Veda a výskum

Vápniková signalizácia a kontrakcia srdcových myocytov

Ing. Alexandra Zahradníková, DrSc.

Oddelenie bunkovej kardiológie, Ústav experimentálnej endokrinológie, Biomedicínske centrum SAV

Nepretržitá rytmická práca srdca srdcových svalových buniek je nevyhnutná pre ľudský život. Každé stiahnutie (kontrakcia) srdca zodpovedá koordinovanej kontrakcii všetkých srdcových svalových buniek (myocytov). Kontrakciu zabezpečuje vápnik uvoľnený z vnútrobunkových zásobníkov cez špecializované proteínové kanály, tzv. ryanodínové receptory (RyR), na elektrický podnet sprostredkovaný súhrou ďalších iónových kanálov. Poznanie mechanizmov, ktoré regulujú rýchlosť a silu kontrakcie je dôležité pre pochopenie funkcie zdravého srdca a pre umožnenie lepšej prevencie a liečby srdcových ochorení, pri ktorých je narušený práve vzťah medzi elektrickým podnetom a uvoľňovaním vápnika. Myocyty chorého a zlyhávajúceho srdca potom nie sú schopné dostatočnej kontrakcie a zároveň v nich dochádza k neplánovanému uvoľneniu vápnika, vedúcemu k srdcovým arytmiám. Dôležitou výzvou je pochopiť vzťahy medzi vlastnosťami iónových kanálov a bunkovou mikroarchitektúrou na jednej strane a excitabilitou, kontraktilitou a energetikou srdcových svalových buniek na druhej strane. Naše projekty sú založené na prepojení najmodernejších experimentálnych metód – merania aktivity membránových iónových kanálov, vnútrobunkovej aktivity vápnika a dynamiky membránových štruktúr bunky – s teoretickými metódami, ktoré zahŕňajú analýzu experimentov a matematické modelovanie. Naším cieľom je prispieť pôvodnými myšlienkami k objasneniu problematiky vápniková signalizácie srdcových myocytov, byť kompetitívnou súčasťou medzinárodnej vedeckej komunity a publikovať v popredných medzinárodných časopisoch našej vednej oblasti. K našim najvýznamnejším výsledkom patrí odhalenie štyroch aktivačných väzbových miest RyR pre vápnik, molekulárnych mechanizmov aktivácie RyR ligandami, a kvantitatívnych vzťahov medzi vrátkovaním RyR, lokálnym uvoľňovaním vápnika z vnútrobunkových zásobníkov a tvorbou vápnikových vĺn v zdraví, počas postnatálneho vývinu a pri srdcových ochoreniach.

http://confolab.sav.sk/ovsb/

Image1

Ilustrácia rozdielov v spontánnom uvoľňovaní vápnika v zdravých srdcových myocytoch a v myocytoch s narušenou funkciou. Výlev vápnika z vnútrobunkových zásobníkov sa prejavuje ako zosilnenie signálu fluorescenčného indikátora, ktoré možno pozorovať pomocou laserovej skenovacej konfokálnej mikroskopie. V zdravom myocyte je spontánny výlev vápnika zriedkavý (vľavo). Pri srdcových ochoreniach dochádza k zvýšeniu spontánneho uvoľňovania vápnika (stred), ktoré v závažných prípadoch vyúsťuje do vápnikových vĺn (vpravo).

 

Image2

Vápnikové vlny v myocytoch sa postupne šíria z ohniska svojho vzniku (vľavo). Nami vyvinutý model "fire-diffuse-fire" postupnej aktivácie zábleskov (vpravo) kvantitatívne vysvetľuje vzťahy medzi vlastnosťami RyR v diádach a pravdepodobnosťou vzniku vĺn (Petrovic a spol., J Gen Physiol. 145: 489-511, 2015).