regulator av RyR eller trykkventil?

Selv om man vet at også IP₃R finnes i membranen til det sarkoplasmatiske retikulum, er lokaliseringen i forhold til RyR-klyngene fortsatt uavklart. Lokaliseringen og det funksjonelle samspillet med RyR er avgjørende for betydningen av unormal IP₃R-funksjon i ankyrin-B-syndrom og hjertesvikt.

Vi har formulert to hypoteser for IP₃Rs rolle (fig 1a, fig 1b): Dersom IP₃R er samlokalisert med RyR, kan det tenkes at den spiller en rolle som regulator av den Ca²⁺-induserte Ca²⁺-frigjøringen. Ca²⁺-frislipp fra IP₃R kan endre den lokale Ca²⁺-konsentrasjonen rundt RyR og dermed påvirke RyRs følsomhet for Ca²⁺ (fig 1b). Dette vil i så fall være et eksempel på at et samspill mellom ulike proteiner i samme mikrodomene i hjertemuskelcellene kan gi finere regulering av sammentrekningen.

Alternativt kan IP₃R spille en rolle som «trykkventil» i Ca²⁺-lageret (fig 1a): Lokaliseringen av IP₃R i samme mikrodomene som NKA og NCX gjør at Ca²⁺ som slippes fri gjennom IP₃R, lett kan transporteres ut av cellen på en kontrollert måte. Det er velkjent at opphopning av Ca²⁺ i hjertemuskelcellene har en positiv effekt i form av økt inotropi. Men blir opphopningen for stor, vil Ca²⁺ «lekke» ukontrollert fra det sarkoplasmatiske retikulum gjennom RyR. Som tidligere beskrevet vil slik RyR-lekkasje kunne aktivere NCX, lede til etterdepolariseringer og utløse arytmier. De siste årene har imidlertid vist at lekkasje fra det sarkoplasmatiske retikulum også kan foregå «i det stille», uavhengig av RyR (25). Slik lekkasje kan tenkes å foregå gjennom IP₃R. Det er derfor svært interessant at hjertesvikt, endepunktet for mange hjertesykdommer, er assosiert med økt mengde IP₃R i hjertet (22, 26).

Ved hjertesvikt finner man også økt aktivitet i det sympatiske nervesystemet samt i endotelin- og renin-angiotensin-systemet. Siden dette medfører økt produksjon av IP₃, kan IP₃R og dets mikrodomene spille en større rolle ved hjertesvikt enn i friske hjerter (22). Om dette er en beskyttende mekanisme for å forhindre overfylling av det sarkoplasmatiske retikulum, ev. om det bidrar til svekket kontraktilitet ved å redusere Ca²⁺-lageret eller øker risikoen for arytmier ved å gjøre RyR «hypersensitiv», vites ikke sikkert per i dag. Mye tilsier imidlertid at både dette og andre mikrodomener i hjertemuskelcellene bør studeres videre for å forstå hvordan hjertet funger normalt og under sykdom.

Konklusjon

Fra Ringer oppdaget betydningen av Ca²⁺ for muskelkontraksjonen har hjertefysiologien forklart flere og flere fysiologiske fenomener ved å bevege seg fra organ til celle til protein. De senere tiårenes forskning har vist behovet for også å studere struktur og funksjon i avgrensede og tilgrensende mikrodomener i hjertemuskelcellene. Eksempler fra ny innsikt i betydningen av ankyrin-B og IP₃R viser at dette kan ha stor betydning for forståelsen av sykdommer med svekket kontraktilitet og økt risiko for arytmier.