Optogenetisches Arrhythmie-Modell zur Charakterisierung von Mutationen, welche katecholaminerge polymorphe ventrikuläre Tachykardie auslösen, sowie zum spezifischen Wirkstoffscreening im Pharynx von C. elegans
Authors:   , Engel Marcial 
Published: November 2024

Die erbliche Herzkrankheit katecholaminerge polymorphe ventrikuläre Tachykardie (CPVT) löst Arrhythmien in Stresssituationen oder während körperlicher Anstrengung aus. Die meisten Mutationen, die im Zusammenhang mit dieser potenziell tödlichen Krankheit stehen, wurden im Ryanodinrezeptor2 (RyR2) und in Calsequestrin2 gefunden. Diese Proteine spielen bei der Regulierung des intrazellulären Kalziumhaushalts von Herzmuskelzellen entscheidende Rollen. In dieser Arbeit wurden sechs CPVT-Mutationen mittels CRISPR-Cas9 in die Caenorhabditis elegans (C. elegans) Orthologe von RyR2 und CASQ2, unc-68 bzw. csq-1 inseriert. Diese Mutationen wurden mit videomikroskopischen und elektrophysiologischen Methoden, sowie mittels genetisch kodierten, fluoreszierenden Kalziumsensoren in dem zuvor etablierten optogenetischen Arrhythmiemodell charakterisiert. Dieses ermöglicht die Stimulation des Pharynxpumpens durch präzise Lichtpulse. Die optogenetische Stimulation wurde durch ein mikrofluidisches Screenchipsystem erweitert, um den für Wirkstoffscreens notwendigen hohen Durchsatz an Messungen zu gewährleisten. Unter weitgehend nativen Bedingungen auf Futter oder schwimmend in Flüssigkeit konnten keine oder nur geringe Effekte der Mutationen auf die Körperwandmuskulatur, die Schwimmfähigkeit und die Pumpfähigkeit des Pharynx festgestellt werden. Im Gegensatz dazu reduzierten drei UNC-68-Mutationen (S2378L, P2460S und Q4623R; RyR2-S2246L, -P2328S bzw. -Q4201R) die Fähigkeit der vorgegeben Zielfrequenz von 4 Hz bei der optogenetischen Taktung zu folgen signifikant, sodass hier von einem arrhythmischen Phänotyp gesprochen werden kann. Q4623R zeigte zusätzlich eine starke Reduktion der maximalen Pumprate. Bei der Verfolgung des Kalziumsignals zeigten die Mutationen S2378L und Q4623R eine erhöhte zytosolische Kalziumkonzentration während der optogenetischen Stimulation. Das 1,4-Benzothiazepinderivat S107, welches die Bindung von Calstabin2 an RyR2 begünstigt und so den geschlossenen Zustand des Kanals stabilisiert, konnte die Pumpfähigkeit mutationsspezifisch wiederherstellen. Die Wirkung von S107 war dabei von der Anwesenheit von FKB-2 abhängig, einem Homolog von Calstabin2 in C. elegans, was die Beteiligung dieses Proteins am pathogenen Mechanismus der jeweiligen Mutation nahelegt. Ebenso konnten neuartige Wirkstoffe mit bis jetzt unbekanntem Wirkmechanismus erprobt werden, sodass das „Wurmarrhythmie“-modell dank seiner einfachen Handhabung und hohen Durchsatzes der elektrophysiologischen Aufnahmen ein vielversprechender Ansatz für die Untersuchung mutations- und damit patientenspezifischer Medikamente für die Behandlung von CPVT ist. Der Großteil der Ergebnisse dieser Promotion sind 2022 als wissenschaftlicher Beitrag unter dem Titel „An optogenetic arrhythmia model – Insertion of several CPVT mutations into C. elegans UNC-68 disturbs calstabin-mediated stabilization of the ryanodine receptor homolog“ im Journal „Frontiers in Physiology“ veröffentlicht worden.