Mechanizmy migotania przedsionków – rola układu autonomicznego

Jakie mechanizmy leżą u podstaw migotania przedsionków?

Migotanie przedsionków (AF) stanowi najczęstszą arytmię na świecie, związaną ze zwiększonym ryzykiem udaru niedokrwiennego lub zatorowości systemowej. Inicjacja i progresja AF wynika z remodelingu przedsionków, obejmującego zmiany elektryczne, strukturalne i kurczliwości, które przyczyniają się do samopodtrzymującego charakteru tej arytmii. Mimo postępów w badaniach, szczegółowe mechanizmy wpływu autonomicznego układu nerwowego (ANS) na AF nie zostały w pełni poznane.

Sercowy ANS jest uważany za istotny mechanizm w powstawaniu i utrzymywaniu się AF, a wcześniejsze badania sugerują, że odgrywa on kluczową rolę w procesie “AF wywołującego AF”. Rosnąca liczba dowodów wskazuje na nadmierną dystrybucję sympatyczną u pacjentów z AF, co potwierdzają zwiększone wyładowania sympatyczne u pacjentów z przetrwałym AF oraz w modelach zwierzęcych. Wcześniejsze prace wykazały również rozległe kiełkowanie włókien sympatycznych i błędnych zarówno w modelach AF, jak i OSA u psów. Jednak dokładne mechanizmy leżące u podstaw autonomicznego remodelingu przedsionków pozostają nieznane.

Kinaza białkowa aktywowana mitogenem (MAPK) może zwiększać ryzyko AF. Główni członkowie rodziny MAPK to p38MAPK, kinaza regulowana sygnałem zewnątrzkomórkowym 1/2 (ERK1/2) oraz kinazy N-końcowe c-Jun (JNKs). Wcześniejsze badania wykazały, że szlak ERK1/2 jest związany z aktywnością autonomicznego układu nerwowego. Nie jest jednak jasne, czy ERK1/2 jest powiązany z remodelingiem nerwów autonomicznych i w konsekwencji przyczynia się do AF.

Niedawne badania sugerują, że podwyższony poziom aldosteronu (ALD) może prowadzić do włóknienia przedsionków i przyczyniać się do AF. Badania na modelach psów wykazały, że blokery ALD mogą hamować powstawanie włóknienia i zapobiegać AF. Eplerenon jest selektywnym blokerem receptora ALD, który wykazał wartość terapeutyczną w zapobieganiu chorobom sercowo-naczyniowym. Jednak efekty eplerenonu na remodeling nerwowy przedsionków związany z AF nie są w pełni poznane. Dlatego nasze badanie zostało zaprojektowane, aby sprawdzić, czy eplerenon zapobiega remodelingowi nerwowemu przedsionków w AF poprzez szlak ERK1/2 MAPK.

Jakie modele eksperymentalne AF zostały zastosowane?

W badaniu wykorzystano modele AF u królików i szczurów. U królików AF wywoływano poprzez szybką stymulację prawego przedsionka (600 uderzeń/min przez 3 tygodnie), a grupę leczoną eplerenonem poddano terapii dawką 50 mg/dzień przez 28 dni. U szczurów model AF opierał się na podawaniu aldosteronu przez 2 lub 4 tygodnie za pomocą pomp osmotycznych w dawce 1,5 μg/h. Dodatkowo wykorzystano model komórkowy HL-1 poddany tachypacingowi, aby określić rolę MAPK w remodelingu nerwowym AF. Komórki HL-1 hodowano w pożywce Claycomb uzupełnionej 10% płodową surowicą cielęcą, penicyliną i streptomycyną, a następnie poddawano je stymulacji przy użyciu stymulatora YC-2.

Próbki krwi pobrano z serc po 3 tygodniach szybkiej stymulacji przedsionków. Stężenia noradrenaliny (NE), acetylocholiny (ACH) i aldosteronu (ALD) mierzono za pomocą zestawów dostępnych komercyjnie. Pomiary elektrofizjologiczne wykonywano przed pobraniem próbek krwi. W modelu króliczym, po znieczuleniu, intubacji i wentylacji mechanicznej, przeprowadzano torakotomię lewostronną. Czterobiegunową elektrodę przyszywano do wolnej ściany prawego uszka przedsionka. AF wywoływano stymulacją burst o częstotliwości 10 Hz przez 1-10 sekund. Jeśli AF trwało 30 sekund, wykonywano synchroniczną kardiowersję prądem stałym.

Czy eplerenon zmniejsza włóknienie oraz indukowalność AF?

Wyniki badań wykazały, że eplerenon hamował indukowany szybką stymulacją remodeling przedsionków. Analiza barwienia HE pokazała, że w grupie kontrolnej kardiomiocyty przedsionków były ułożone równomiernie, z wyrównanymi jądrami i niewielką ilością zrębu. Natomiast w grupie AF układ kardiomiocytów był wyraźnie zaburzony, luźny lub przerwany, jądra zdeformowane, tkanka łączna hiperplastyczna, a odległość między kardiomiocytami znacznie powiększona. Leczenie eplerenonem łagodziło te zmiany. Szybka stymulacja przedsionków nasilała również włóknienie śródmiąższowe w przedsionkach. Frakcja objętościowa kolagenu (CVF) była znacząco wyższa w grupie AF niż w grupie kontrolnej, co zostało odwrócone przez eplerenon.

Białka związane z włóknieniem, w tym kolagen III, α-SMA i TGF-β, były znacząco zwiększone w grupie poddanej szybkiej stymulacji przedsionków, jednak eplerenon mógł złagodzić te zmiany. Białka związane z apoptozą, cleaved-caspase3, były również znacząco zwiększone w grupie poddanej szybkiej stymulacji, a eplerenon mógł złagodzić te zmiany.

Zarówno szybka stymulacja przedsionków, jak i nadmiar krążącego aldosteronu zwiększały podatność na AF, podczas gdy eplerenon łagodził promowanie AF. W modelu króliczym indukowalność AF była znacząco zwiększona w grupie AF w porównaniu z grupą kontrolną. Jednak w porównaniu z grupą AF, częstość występowania AF była wyraźnie zmniejszona w grupie leczonej eplerenonem. Podobnie jak indukowalność AF, czas trwania AF był wydłużony w grupach AF, co zostało zredukowane przez eplerenon. W modelu szczurzym, indukowalność AF była znacząco zwiększona w grupach ALD2 i ALD4 w porównaniu z grupą kontrolną, a czas trwania AF był również wydłużony w ALD2 i ALD4.

Czy eplerenon modyfikuje autonomiczny remodeling przedsionków?

Badanie wykazało również wpływ eplerenonu na aktywność ANS w modelach AF u królików. Stężenia noradrenaliny (NE), acetylocholiny (ACH) i aldosteronu (ALD) w surowicy są ważnymi wskaźnikami aktywności przywspółczulnej i sympatycznej. Stężenie NE w surowicy było wyraźnie zwiększone w grupie AF w porównaniu z grupą kontrolną, jednak eplerenon nie hamował znacząco tej zmiany. Stężenia ALD i ACH w surowicy były znacząco zwiększone w modelu AF u królika, a eplerenon hamował te zmiany.

Ekspresja mRNA koneksyny 40 (Cx40) i koneksyny 43 (Cx43) była znacząco zwiększona w przedsionkach AF w porównaniu z grupą kontrolną, co zostało odwrócone przez eplerenon w grupie leczonej. Te wyniki wskazują, że złącze szczelinowe zostało uszkodzone po szybkiej stymulacji przedsionków przez 3 tygodnie, a uszkodzenie to mogło zostać odwrócone przez eplerenon.

Poziomy mRNA receptorów β1, β2 i M2 były zwiększone w grupie AF w porównaniu z grupą kontrolną. Jednak eplerenon znacząco odwracał nadekspresję receptora β1 i nieznacznie łagodził nadekspresję genów receptorów β2 i M2. Wyniki te sugerują, że nadekspresja receptorów β1 odgrywa kluczową rolę w autonomicznym remodelingu przedsionków w modelach szybkiej stymulacji przedsionków.

Czy szlak ERK1/2 MAPK i aldosteron kształtują strukturę przedsionków?

Ekspresja białek ERK1/2, acetyltransferazy cholinowej (ChAT) i białka związanego ze wzrostem 43 (GAP-43) była znacząco podwyższona w tkance przedsionków AF w porównaniu z grupą kontrolną, co zostało odwrócone przez eplerenon. Remodeling ANS w przedsionkach królików i szczurów został dalej zbadany poprzez detekcję ekspresji mRNA ChAT, GAP-43, hydroksylazy tyrozyny (TH) i czynnika wzrostu nerwów (NGF). Ekspresja genów ChAT, GAP-43 i NGF była wyraźnie zwiększona w przedsionkach grupy AF w porównaniu z grupą kontrolną, ale eplerenon łagodził te zmiany.

Dodatkowo, gęstość włókien pozytywnych dla TH, GAP-43, NGF i ChAT była wyższa zarówno w lewym, jak i prawym przedsionku królików z AF niż u królików z grupy kontrolnej. Jednak leczenie eplerenonem może odwrócić te zmiany. W szczurzych modelach AF również stwierdzono, że barwienie immunofluorescencyjne TH i ChAT w przedsionkach szczurów znacząco wzrosło zarówno w grupie ALD2, jak i ALD4.

Badanie wykazało, że znaczący remodeling nerwów przywspółczulnych i sympatycznych występował zarówno in vitro, jak i in vivo w modelu AF. Eplerenon wyraźnie hamował remodeling nerwów autonomicznych przedsionków poprzez hamowanie szlaku sygnałowego ERK1/2 MAPK. Nadmiar poziomu ALD jest zaangażowany w strukturalny remodeling przedsionków w AF. Remodeling strukturalny przedsionków charakteryzuje się włóknieniem śródmiąższowym. Wiadomo, że ALD jest ściśle związany z włóknieniem przedsionków i przyczynia się do AF u ludzi zgodnie z wcześniejszymi badaniami klinicznymi.

Czy zaburzenie równowagi autonomicznej sprzyja rozwojowi AF?

W badaniu wykazano również, że ALD może powodować substrat dla włóknienia przedsionków i AF. ALD może prowadzić do nadekspresji mediatorów profibrotycznych i syntezy kolagenu, czemu zapobiegają blokery receptora mineralokortykoidowego. Nasze wyniki są zgodne z wcześniejszymi badaniami klinicznymi i badaniami na zwierzętach. Stężenie ALD w surowicy było wyraźnie zwiększone w grupie AF. Barwienie metodą Massona wykazało wyraźny wzrost CVF, co wskazuje, że włóknienie przedsionków znacznie wzrosło po 3 tygodniach szybkiej stymulacji. Jednak te zmiany mogły być złagodzone przez eplerenon.

Remodeling autonomiczny przedsionków może stanowić ważny substrat dla AF, a zarówno aktywacja sympatyczna, jak i przywspółczulna różnie wpływają na elektrofizjologię przedsionków. Wcześniejsze badania wykazały, że remodeling autonomiczny przedsionków występuje w modelach zwierzęcych AF. W obecnym badaniu również stwierdzono, że kiełkowanie nerwów autonomicznych było znacząco zwiększone u królików poddanych szybkiej stymulacji przedsionków, co zostało wyraźnie złagodzone przez leczenie eplerenonem. W związku z tym postawiono hipotezę, że eplerenon może zmniejszać częstość występowania AF poprzez hamowanie autonomicznego remodelingu nerwowego przedsionków.

W badaniu stwierdzono, że ekspresja mRNA lub białka ChAT znacząco wzrosła zarówno in vivo, jak i in vitro w modelach AF, co może być hamowane przez eplerenon lub inhibitory ERK1/2. Jako jeden ze specyficznych markerów neuronów cholinergicznych, ChAT jest syntetyzowana w ciele neuronów cholinergicznych, transportowana do zakończeń nerwowych i ostatecznie uwalniana. Cholinergiczne receptory M2 są głównymi mediatorami przywspółczulnej kontroli funkcji serca. ACH wiąże się z muskarynowymi receptorami cholinergicznymi i aktywuje prąd potasowy regulowany przez ACH (I_K-ACH), który pośredniczy w skróceniu ERP. Skrócony ERP może znacząco zwiększyć częstość występowania AF.

Jak szlak ERK1/2 MAPK wpływa na remodeling nerwów?

W obecnym badaniu stwierdzono, że receptor M2 był nadekspresjonowany u królików poddanych szybkiej stymulacji przedsionków, co wskazuje, że nadekspresja receptora M2 uczestniczyła w remodelingu przywspółczulnym w modelach szybkiej stymulacji przedsionków i prowadziła do zwiększonej podatności na AF. Ponadto stwierdzono również, że stężenia ACH i ALD w surowicy były znacząco zwiększone w modelach AF. Te odkrycia sugerują, że nerw błędny może odgrywać ważną rolę w inicjacji i utrzymywaniu AF. Jednak eplerenon mógł odwrócić te zmiany.

Czy eplerenon zmienia oblicze terapii AF?

Chociaż układ sympatyczny wydaje się mieć mniej wyraźny wpływ na parametry elektrofizjologiczne przedsionków u normalnych osób, jest on bardziej kluczowy dla genezy AF w przebudowanych przedsionkach. Przeprowadzono barwienie immunohistochemiczne TH na próbkach tkanki przedsionków uzyskanych od królików z AF i zaobserwowano, że gęstość włókien TH-pozytywnych była wyższa zarówno w lewym, jak i prawym przedsionku królików z AF niż u królików z grupy kontrolnej. Ponadto ilościowo określono poziomy mRNA receptorów hormonu sympatycznego w tkance przedsionków. Wyniki wykazały znaczący wzrost gęstości receptorów β1 w tkance przedsionków grupy AF w porównaniu z grupą kontrolną. Natomiast tylko marginalny wzrost zaobserwowano w receptorach β2, który nie osiągnął istotności statystycznej. Tę rozbieżność można przypisać dominującej dystrybucji receptorów β1 w tkance sercowej, podczas gdy receptory β2 są głównie zlokalizowane w tkankach naczyniowych i oskrzelowych.

GAP-43 i NGF były markerami kiełkowania nerwów; wykazano, że są one kluczowym bodźcem leżącym u podstaw kiełkowania zarówno nerwów sympatycznych, jak i przywspółczulnych w sercu. Donoszono o ich wzroście w tkance przedsionków w modelu zwierzęcym AF, a także w ludzkim przedsionku AF. W obecnym badaniu zarówno ekspresje genów NGF i GAP-43, jak i barwienie nerwów z NGF i GAP-43 były podwyższone w przedsionkach grupy AF.

Ostatnio coraz więcej badań podkreśla znaczenie zaburzenia równowagi autonomicznej w AF. Wykazano jednoczesne wyładowania nerwów sympatycznych i przywspółczulnych bezpośrednio przed początkiem arytmii przedsionków w modelach zwierzęcych AF, a także w badaniach klinicznych. Nasze odkrycia są zgodne z wcześniejszymi badaniami. Wykryto aktywność przywspółczulną i sympatyczną i stwierdzono, że wzrost stężeń ALD i ACH w surowicy był znacząco wyższy niż NE w modelach AF, podczas gdy zaburzenie równowagi autonomicznej zostało odwrócone przez eplerenon. Wynika z tego, że zarówno nerwy adrenergiczne, jak i cholinergiczne były prawdopodobnie aktywowane podczas AF. Ostatecznie spowodowało to zaburzenie równowagi w układzie nerwowym autonomicznym, a ta jednoczesna aktywacja nerwów adrenergicznych i cholinergicznych skutkowała arytmią.

W badaniu zaobserwowano znaczącą nadekspresję białka ERK1/2 w tkance przedsionków królików z AF. Leczenie eplerenonem wyraźnie łagodziło tę nadekspresję. Następnie przeprowadzono eksperymenty walidacyjne również na poziomie komórkowym. Ekspresja ERK1/2 była nadekspresjonowana w stymulowanych komórkach HL-1, podczas gdy ta nadekspresja była hamowana przez eplerenon. W innym zestawie stymulowanych komórek HL-1, nadekspresja GAP-43 była hamowana przez U0126 (bloker ERK1/2). Wykazano, że ERK1/2 uczestniczy w strukturalnym remodelingu przedsionków w AF. Jednak znacznie mniej wiadomo na temat związku między ERK1/2 a remodelingiem ANS. Nasze odkrycia sugerują, że eplerenon może hamować remodeling nerwów autonomicznych przedsionków, prawdopodobnie poprzez jego wpływ na szlak ERK1/2 MAPK.

Podsumowanie

Migotanie przedsionków jest najczęstszą arytmią serca, która rozwija się w wyniku remodelingu przedsionków, obejmującego zmiany elektryczne, strukturalne i kurczliwości. Kluczową rolę w tym procesie odgrywa autonomiczny układ nerwowy oraz kinaza ERK1/2 MAPK. Badania na modelach zwierzęcych wykazały, że eplerenon, selektywny bloker receptora aldosteronu, może hamować remodeling nerwowy przedsionków poprzez wpływ na szlak ERK1/2 MAPK. Lek ten zmniejsza włóknienie przedsionków, redukuje indukowalność arytmii oraz modyfikuje autonomiczny remodeling przedsionków. Wykazano również, że eplerenon wpływa na ekspresję ważnych białek związanych z remodelingiem, takich jak koneksyna 40 i 43, oraz markerów kiełkowania nerwów. Zaobserwowano, że jednoczesna aktywacja układu współczulnego i przywspółczulnego prowadzi do zaburzenia równowagi autonomicznej, co sprzyja rozwojowi arytmii. Odkrycia te mogą mieć istotne znaczenie w opracowywaniu nowych strategii terapeutycznych w leczeniu migotania przedsionków.