Ion channel remodeling in response to variations in heart rate

A downregulation of the transient outward K+ current (Ito) is a common finding in hypertrophy; tachypacing induced heart failure, which can lead to lethal arrhythmias and sudden death as a result of action potential prolongation.To better understand how variations in heart rate may affect the electrical properties of the heart, based on an in vitro tachypacing model, we compared frequency-dependent changes in adult epicardial (Epi) versus endocardial (Endo) canine cells. Thus, Ito was recorded with whole-cell patch-clamp in Endo and Epi cardiomyocytes after 24-hr culture under continuous electrical stimulation at either 1-Hz (normal rate) or 3-Hz (tachycardia). Ca2+ transient amplitudes (Indo1-AM) were recorded from En-do and Epi cells at 0hr, 2hr, 4hr, 8hr and 24hr after continuous electrical stimulation at either 1-Hz or 3-Hz. Analysis of inactivation/reactivation kinetics, activation/inactivation voltage dependence properties showed no difference between 1- and 3-Hz paced cells for either cell type. Tachypacing (3Hz pacing) reduced Ito density and Kv4.3 mRNA ex-pression in Epi cells but not in Endo. Ca2+-chelation by BAPTA-AM, prevented rate-dependent Ito downregulation in Epi cells, increasing Ito in tachypaced cells by ~47%. In Endo cells, BAPTA-AM increased Ito by ~200% in a rate-independent way. Con-sistent with the larger Endo response to Ca2+-chelation, Ca2+ transient amplitudes were greater in Endo (85±4 nM) than Epi (46±2 nM) cells. Ca2+ transient amplitude increased at early stages of tachypacing in Epi cells (i.e. 64.2±4.2 from 40.7±3.5 nM), in contrast to Endo cells. Inhibition of the calcineurin/NFAT pathway prevented rate-dependent Ito decrease in tachypaced Epi cells, without affecting Endo Ito.Our findings show that fast firing rate induces a different response in the regulation of Ito in adult Epi and Endo cells, which might be related to differential control by calcium-dependent signaling systems.Il est admit que le courant potassique sortant Ito est diminué de façon importante dans l'insuffisance cardiaque induite par un contexte d'hypertrophie ventriculaire et de tachystimulation. Plus précisément, des travaux précédents de notre laboratoire montrent que l'insuffisance cardiaque induite par tachystimulation ventriculaire chez le chien favorise les arythmies ventriculaires létales et la mort subite. Une réduction du courant Ito dans les ventricules a été démontrée dans ce modèle. Afin de mieux comprendre comment la tachystimulation (tachycardie ventricu-laire soutenue) affecte les propriétés électriques des cardiomyocytes ventriculaires, nous avons comparé l'effet de la tachystimulation in vitro sur le courant potassique Ito de cardiomyocytes de l'épicarde et de l'endocarde ventriculaire de chien. Le courant Ito de cardiomyocytes de l'epicarde et de l'endocarde à été enregistré à l'aide de la technique de patch-clamp en configuration cellule entière après 24h de culture sous tachystimulation continue a 1-Hz (rythme normal) ou 3-Hz (tachycardie). Les transi-toires calciques ont été étudiés (Indo1-AM) après 0, 2, 4, 8 et 24hr de stimulation a 1-Hz ou 3-Hz. L'analyse de la dépendance au voltage des processus d'inactivation et de réactivation du courant Ito n'a démontré aucune différence entre les cellules de l'épicarde et de l'endocarde, ni même entre 1-Hz et 3-Hz. De façon intéressante, la tachystimulation (3-Hz) réduisait la densité du courant Ito et l'expression des ARNms codant pour le canal Kv4.3 dans les cellules de l'épicarde mais pas dans l'endocarde. La chélation du calcium intracellulaire à l'aide du BAPTA-AM, prévenait cette diminution de Ito dans les cellules de l'épicarde entrainant une augmentation de ~47% du courant. Dans les cellules de l'endocarde, le BAPTA-AM provoquait une augmentation de ~200%. De façon cohérente avec une sensibilité des cellules de l'endocarde plus importante à la chélation de calcium, l'amplitude des transitoires calciques était plus importante dans les cellules de l'endocarde (85±4 nM) que dans les cellules de l'épicarde (46±2 nM). Alors que l'amplitude des transitoires calciques n'était pas modifiée par la tachystimulation dans les cellules de l'endocarde, une augmentation précoce était me-surée dans les cellules de l'épicarde (i.e. 64.2±4.2 vs 40.7±3.5 nM). L'inhibition de la voie de signalisation NFAT/calcineurine prévenait la diminution d' Ito dans les cellules de l'épicarde soumises à la tachystimulation et restait sans effet sur le courant Ito des cellules de l'endocarde.Nos résultats montrent que les cellules adultes de l'épicarde et de l'endocarde répondent de façon différente suite à une tachystimulation. Ce processus est possiblement lié à un contrôle différentiel de la signalisation induite par le calcium