Mutationer i hjertets pacemakerkanaler - ny årsag til syg sinus-syndrom og langt QT-syndrom

Hjertets autonome rytme bestemmes af den hyperpolariseringsaktiverede funny (I f )-strøm i sinusknuden, som genereres af pacemakerionkanalerne HCN2 og HCN4. Uregelmæssigheder i hjertets aktionspotentialer kan medføre hjertearytmier, hvilket i mange tilfælde, som ved f.eks. langt QT-syndrom, forårsages af mutationer i hjertets ionkanalgener. Mutationer i HCN4- genet er associeret med syg sinus-syndrom og langt QT-syndrom. Identifikation af hjertearytmiassocierede gener muliggør anvendelsen af behandling baseret på genspecifikke lægemidler og genterapi.

Hjertefrekvensen styres normalt af pacemakeraktiviteten i sinusknuden, og funktionen af pacemakercellernes natrium- og kaliumkanaler spiller en væsentlig rolle i opretholdelsen af normal hjerterytme. Mutationer i ionkanalgener og i regulatoriske gener, der er involveret i afviklingen af aktionspotentialet, har siden 1995 været en velkendt årsag til medfødte arytmisygdomme [1]. Sekventering af det humane genom samt funktionel karakterisering af hjertets forskellige ionkanaler har muliggjort systematisk screening af kandidatgener, dvs. gener, hvor mutationer kan medføre sygdom, hos patienter og familier med medfødte arytmisygdomme, som f.eks. langt QT-syndrom karakteriseret ved et forlænget QT-interval og klinisk ved en tendens til takyarytmi og pludselig død. Størstedelen af de identificerede sygdomsrelaterede mutationer i ionkanalgener er fundet i hjertets spændingsaktiverede natrium- og kaliumkanaler. Identifikation af sygdomsassocierede gener og nye patogenetiske makanismer vil i fremtiden kunne danne basis for en specifik diagnostik og behandling af den enkelte patient. Forskning og udvikling inden for dette område har derfor stor økonomisk og klinisk betydning. I Tabel 1 angives medfødte arytmisygdomme, som på nuværende tidspunkt er forbundet med identificerede mutationer i ionkanalgener.

Hjertets autonome rytme styres af pacemakerceller, specialiserede muskelceller, som spontant genererer aktionspotentialer i sinusknuden. Flere andre muskelceller i hjertet kan generere aktionspotentialer, men hjertets rytme og frekvens bestemmes primært af pacemakercellerne i sinusknuden i den øvre del af højre atrium på grund af deres høje frekvens. Aktionspotentialet breder sig fra sinusknuden til atrier og via atrioventrikulærknuden (AV-knuden) til ventriklerne, og kontraktion af myokardiet skyldes en hurtig indtrængen af natrium og calcium i cellerne [2, 3].

I genereringen af aktionspotentialet i sinusknuden er mindst fire forskellige klasser af ionkanaler involveret (Figur 1 ), herunder pacemakerkanaler, betegnet hyperpolarization-activated, cyclic nucleotide-gated (HCN1-4)-kanaler [4], der leder funny- strømmen (If ) [5], samt transient (T) og large (L)-type calcium- og kaliumkanaler, der leder henholdsvis ICa og IK [2]. Den spontane hjerterytme genereres ved en langsom diastolisk membrandepolarisering, initieret i forlængelse af det negative membranpotentiale fra foregående repolarisering. Den langsomme depolarisering fortsætter, til membranen når tærskelværdien for stimulation af et nyt aktionspotentiale [3].

Aktionspotentialet reguleres yderligere af forskellige neurotransmittere og metaboliske stimuli, herunder β -adrenerge agonister, som medfører en sympatisk stimulering af kardiomyocytter, der øger hjertefrekvensen. Parasympatisk stimulering via f.eks. acetylcholin har den modsatte effekt og nedsætter hjertefrekvensen [2].

Identificeringen af de molekylære komponenter af If blev foretaget af forskellige forskergrupper, der siden 1997 har identificeret de fire HCN-gener i forskellige organismer og på baggrund heraf har foreslået dem som kandidatgener for medfødte hjertearytmier [6-13]. Den seneste forskning belyser en association mellem medfødte hjertearytmier og pacemakerstrømmen i sinusknuden, idet det er vist, at HCN-gener er involveret i både sinusknudedysfunktion og langt QT-syndrom [14, 15].

Formålet med denne oversigt er at sammenfatte den seneste forskning i pacemakerkanalernes funktion i hjertet samt associationen til medfødte hjertearytmier.

Metode

Pubmed- og OMIM-databaserne, begge tilgængelige fra www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi, er gennemgået med søgeordene HCN, hyperpolarization-activated, cyclic nucleotide-gated, long QT syndrome, sick sinus node syndrome og ar- rhythmia. Referencelister i relevante artikler er gennemgået med henblik på opsporing af anden litteratur.

Pacemakerstrømmen If

De første observationer af den hyperpolariseringsaktiverede If -strøm i sinusknuden blev gjort i de sene 1970'ere [16]. Den identificerede If -strøm viste sig at være årsag til adrenalins effekt på hjerterytmen [5], og If er siden fundet i flere dele af hjertet, herunder atrier, ventrikler og purkinjefibre [17] samt i neuroner i det centrale og perifere nervesystem [18]. I flere studier er det påvist, at If -strømmen i hjertet er bestemmende for den spontane pacemakeraktivitet [2]. Overordnet har If -strømmen tre karakteristika: 1) den påbegyndes under membranhyperpolarisering [16], 2) den ledes af både natrium- og kaliumioner [19] og 3) den moduleres af cyklisk adenosinmonofosfat (cAMP) [20].

Hyperpolariseringsaktiveret cyklisk nukleotid-gated-kanaler - struktur og karakteristika

HCN-kanaler er transmembrane, ionledende kanaler (Figur 2A ), der på baggrund af strukturelle ligheder med kaliumkanaler og cyklisk nukleotid-gated' e kanaler er klassificeret som medlemmer af familien af spæn dingsafhængige kationkanaler. HCN-kanaler består af proteinkomplekser, som hos mennesket omfatter fire tæt relaterede kanaler (HCN1-4) med en overordnet sekvensidentitet på ca. 60% [21]. HCN-kanaler danner en funktionel pore ud fra tetrameriske proteinkomplekser (Figur 2B ). Porens struktur er afgørende for ionselektiviteten, idet kalium- og i mindre grad natriumioner passerer poren [22].

cAMP opregulerer aktiviteten af If ved at øge hastigheden af strømmen og inducere et skift i aktiveringen mod en højere spænding. Effekten af cAMP kan betegnes som en allosterisk cAMP-induceret aktivering af kanalen, idet cAMP direkte bindes til det cyklisk nukleotid-bindende domæne (CNBD) og derved stabiliserer den åbne konfiguration af kanalen [6, 7, 20, 23].

HCN-kanalerne er fundet i hjertet med varierende forekomst afhængigt af organisme, vævstype og alder. I hjertet er HCN2 tilsyneladende den mest dominerende efterfulgt af HCN4, hvilket tyder på, at specielt disse to kanaler er mulige kandidatgener ved hjertearytmier [6-10, 12, 13, 24]. Det har dog endnu ikke været muligt at fastlægge, hvilke kanaler der findes i den humane sinusknude, men i sinusknuden hos mus og kaniner er HCN4 den hyppigst forekommende, hvorimod HCN2 er fundet udtrykt i mindre omfang [6, 9, 12, 24].

If -molekylær elektrofysiologi

Under fysiologiske forhold ledes If -strømmen af både natrium- og kaliumioner, dog har de underliggende pacemakerkanaler en højere selektivitet over for kalium end over for natrium. Den ekstracellulære kaliumkoncentration er således med til at regulere hjertefrekvensen [2, 6-9, 19].

If initieres under membranhyperpolarisering, der spænder over et bredt spektrum fra -140 mV i ventrikulære myocytter til -75 mV i sinusknuden [17]. Rekombinante HCN-kanaler, dvs. kanaler, der er dannet i celler, som syntetiserer kanalprotein ud fra klonet HCN cDNA, har et tilsvarende aktiveringsinterval, hvilket understøtter kanalernes funktion i disse vævstyper [8, 10, 23, 25].

Rekombinante HCN-kanaler varierer betydeligt, hvad angår kinetiske egenskaber, og HCN2 er karakteriseret ved en hurtig aktiveringstid i forhold til HCN4 [8]. Forskelle i HCN-kanalers karakteristika er afspejlet ved en variation af If i forskellige vævstyper og organismer, hvilket muligvis reflekterer en differentieret vævsspecifik forekomst af homomeriske kanaler i hjertet [24]. Yderligere har man i flere studier påvist, at både HCN2 og HCN4 kan at danne komplekser, der indeholder begge kanalproteiner, karakteriserede ved intermediære spændings- og kinetikparametre, der i forhold til homomeriske komplekser i højere grad afspejler den native If -strøm. Den konkrete sammensætning af komplekserne i væv er dog stadig ukendt [26, 27]. Forskellene mellem de enkelte HCN-kanaler kan ikke alene forklare diversiteten af If , og formentlig spiller regulatoriske β -subunits en modulerende rolle, der bidrager til diversiteten [28, 29].

Hyperpolariseringsaktiveret cyklisk nukleotid-gated-kanaler og hjertearytmier

Sammenhængen mellem HCN-kanalerne og medfødte hjertearytmier er blevet klarlagt i takt med identifikationen af HCN-gen-familien. I 2003 fandt Schulze-Bahr et al at en patient ud af ti familier med sinusknudedysfunktion (SND) uden strukturelle anomalier i hjertet var heterozygot bærer af en 1-basepar (bp)-deletion i exon 5 (1631delC) i det humane HCN4- gen. Deletionen resulterede i ændring af læserammen for HCN4- genet, hvilket burde resultere i et HCN4-protein (573X) uden det C-terminale CNBD, der normalt er årsag til virkningen af cAMP på kanalen (Figur 2). Proteinet blev funktionelt udtrykt, men havde ændrede biofysiske egenskaber, og i forsøg, hvor muterede og normale kanaler blev udtrykt i celler, påvistes det, at den muterede kanal kunne nedsætte cAMP-sensitiviteten af de normale kanaler og dermed udøve en dominant-negativ effekt [14]. Det har indtil nu ikke været muligt at knytte mutationer i HCN2 til SND [30].

Ueda et al [15] har efterfølgende undersøgt seks patienter med SND for mutationer i HCN4 og fundet en aminosyreændrende mutation, hvor aminosyre 553 ændres fra aspartat til asparagin (D553N) i exon 5 hos en patient, diagnosticeret med forlænget QT-interval og torsade de pointes ventrikulær takykardi. Mutationen var lokaliseret i C-linkeren, der kobler den transmembrane region til CNBD (Figur 2). I modsætning til den tidligere omtalte deletion 573X bevirkede mutationen, at HCN4-proteinet ikke blev udtrykt på overfladen i cellerne (trafficking- defekt). Udtrykkelse af D553N-kanaler sammen med normale HCN4-kanaler i celler medførte, at ekspressionen af de normale kanaler også blev reduceret, målt ud fra et nedsat proteinniveau og reduceret If -strøm [15].

Sammenhængen mellem If og pacemakeraktivitet i det intakte hjerte er yderligere vist i zebrafisk, hvor der er beskrevet en mutation, som havde en effekt på hjertefunktionen og reducerede den hurtige komponent af If , hvilket medførte bradykardi [31]. Den humane If -strøm initieres inden for spændingsområdet i atrier, hvilket støtter hypotesen om, at irregulær If spiller en rolle for arytmiudvikling ved tilstande, der er karakteriserede ved øget If såsom hjertesvigt, hypertrofi og atrieflimren [27]. If er desuden højere i ventrikulære kardiomyocytter, der er isoleret fra patienter med iskæmisk hjertesvigt, end i ventrikulære kardiomyocytter, der er isoleret fra raske personer [32, 33], og ligeledes er niveauet af HCN2-mRNA øget hos patienter med atrieflimren [34].

Funktionen af HCN2 og HCN4 ved patologiske tilstande er i nyere studier undersøgt i knockoutmus, hvor generne ikke er aktive [35, 36]. Mus, der mangler HCN2- genet, er karakteriseret ved neuronale defekter og hjertearytmi forårsaget af dysfunktion af sinusknuden. I celler fra sinusknuden ses dette ved en reduktion af If -strømmen samt en langsommere aktivering. Resultaterne tyder på, at HCN2 bestemmer og stabiliserer hvilemembranpotentialet og modvirker irregulær dannelse af aktionspotentialer [35].

HCN4 er vist at være meget afgørende for normal hjertefunktion og basal hjerterytme. Mus, der mangler HCN4- genet, dør tidligt under den embryonale udvikling, og fostrene udviser bradykardi og kronotropisk defekt, men ingen strukturelle hjertedefekter eller irregulær hjerterytme. Desuden er kardiomyocytter fra fostre karakteriseret ved en reduktion af If med 75-90%, hvilket tyder på, at HCN4 udgør den primære komponent af If , i hvert fald under embryonal udvikling [36]. De fælles fænotypiske karaktertræk hos HCN4- knockoutembryoer og patienten med den ovenfor beskrevne HCN4- mutation, der resulterer i et HCN4-protein uden CNBD (573X), tyder på, at patientens sygdom er forårsaget af den specifikke mutation i HCN4. Disse resultater støtter hypotesen om, at medfødte hjertearytmier kan forårsages af mutationer i hjertets pacemakerkanalgener og opfordrer til, at man søger at udvikle nye terapeutiske strategier, der er mere specifikt rettet mod den enkelte patients genetiske defekt. Selv om mut ationer i HCN4 foreløbig ikke synes at være en hyppig årsag til arytmi, er det alligevel vigtigt at undersøge variation i HCN-generne hos patienter med langt QT-syndrom og SND, specielt i tilfælde hvor der ikke er fundet mutationer i de andre kendte langt QT-associerede gener (Tabel 1).

Terapeutiske aspekter

De nuværende behandlingsstrategier af arytmier er baseret på farmakoterapi, radiofrekvensablation og implantering af implanterbar cardioverter defibrillator (ICD)-enheder og pacemakere. De fleste antiarytmika er rettet mod ionkanaler, men er ofte uspecifikke og har i mange tilfælde proarytmisk effekt med risiko for øget sygelighed og dødelighed til følge. Radiofrekvensablation og pacemakeranlæggelse er effektive behandlinger af arytmi, og implantering af en ICD-enhed reducerer risikoen for pludselig arytmidød betydeligt, men behandlingerne er resursekrævende.

Den nye viden om arytmiers genetiske basis vil formentlig kunne muliggøre genspecifik terapi, der er baseret på en specifik farmaceutisk påvirkning af den involverede ionkanal, hvilket vil kunne øge effektiviteten og reducere forekomsten af bivirkninger. Genterapi, hvor et specifikt gen overføres til væv ved hjælp af en vektor i form af et plasmid eller et adenovirus for at kompensere for en genetisk defekt eller opregulere en eller flere regulatoriske mekanismer, er også et spændende aspekt. I nyere studier har man belyst potentialet ved denne terapiform i dyremodeller, f.eks. ved opregulering af β2 -adrenerge receptorer, der kontrollerer hjerterytmen [37], eller inhibering af kaliumstrømmen IK1 , der hæmmer den spontane pacemakeraktivitet i ventrikler [38]. Udviklingen af biologiske pacemakere er en anden alternativ behandlingsstrategi ved arytmisygdomme. Injektion af pacemakergenet HCN2 i hundehjerter er vist at føre til øget pacemakeraktivitet og nedsat arytmitendens [39]. Herudover er stamceller blevet foreslået som genoverførselssystem i genereringen af en biologisk pacemaker [40]. De hidtidige erfaringer med forsøg med genterapi på mennesker har dog vist, at vejen fra ny patofysiologisk erkendelse og forsøg i dyremodeller til effektiv behandling er meget lang. De praktiske, sikkerhedsmæssige og etiske aspekter af gen- og stamcelleterapi er fortsat til debat, og der vil sandsynligvis gå år, før disse metoder eventuelt finder anvendelse i behandlingen af arytmisygdomme.

Michael Christiansen, Markørlaboratoriet, Klinisk Biokemisk Afdeling, Statens Serum Institut, DK-2300 København S. E-mail: mic@ssi.dk

Antaget: 15. november 2005

Interessekonflikter: Ingen

1. Marban E. Cardiac channelopathies. Nature 2002;415:213-8.
2. DiFrancesco D. Pacemaker mechanisms in cardiac tissue. Annu Rev Physiol 1993;55:455-72.
3. Sigurd B, Sandøe E. Klinisk elektrokardiologi. København: Dansk Cardiologisk Selskab, 2002.
4. Clapham DE. Not so funny anymore: pacing channels are cloned. Neuron 1998;21:5-7.
5. Brown HF, DiFrancesco D, Noble SJ. How does adrenaline accelerate the heart? Nature 1979;280:235-6.
6. Santoro B, Liu DT, Yao H et al. Identification of a gene encoding a hyperpolarization-activated pacemaker channel of brain. Cell 1998;93:717-29.
7. Ludwig A, Zong X, Jeglitsch M et al. A family of hyperpolarization-activated mammalian cation channels. Nature 1998;393:587-91.
8. Ludwig A, Zong X, Stieber J et al. Two pacemaker channels from human heart with profoundly different activation kinetics. EMBO J 1999;18:2323-9.
9. Ishii TM, Takano M, Xie LH et al. Molecular characterization of the hyperpolarization-activated cation channel in rabbit heart sinoatrial node. J Biol Chem 1999;274:12835-39.
10. Seifert R, Scholten A, Gauss R et al. Molecular characterization of a slowly gating human hyperpolarization-activated channel predominantly expressed in thalamus, heart, and testis. PNAS 1999;96:9391-6.
11. Vaccari T, Moroni A, Rocchi M et al. The human gene coding for HCN, a pacemaker channel of the heart. Biochim Biophys Acta 1999;1446: 419-26.
12. Shi W, Wymore R, Yu H et al. Distribution and prevalence of hyperpolarization-activated cation channel (HCN) mRNA expression in cardiac tissues. Circ Res 1999;85:1e-6.
13. Monteggia LM, Eisch AJ, Tang MD et al. Cloning and localization of the hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channel family in rat brain. Brain Res Mol Brain Res 2000;81:129-39.
14. Schulze-Bahr E, Neu A, Friederich P et al. Pacemaker channel dysfunction in a patient with sinus node disease. J Clin Invest 2003;111:1537-45.
15. Ueda K, Nakamura K, Hayashi T et al. Functional characterization of a trafficking-defective HCN4 mutation, D553N, associated with cardiac arrhythmia. J Biol Chem 2004;279:27194-8.
16. Noma A, Irisawa H. Membrane currents in the rabbit sinoatrial node cell as studied by double microelectrode method. Pflügers Arch-Eur J Physiol 1976; 364:45-52.
17. Santoro B, Tibbs GR. The HCN gene family: Molecular basis of the hyperpolarization-activated pacemaker channels. Ann NY Acad Sci 1999;868: 741-64.
18. Pape HC. Queer current and pacemaker: the hyperpolarization-sctivated cation current in neurons. Annu Rev Physiol 1996;58:299-327.
19. DiFrancesco D. A study of the ionic nature of the pace-maker current in calf purkinje fibres. J Physiol (Lond) 1981;314:377-93.
20. DiFrancesco D, Tortora P. Direct activation of cardiac pacemaker channels by intracellular cyclic AMP. Nature 1991;351:145-7.
21. Kaupp UB, Seifert R. Molecular diversty of pacemaker ion channels. Annu Rev Physiol 2001;63:235-57.
22. Zagotta WN, Oliver NB, Black KD et al. Structural basis for modulation and agonist specificity of HCN pacemaker channels. Nature 2003;425:200-5.
23. Moroni A, Barbuti A, Altomare C et al. Kinetic and ionic properties of the human HCN2 pacemaker channel. Pflügers Arch-Eur J Physiol 2000;439: 618-26.
24. Moosmang S, Stieber J, Zong X et al. Cellular expression and functional characterization of four hyperpolarization-activated pacemaker channels in cardiac and neuronal tissues. Eur J Biochem 2001;268:1646-52.
25. Stieber J, Thomer A, Much B et al. Molecular basis for the different activation kinetics of the pacemaker channels HCN2 and HCN4. J Biol Chem 2003;278:33672-80.
26. Ulens C, Tytgat J. Functional heteromerization of HCN1 and HCN2 pacemaker channels. J Biol Chem 2001;276:6069-72.
27. Michels G, Er F, Khan I et al. Single-channel properties support a potential contribution of hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated channels and If to cardiac arrhythmias. Circulation 2005;111:399-404.
28. Yu H