Building cardiomyocytes at the nanoscale

Hjertesvikt er en av de ledende dødsårsakene på verdensbasis, og oppstår når hjertets pumpekapasitet reduseres. Hjertekontraksjon er avhengig av sammentrekningen av hver enkelt hjertemuskelcelle, som igjen er avhengig av byggeklosser i cellene kalt t-tubuli og dyader. Hvordan disse organiseres for å danne funksjonelle enheter er fortsatt ikke kjent. I dette prosjektet ønsket vi å undersøke den strukturelle organiseringen av dyadene, og proteiner assosiert med disse, både under hjertets utvikling og ved hjertesvikt. Til dette formålet har vi brukt nyskapende metoder, som super-resolusjon mikroskopi, som gir oss muligheten til å forstørre og gi oss detaljerte bilder av både cellen og dens innhold. Ved å bruke en stor dyremodell, sau. For første gang noensinne gir vi en detaljert beskrivelse av den tredimensjonale organiseringen til dyadene, som er med på å øke forståelse av hvordan disse regulerer hjertekontraksjon. Denne studien viser hvordan t-tubuli danner nettverk, og hvordan dyadene sakte øker gjennom fosterutviklingen hos sau. Videre har vi undersøkt hvordan arbeidsmengde påvirker disse nettverkene, ved å endre det systoliske trykket in vivo. Vi ser også at økt systolisk trykk fremskynder hypertrofi og øker t-tubuli tettheten sammenlignet med ubehandlede dyr ved samme fosterstadium. Hvis vi reduserer det systolisk trykket derimot, reduseres også t-tubulienes utviklingshastighet, samt mindre kardiomyocytter. I tillegg observerte vi at endringer i substruktur-utvikling ved økt arbeidsmengde var direkte knyttet til endringer i uttrykk av proteiner som regulerer t-tubuli. Vi antar at dette er en kompensasjonsmekanisme for å styrke hjertekontraksjonene. Denne innsikten vil være viktig for å utvikle nye behandlinger for pasienter med hjertesvikt, som igjen kan styrke hjerteslagene fra hver enkelt muskelcelle.

The present project is amongst the first to perform a detailed assessment of cardiomyocyte assembly in a large mammal. Our findings indicate that impaired cardiac function in fetal hyper- and hypo-tension conditions can involve changes in cardiomyocyte substructure influencing prenatal heart health. These load-dependent changes in fetal heart maturation and differentiation may also affect health after birth and long-term cardiovascular function. In addition to understanding human development, access to developing human tissue is very limited, and it is critical that we can employ animal models that accurately reflect these processes. In this regard, the present work is amongst the first to perform a detailed assessment of cardiomyocyte assembly in a large mammal. Such insight is critical to form a basis for ongoing work aimed at differentiating human stem cells well-differentiated cardiomyocytes suitable for cardiac transplantation and repair.

Contraction of the heart is a tightly controlled process, initiated at subcellular elements called dyads. Within these structures, Ca2+ release channels known as ryanodine receptors (RyRs) in the sarcoplasmatic reticulum (SR) are located within close proximity to L-type Ca2+ channels (LTTCs) and the Na+-Ca2+ exchanger (NCX) in the adjacent sarcolemma (T-tubules). This arrangement is believed to allow efficient triggering of Ca2+ induced Ca2+ release. However, despite decades of investigation, the precise organization and function of these structures remains unclear. Even less clear is how dyads are assembled in developing heart; knowledge which is key for generating mature cardiomyocytes from stem cells for tissue engineering. In this project, the applicant will examine dyadic formation in unprecedented detail, using a fetal sheep model employed by the host group at the Oregon Health&Science University. Using cutting edge microscopy technology, dyadic proteins (LTCCs, NCX, and RyRs) will be localized by super-resolution confocal microscopy (Fast-mode Airyscan) imaging. These techniques will allow us to create dyadic maps attained at progressive stages of cardiac development. The role of cardiac workload in driving this precise dyadic assembly will be elucidated by employing load-altering surgical interventions established by the host group. Upon her return to Oslo, the applicant will employ her newfound expertise in subcellular imaging to compare dyadic structure in the maturing sheep heart with that of human heart failure patients. Indeed, accumulating evidence indicates that fetal gene programs are reactivated in disease, suggesting that dismantling of dyads during heart failure may reiterate the subcellular structure of immature cardiomyocytes. Thus, we anticipate that novel therapeutic targets to understand and potentially treat cardiac disease progression will be revealed.