Caractérisation et modulation du substrat de repolarisation et de l’arythmogénicité dans le ventricule droit porcin

Characterization and modulation of repolarization substrate and arrhythmogenicity in the porcine right ventricle

• Auteur / Autrice : Cindy Michel
• Direction : David Benoist
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Cellulaire et Physiopathologie
• Date : Soutenance le 26/02/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche cardio-thoracique de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Pierre Dos Santos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Benoist, Pierre Dos Santos, Patrick Bois, Véronique Maupoil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Bois, Véronique Maupoil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arythmie

Syndrome de repolarisation précoce

Électrophysiologie

Ventricule droit

Mots clés libres

Cardiaque

Electrophysiologie

Ventricule droit

Repolarisation

Arythmies

Cardiac

Electrophysiology

Right ventricle

Repolarization

Arrhythmias

Résumé

Le ventricule droit (VD), et notamment l’infundibulum pulmonaire, est l’origine anatomique de troubles du rythme ventriculaire en conditions idiopathiques ou pathologiques. La raison et les mécanismes par lesquels le VD apparait comme une origine préférentielle de ces arythmies, demeurent mal compris. Dans ce contexte, le rôle potentiel du substrat de repolarisation dans l’arythmogénicité de la région a été étudié. Ce substrat a été caractérisé fonctionnellement par cartographie optique de l’activité électrique de VD porcins isolés et perfusés, et sur le plan moléculaire par western blot. Les principaux courants impliqués dans les phases 2 et 3 du potentiel d’action ventriculaire, ICaL, IKr, IKs, ont été pharmacologiquement modulés afin d’étudier leur implication dans la repolarisation du VD, son hétérogénéité, ainsi que son arythmogénicité. La repolarisation du VD a également été caractérisée dans une situation d’activation des courants IK-ATP. Des mutations associées à ces courants ont été identifiées dans le syndrome de Brugada et le syndrome de repolarisation précoce, caractérisés par un risque arythmique pouvant conduire à la mort subite cardiaque, et dont le VD est fréquemment la source.La caractérisation de la repolarisation du VD en condition basale montrait des signatures électrophysiologiques locales de durées de potentiels d’action et d’activation. Ces signatures locales, persistant (mais sensibles) aux modulations électrotoniques, conditionnaient la repolarisation du VD et son hétérogénéité. Les adaptations différentielles régionales à l’augmentation de la fréquence de stimulation, suggéraient une contribution relative d’IKr et d’IKs à la durée du potentiel d’action, propre à chaque région.La modulation des courants ICaL, IKr et IKs, montrait que la contribution d’ICaL était homogène dans le VD, alors qu’IKr et IKs semblaient contribuer aux signatures régionales de durée des potentiels d’action. Certains des effets observés lors des études fonctionnelles corrélaient avec des expressions différentielles des sous-unités α formatrices de canaux responsables de ces courants. Enfin, bien que l’altération de toutes les conductances allongeait la durée du potentiel d’action et rendait la repolarisation hétérogène, seule l’activation d’ICaL rendait les VD hautement susceptibles au développement d’arythmies.Dans un autre contexte, la modulation des courants IK-ATP montrait que les canaux contenant SUR2A, contribuaient majoritairement à cette conductance ionique dans le VD porcin. La modulation des canaux liés à SUR2A produisait des effets différentiels entre les surfaces et les régions, augmentant significativement les hétérogénéités de repolarisation. Les signatures régionales observées entre l’infundibulum du VD et sa paroi libre dans l’épicarde étaient par ailleurs retrouvées sur les potentiels d’action de cardiomyocytes isolés à partir de ces régions. La réaction plus précoce de l’endocarde par rapport à l’épicarde avait aussi été observée sur un VD isolé humain. Dans tous les cas, le phénotype des expressions intrinsèques locales des Kir6.x et SURx composant les canaux responsables d’IK-ATP semblait impliqué dans les effets différentiels fonctionnels observés sur les VD. Enfin, activer préférentiellement les canaux contenant SUR2A était particulièrement arythmogène, probablement sous l’effet de la contribution intrinsèque différentielle régionale des courants IK-ATP médiés par cette sous-unité.Ensemble, ces travaux montrent que le VD est une structure complexe, formée de régions distinctes possédant des propriétés intrinsèques d’expression protéiques responsables de leur signature électrophysiologique. Ces signatures locales associées à la structure du tissu semblent contribuer à a une repolarisation homogène en condition physiologique mais contribuent probablement à rendre la repolarisation hétérogène lors de séquences d’activations anormales, ou lorsque des conductances de la repolarisation sont altérées.

The right ventricle (RV) and more specifically the RV outflow tract, is a common anatomical origin of ventricular arrhythmias under both idiopathic and pathological conditions. Mechanisms associated with this preferential origin are unclear. In this context, the potential contribution of a specific and heterogeneous RV repolarization substrate to the region’s arrhythmogenicity was investigated. At the functional level, this substrate was characterized by optically mapping the electrical activity of perfused isolated healthy pig RVs and was characterized at the molecular level by western blotting. The main currents involved in phase 2 and 3 of the ventricular action potential, ICaL, IKr, IKs, were pharmacologically modulated to assess their respective contribution to RV repolarization, its heterogeneity and RV arrhythmogenicity. RV repolarization was also characterized in the context of IK-ATP current activation. Gain-of-function mutations in K-ATP ion channels have been identified in Brugada syndrome and early repolarization syndrome which are both associated with ventricular arrhythmias which are frequently originating from the RV and a high risk of sudden cardiac death.Under basal conditions, RV repolarization showed specific local electrophysiological signatures in action potential duration. Activation sequence and electrotonic load modulated APD but the local signatures remained, indicating these may be related to local ion channel expression profile. Indeed, functional results partly correlated with the expression of ion channels α-subunits. Differential regional adaptation to an increase in stimulation frequency suggested a region-specific contribution of IKr and IKs to the local action potential duration.Pharmacological modulation of ICaL, IKr and IKs, showed ICaL contribution to the action potential duration was homogeneous accross the RV whereas IKr and IKs, seemed to contribute to the regional action potential duration signatures. Although all pharmacological interventions prolonged action potential duration and increased its dispersion, only ICaL activation was arrhythmogenic.In another context, IK-ATP modulation showed SUR2A-containing channels were the main contributor to this current in the pig RV. SUR2A-containing K-ATP channels modulation led to distinct regional effects on epi- versus endo-cardium action potential duration and between RV free wall versus RVOT, thus leading to a significant increase in repolarization heterogeneity in isolated pig and human RVs. These specific regional modulations in action potential duration were also identified at the cellular level and seemed to be directly related to local intrinsic Kir6.x and SURx expression levels. Interestingly, SUR2A-containing channels activation was highly arrhythmogenic in isolated pig RVs and this was likely related to the increased repolarization heterogeneity.Altogether, this work highlight RV repolarization complexity with distinct regions of specific intrinsic expression patterns which dictates their local electrophysiological signature. These local features, in conjunction with a complex activation pattern and a specific structure were responsible for a rather homogeneous repolarization under pseudo-physiological conditions. However, heterogeneous modulation of these local features by a change in activation sequence, or when repolarizing currents were altered, led to an increase in RV repolarization heterogeneity and arrhythmogenicity.