Cardiac Diseases with Molecular and Clinical Aspect : JPH2-RyR2-SCN5A gene mutations

Sydänperäisen äkkikuoleman ilmaantuvuus kaikissa ikäryhmissä on yksi tuhatta henkilövuotta kohden. Viime vuosikymmeninä geenitutkimusten kehittymisen myötä on molekyyligenetiikan avulla kyetty selventämään vakavien nuorellakin iällä henkeä uhkaavien sydänsairauksien diagnostiikkaa, optimoimaan hoitoja sekä arvioimaan sairastuneen lähisukulaisten sairastumisriskiä ja sydänseurantatarvetta. Lisäksi kantasolutekniikoiden kehittyminen helpottaa geneettisten sairauksien tutkimista solutasolla. Perinnöllisiä sydänsairauksia hoitaessa löysimme mielenkiintoisia sukuja, joiden sairauksia tutkimme kliinisesti ja laboratorio-oloissa. Tämä väitöskirja käsittelee monogeenisia vallitsevasti periytyviä sydänsairauksia, joihin erityisesti diagnosoimattomana liittyy äkkikuoleman riski nuorena. Varhaisella diagnostiikalla ja oikein kohdennetuilla hoidoilla potilaiden sairauden ennustetta voidaan merkittävästi parantaa. Totesimme laajassa pirkanmaalaisessa suvussa esiintyvän natriumkanava SCN5A D1275N geenimutaation, joka aiheuttaa sydämessä vakavia johtumishäiriöitä ja eteisperäisiä rytmihäiriöitä johtaen fataaleihin sydänperäisiin tromboembolisiin komplikaatioihin. Selvitimme 12-kytkentäisen sydänsähkökäyrän (EKG) löydöksien liittymistä SCN5A D1275N geenivirheeseen ja geenivirheen tromboembolisille komplikaatioille altistavien EKG löydösten ja tahdistin hoitoa vaativien johtumishäiriöiden ennakoitavuutta. Löysimme geenivirheeseen liittyviä sydänsairauden etenemistä ennakoivia EKG-muutoksia, joiden perusteella voimme jatkossa suunnitella geenivirheen kantajien hoitoja mahdollisimman oikea-aikaisesti ennen komplikaatioiden ilmaantumista. Hypertrofinen eli paksuseinäinen sydänlihassairaus on yleinen vallitsevasti periytyvä sydänsairaus esiintyen yhdellä henkilöllä 500:sta. Toistaiseksi hypertrofista kardiomyopatiaa aiheuttavia geenivirheitä on eniten löytynyt sydämen supistumisesta vastaavista sarkomeeriproteiineista. Toisessa osatyössä pystyimme osoittamaan ensimmäistä kertaa ei-sarkomeerisen kalsiumin säätelyyn vaikuttavan junktofiliiniproteiinia koodaavan JPH2 – geenivirheen vaikuttavan perinnöllisen hypertrofisen kardiomyopatian syntyyn. Analysoimalla yhdeksän perheen JPH2 (Thr161Lys) geenivirheen kantajien sydänmanifestaatioita totesimme JPH2 geenivirheen yksinään aiheuttavan hypertrofista kardiomyopatiaa. Katekoliamiiniherkkä polymorfinen kammiotakykardia (CPVT) on harvinainen perinnöllinen rytmihäiriösairaus, joka ilmaantuu fyysisen tai henkisen rasituksen yhteydessä katekolamiinien provosoidessa kammiolisälyöntisyyttä ja monimuotoista kammiotakykardiaa terverakenteisessa sydämessä. Rytmihäiriöiden hoidossa käytettävien lääkitysten teho on huono ja vaihteleva tautia aiheuttavan ryanodiinireseptori 2 (RyR2) mutaation kantajilla. Yhdistimme kliinisen ja kantasolututkimuksen tutkimalla dantroleeni-lääkkeen vaikutusta RyR2 mutaatiopotilailla ja heidän kantasoluistaan johdetuilla sydänsoluilla. Erityisesti, tutkimme mutaatiospesifistä lääkevastetta – N-terminaalimutaatioiden vaste hoitoon oli hyvä, kun taas C-terminaaliosan geenivirheen kantajilla ei ollut vastetta tutkitulle lääkkeelle. Merkittävin havaintomme oli huomata potilailla ja heidän kantasoluistaan johdetuilla sydänsoluilla (hiPSC-CM) olevan samanlainen lääkevaste. Jos potilas respondoi, myös hänen hiPSC-CM respondoivat lääkeaineelle, ja jos lääke ei tehonnut potilaaseen, se ei toiminut myöskään soluviljelmillä. Tutkimustulos kuvastaa mutaation sijainnilla olevan merkittävän vaikutuksen lääkevasteeseen. Siten voimme hiPSC-sydänsolumalleja käyttäen optimoida geneettisesti sydänsairaan potilaan hoitoja testaamatta lääkettä potilaalla. Ihmisen alkion kantasoluja (hESC) ja indusoituja kantasoluja (hiPSC) kutsutaan yleisesti pluripotenteiksi kantasoluiksi (hPSC). Näitä soluja voidaan muuntaa erilaisiksi ihmisen soluiksi. Soluviljelytekniikoilla tuotettujen ihmisen sydänsolujen (hPSC-CM) sähköisiä ominaisuuksia voidaan mitata käyttäen mikroelektrodeja (MEA). Näiden avulla rekisteröidään solun sähköistä potentiaalia (FP), jonka ajatellaan vastaavan ihmiseltä otettavaa EKG-rekisteröintiä. QT-aika 12-kytkentäisessä EKG:ssa on sykeriippuvainen ja korjauskaavoilla pyritään poistamaan sykkeen muutoksen vaikutusta QT-aikaan. Tutkimme Bazettin kaavan soveltuvuutta hPSC-CM-solumalleissa. Vertasimme FP-aikaa (FPD) EKG:n QT-aikaan eri syketaajuuksilla terveillä henkilöillä syketaajuutta polkupyörärasituksella nopeuttaen. Totesimme hPSC-CM solujen repolarisaatioparametrien käyttäytyvän samoin kuin QT-aika EKG:ssa, siten sama korjauskaava sopii soluviljelmien sähköiseen rekisteröintiin. Molekyyligeneettinen diagnoosi helpottaa potilaiden ja heidän terveiden lähisukulaisten sydänsairauden sairastumisriskin arviota, sairauden diagnostiikkaa ja hoitoa. Lisäksi kantasolutekniikoilla voimme tulevaisuudessa optimoida potilas- ja mutaatiospesifisiä hoitotapoja.The incidence of sudden cardiac death (SCD) in all age groups is one per thousand life-years. In recent decades, with the development of genetic research, molecular genetics has been able to clarify the diagnosis of serious life-threatening heart disease and to optimize treatments, and to assess the risk of disease and necessity of heart monitoring for the affected relatives. Additionally, the development of stem cell-based technologies has further helped to study genetic disease at cellular level. In the outpatient clinic for genetic cardiac diseases, we found interesting families whose diseases we further studied in more detail clinically and under laboratory conditions. Monogenic, dominantly inherited cardiac diseases were the focus. All these diseases are associated with an increased risk of sudden death at a young age. Early diagnosis and well-targeted treatments can significantly improve patients' prognosis. A large family carrying a sodium channel SCN5A gene mutation D1275N was found in the Pirkanmaa area in Finland. A clinical phenotype of family members included severe conduction defect and atrial arrhythmias. In this thesis, we analyzed 12-lead electrocardiogram (ECG) in that family and discovered ECG changes that predict conduction defect progression and cardiogenic thromboembolic complication. With these results, we will be able to predict the need for anticoagulation and pacemaker treatments of gene mutation carriers before complications appear. Hypertrophic cardiomyopathy (HCM) is a common monogenic heart disease that is estimated to appear in one in 500 individuals. So far, hypertrophic cardiomyopathy-causing gene defects have been most commonly found in sarcomere proteins corresponding to cardiac contraction. In the second part of the work, we were able to demonstrate for the first time the calcium handling protein junctophilin-2 (JPH2) gene to cause hypertrophic cardiomyopathy. This protein is a non-sarcomeric calcium regulator. This JPH2 p.(Thr161Lys) variant is a new Finnish mutation causing atypical HCM in many unrelated families. Catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia (CPVT) is an inheritable rare cardiac disorder associated with exercise- and emotional stress-induced ventricular extrasystole and tachycardia in the absence of structural heart disease. The efficacy of medications in these patients is poor. CPVT is caused by mutations in ryanodine receptor 2 (RyR2) gene. Combining a clinical trial with stem cell study, we investigate the effect of a certain medication (dantrolene) on patients and their stem cell-derived cardiomyocytes. First of all, we observed a clear mutation-specific response – N-terminal mutations responded well to the treatment while the drug had no effect in patients having mutations in the C-terminal part of the gene. Secondly, we did a major discovery the patients and their stem cell-derived cardiomyocytes responded similarly on the medication – if the patient responded, also his stem cell-derived cardiomyocytes responded, and if the patient did not, neither the cells did. The results demonstrated that the location of the mutation has a significant role in drug-responsiveness, and that stem cell-derived cell can be used for treatment optimization in patients with genetic cardiac diseases without testing the drugs in patients. Human embryonic stem cells (hESCs) and human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) are generally called pluripotent stem cells (hPSCs). These cells can be differentiated into any cell of human body. In this thesis, we analyze stem cell derived cardiomyocytes. Some electrophysiological aspects of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hPSC-CMs) can be studied using microelectrode arrays (MEAs), where the cells are cultured on electrodes and ECG-type of field potential (FP) recordings can be obtained. The QT interval in 12-lead ECG is beating-rate-dependent and correction formulas have been created to abolish the effect of the rate. We investigated whether the same formulas could be used when studying stem cell-derived cardiomyocytes. We compared the FP duration (FPD) to the QT time of electrocardiogram (ECG) from healthy individuals with low basic heart rate and performed stress exercise test to increase heart rate. We found that the repolarization parameter FPD in hPSC-cardiomyocytes (hPSC-CMs) behaved similarly as QT time in ECG recordings, and thus the same rate correction formula can be applied to electrical recordings in cell culture situations. In conclusion, the identification of the underlying genetic detect aims at identi-fying individuals at increased risk, and clinical parameters can be found to predict the need of further treatments. Additionally, stem cell technologies will be powerful in the future to optimize treatments in patient- and mutation-specific manner