Onderzoekslijnen

Repolarisatie en aritmogenese uitklapper, klik om te openen

prof. dr. Marc Vos

Zuurstofrijk bloed rondpompen is de hoofdtaak van het hart. Hiervoor moet het hart geëxciteerd worden en de myocieten moeten synchroon contraheren, dit proces noemen we excitatie-contractie koppeling. De elektrische prikkel begint in de sinusknoop en verspreidt zich snel (geleiding) door het hartweefsel. Na de contractie moet het hart zijn elektrische en contractiele staat terugbrengen naar de ruststaat (repolarisatie). Ventriculaire aritmieën kunnen gebaseerd zijn op twee onderliggende mechanismen: triggered activity en reentry. Deze worden respectievelijk veroorzaakt door verstoringen in cellulaire repolarisatie en / of verstoring van geleiding.

Wanneer de repolarisatie reserve is afgenomen, kan een (extra) verstoring van repolarisatie leiden tot nadepolarisaties die ectopische slagen kunnen veroorzaken. Dit proces begint met instabiele verlenging van de ventriculaire actiepotentiaal: een toename in slag-op-slag variatie van repolarisatiekracht. Deze toename kan worden gedetecteerd in elektrofysiologische parameters en op deze wijze kunnen 1) patiënten met risico worden gevonden, en 2) zelfs het ontstaan van aritmieën worden tegengegaan als de parameter gekoppeld is aan een interventie algoritme. Voortduren van de aritmie is afhankelijk van (een combinatie van) reentry en triggered activity.

Verstoorde impulsgeleiding in het hart en aritmogenese uitklapper, klik om te openen

dr. Toon van Veen

Contractie van het hart is afhankelijk van een samenspel van excitatie van de individuele cardiomyocieten waaruit de hartspier bestaat. Om dit te bereiken, wordt de elektrische impulse die in de sinusknoop ontstaat op een strak georganiseerde wijze door het hartweefsel verspreid. De drie bepalende factoren voor goede impulsgeleiding zijn: exciteerbaarheid van de cardiomyocieten (hangt af van goed functioneren van de natrium ionkanalen), cel-op-cel koppeling (gefaciliteerd door intercellulaire gap junction kanalen) en homogene weefselarchitectuur (cell grootte, oriëntatie en extracellulaire matrix samenstelling). De intercalair schijf (intercalated disc, ID) verbindt naastliggende cardiomyocieten zowel elektrisch als mechanisch, en is erg belangrijk voor goede impulsgeleiding. In de ID faciliteren grote macromoleculaire complexen vele belangrijke cellulaire processen. Onder pathologische condities veranderd de samenstelling en integriteit van deze complexen op zo'n manier dat dit kan leiden tot zowel verstoorde contractie als aritmogenese. Dit kan gebeuren bij ziekteprocessen (bijvoorbeeld myocardinfarct of hypertensie) als ook bij aangeboren afwijkingen (e.g. mutaties in genen coderend voor ID eiwitten). Verdere verslechtering van hartfunctie  gedurende pathogenese wordt veroorzaakt door toegenomen depositie van extracellulaire matrix componenten (fibrose), proliferatie van fibroblasten en geprogrammeerde celdood (apoptose). Ventriculaire aritmiën ontstaan vaak in de vroege (verborgen) fase van hartziekte, en kunnen dodelijk zijn als reanimatie niet binnen minuten succesvol is. Ons onderzoek richt zich op mechanismen die aritmogenese en fibrose veroorzaken. Hiervoor gebruiken we verschillende onderzoeksmodellen met toenemende complexiteit (gekweekte cardiomyocieten, fibroblasten, muismodellen en patiëntenmateriaal).

Ionkanaal trafficking uitklapper, klik om te openen

dr. Marcel van der Heyden

Een goede balans in expressie van cardiale ionkanalen in het sarcolemma van de cardiomyociet is cruciaal voor normale actiepotentiaalvorming en dus hartfunctie. De cellulaire processen die ionkanaaleiwitten transporteren van het endoplasmatisch reticulum naar specifieke regio's van de sarcolemma, en deze later weer verwijderen en naar het eiwitdegradatieproces sturen, worden respectievelijk anterograde en retrograde transport genoemd. Verstoorde ionkanaal trafficking staat aan de basis van vele congenitale en verworven aritmiën. Bij de afdeling Medische Fysiologie focussen we op trafficking van ionkanalen betrokken in repolarisatie zoals het I_Kr en I_K1 kanaal. We beginnen te begrijpen dat ionkanalen op kanaaltype-specifieke wijze met specifieke interacterende eiwitten getransporteerd worden, om zo op de juiste plaats in het sarcolemma terecht te komen. We gebruiken een multidisciplinaire aanpak met daarin moleculaire biologie en celbiologie, geavanceerde cellulaire imaging technieken en elektrofysiologische methodes, en vertalen onze bevindingen naar de kliniek. We zijn initiatieven gestart om ons onderzoek van cellijnen, via geïsoleerde volwassen cardiomyocieten en weefselbiopten, naar in vivo modellen te brengen. Hiermee hopen we nieuwe kennis te vergaren die niet alleen ons begrip van de pathologische mechanismen in hartritmestoornissen verbeteren, maar ook kunnen leiden tot nieuwe therapeutische strategieën en veiliger medicijnen. 

Geavanceerde methodes in cellulaire elektrofysiologie uitklapper, klik om te openen

dr. Teun de Boer

Een belangrijke observatie in de fysiologie is dat de cellen in een orgaan vaak de primaire functie van het orgaan repliceren: neuronen integreren signalen vanuit hun omgeving, en hartspiercellen (cardiomyocieten) contraheren in reactie op een elektrische stimulus. Bij onze afdeling bestuderen we de cellulaire fysiologie van cardiomyocieten op de conventionele wijze door metingen te verrichten aan geïsoleerde cardiomyocieten met behulp van de patch clamp techniek. Daarnaast werken we ook aan nieuwe, geavanceerde methodes die zullen helpen om meer inzicht te krijgen in de functie van cardiomyocieten terwijl ze nog in het hart zitten. Dit doen we door gebruik te maken van optogenetische sensors die ons in staat stellen om bijvoorbeeld intracellulair Ca²⁺ of membraanpotentiaal van cardiomyocieten in het hart te meten.

Een ander belangrijk focusgebied is de ontwikkeling van real-time simulaties van ionkanalen, de zogenaamde dynamic clamp techniek. Hieraan wordt gewerkt met steun van het Meer Kennis Minder Dieren programma van ZonMW. We maken stamcel-afgeleide cardiomyocieten beter geschikt voor fysiologisch en farmacologisch onderzoek door middel van de dynamic clamp techniek. Het probleem van deze in vitro gekweekte cellen is namelijk dat ze onvoldoende ontwikkeld zijn, wat onder andere blijkt uit spontane contracties en elektrische activiteit. Dit wordt onder andere veroorzaakt door het ontbreken van I_K1 ionkanalen, die in het hart zorgen voor een stabiele, negatieve rustmembraanpotentiaal. Door een real-time simulatie van I_K1 kanalen te koppelen aan een stamcel-afgeleide cardiomyociet kunnen we een hybride model creëren dat zich veel meer gedraagt als een ontwikkelde hartspiercel. Daarmee is het vervolgens beter mogelijk om onderzoek uit te voeren met een voorspellende waarde voor medicijnveiligheid. 

Om deze techniek mogelijk te maken hebben we een geautomatiseerd dynamic clamp systeem ontwikkeld, wat het mogelijk maakt om meer experimenten per dag uit te voeren. Het is geïntegreerd met een geautomatiseerde patch clamp systeem (Nanion Patchliner), waardoor het gehele experiment geautomatiseerd kan worden. Nanion Technologies heeft een licentie op dit systeem verkregen, en heeft het op de markt gebracht onder de naam Dynamite⁸.