Study of the tissue determinants of cardiac arrhythmias with novel biophysical approaches

Alterations in cardiomyocyte Ca2+ handling initiate and sustain arrhythmias. Catecholaminergic Polymorphic Ventricular Tachycardia (CPVT), is an inherited arrhythmogenic disease due to a gain-of-function mutation of RyR2 Ca2+ channels, causing Ca2+ leak from the sarcoplasmic reticulum and abnormal membrane depolarization. How these events are linked to the onset of tissue-wide arrhythmias remains unclear. Ca2+ signaling was investigated in a multicellular model of cardiac tissue, by using a multispot multiphoton microscope that unmasked fast occurring Ca2+ dependent signals. The multicellular model allowed to visualize Ca2+ alternans and synchronized spontaneous Ca2+ releases in CPVT. Such synchronization, would be necessary to overcome the source-sink mismatch in the heart and generate ectopic foci of depolarization that serve as arrhythmia trigger. We thus used optogenetics to calculate the critical mass (<2000 cells) necessary to form such ectopic foci and, with the same method we mimicked the bidirectional ventricular tachycardias characteristic of the clinical manifestation of CPVT.

Alterazioni nell’omeostasi del Ca2 + nei cardiomiociti possono avviare e sostenere aritmie. La tachicardia catecolaminergica polimorfica ventricolare (CPVT), è una malattia aritmogenica ereditaria dovuta ad una mutazione dei canali RyR2 del Ca2 +, causando un’incontrollata fuoriuscita di Ca2+ dal reticolo sarcoplasmatico e un’anormale depolarizzazione della membrana. Come questi eventi siano legati alla comparsa di aritmie a livello del tessuto rimane poco chiaro. Il signaling del Ca2 + è stato studiato in un modello multicellulare di tessuto cardiaco, utilizzando un microscopio multi fotone a multipunto che ha smascherato i veloci segnali dipendenti dal Ca2 +. Il modello multicellulare ha permesso di visualizzare alternans di Ca2 + e la sincronizzazione dei rilasci spontanei di Ca2 + in modelli di CPVT. Tale sincronizzazione è necessaria per superare il mismatch source-sink nel cuore e generare foci ectopici di depolarizzazione che servono come innesco aritmico. Abbiamo usato inoltre l’optogenetica per calcolare la massa critica (<2000 cellule) necessaria per formare tali foci ectopici e, con lo stesso metodo abbiamo imitato le tachicardie ventricolari bidirezionali caratteristiche della manifestazione clinica della CPVT.