Clinical and Cellular Electrophysiology : Advancing Interpretation of ECG and hiPSC-derived Cardiomyocyte Signals

Abstract

Elektrokardiogrammia (EKG) voidaan väittää kardiologian tärkeimmäksi diagnostiseksi työkaluksi. Ensimmäisestä EKG-rekisteröinnistä on kulunut jo yli 120 vuotta, ja siitä lähtien EKG on ollut korvaamaton osa kliinistä käytäntöä. Diagnostisen käytön lisäksi EKG-löydökset ohjaavat hoitopäätöksiä. Jatkotutkimusta vaativia haasteita ovat nykyisin käytössä olevien QT-ajan korjauskaavojen tunnetut heikkoudet, sekä uudempien analyysimenetelmien, kuten sykevälivaihtelun analyysin, jatkokehitys ja validointi. Kasvava tieto geneettisistä sydänsairauksista laajentaa ymmärrystä sydämen elektrofysiologiasta. Lisäksi elektrofysiologisia tutkimuksia tehdään yhä enemmän solutasolla ihmisen indusoiduilla monikykyisillä kantasoluilla.

Tämän väitöskirjan tavoitteena oli jatkaa EKG-analyysin kehittämistä tutkimalla potilaita, joilla oli erilaisia sydämeen liittyviä sairaustiloja, pyrkien parantamaan varhaista arviointia ja siten vaikuttamaan hoidon kulkuun. Yksi tavoitteistamme oli myös sähköisen analyysin jatkokehitys solutasolla mikroelektrodisiru-teknologiaa hyödyntäen. Sykkivien sydänlihassolujen kenttäpotentiaalien rekisteröinti on verrattavissa EKG:hen, ja tästä menetelmästä on tullut tärkeä osa soluviljelmissä tehtävää sydänsolujen elektrofysiologista tutkimusta.

Väitöskirjan ensimmäinen osatyö keskittyi idiopaattisiin kammiolisälyönteihin ja niiden hoitoon katetriablaatiolla. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin, miten lisälyönnin anatominen lähtöpaikka vaikuttaa katetrihoidon onnistumiseen. Lähtöpaikka määritetään yleensä ennen toimenpidettä 12-kytkentäisen EKG:n avulla. EKG-löydökset ohjaavat hoitopäätöksiä, sillä katetriablaatiota suositellaan ensisijaiseksi hoidoksi oikean kammion ulosvirtauskanavasta (RVOT) peräisin oleviin lisälyönteihin. Tutkimuksessa katetriablaation tulokset olivat yhtä hyvät riippumatta toimenpiteen anatomisesta kohteesta, mikä viittaa siihen, että lähtöpaikka ei vaikuttanut hoidon onnistumiseen. Tämän perusteella voisi tulevaisuudessa olla perusteltua harkita katetriablaatiota ensilinjan hoitona myös muista kuin RVOT-alueelta peräisin oleviin lisälyönteihin, mikäli potilas on oireinen. Nykyisin lähtöpaikan tunnistaminen EKG:n avulla on edelleen tärkeää, sillä se ohjaa hoitoa. Tutkimuksessa selvitettiin myös toimenpiteen turvallisuutta ja muita tekijöitä, jotka voivat vaikuttaa hoitotulokseen. Katetriablaatio on turvallinen toimenpide ja haittatapahtumat ovat harvinaisia. Tutkimuksen tulokset kuitenkin viittaavat siihen, että korkea painoindeksi voi olla riskitekijä heikommalle hoitovasteelle.

Toinen osatyö keskittyi 24 tunnin EKG-analyysiin potilailla, joilla on erilaisia geneettisiä sydänsairauksia, ja siinä pyrittiin validoimaan AccuQT menetelmää tällä potilasryhmällä. AccuQT menetelmä korjaa QT-aikavälin siirtoentropiaan perustuvan korjauskaavan avulla. Lisäksi tutkittiin sykevälivaihtelua ja sen mahdollista käyttöä geneettisesti sairaiden potilaiden diagnostiikassa ja seurannassa käyttäen skaalariippuvaa trendit poistavaa fluktuaatioanalyysia (DFA). Tutkimuksen tulokset osoittivat, että AccuQT-menetelmä korjaa QT-aikavälin tehokkaasti geneettisistä sydänsairauksista kärsivillä potilailla. Se parantaa QT-ajan korjauksen tarkkuutta ja vähentää ylidiagnostiikkaa, koska se havaitsee tarkasti QT-aikavälin dynaamiset muutokset. Lisäksi skaalariippuva DFA-menetelmä vaikutti lupaavalta geneettisiä sydänsairauksia sairastavien henkilöiden erottelussa, ja voisi siten auttaa alttiiden henkilöiden varhaisessa tunnistamisessa. Sitä voitaisi myös käyttää oireettomien geeninkantajien seurannassa. Tulevaisuudessa molemmat menetelmät voisivat auttaa riskihenkilöiden varhaisessa tunnistamisessa, parantaen diagnostiikkaa ja mahdollistaen kohdennetumman hoidon suurentuneemman riskin potilaille.

Kolmas osatyö keskittyi EKG-analyysiin solutasolla mikroelektrodisiru-teknologiaa hyödyntäen ja tutki LMNA-geenimutaatiota (p.S143P) kantavien ja terveiden sydänlihassolujen eroja. Kyseinen mutaatio aiheuttaa dilatoivaa kardiomyopatiaa. Eroja mutaatiota kantavien ja terveiden sydänsolujen välillä tutkittiin normaaliolosuhteissa sekä akuutin hypoksian ja uudelleenhapetuksen aikana. LMNA-mutaatiota kantavat sydänlihassolut poikkesivat elektrofysiologisilta ominaisuuksiltaan terveistä soluista. Ne myös reagoivat kontrollisoluihin verrattuna eri tavalla akuuttiin hypoksiaan viitaten häiriöihin LMNA-mutaatiota kantavien sydänsolujen adaptaatiomekanismeissa.

Yhdessä tämän väitöskirjan tutkimusten löydökset edistävät EKG-analyysin kehitystä ja korostavat sekä jo olemassa olevan että uuden tiedon hyödyntämisen tärkeyttä EKG:n kliinisen tulkinnan parantamisessa. MEA-analyysia myös edistetään saamalla uutta tietoa sydänsolujen sähköisestä käyttäytymisestä. Tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset osoittavat, että uudet EKG-analyysimenetelmät, kuten skaalariippuva DFA, voivat tarjota lisäinformaatiota tästä yksinkertaisesta ja ei-invasiivisesta tutkimusmenetelmästä. Tulevat tutkimukset ovat tarpeen, sillä nämä kehitysaskeleet voivat auttaa sairauksien varhaisessa tunnistamisessa sekä lisätä EKG-analyysin tarkkuutta parantaen potilaiden ennustetta.

It can be argued that an electrocardiogram (ECG) is the most important diagnostic tool in the field of cardiology. Since the first ECG recording more than 120 years ago, it has remained an irreplaceable part of standard clinical practice. In addition to its use as a diagnostic tool, ECG findings provide guidance for therapeutical management. However, there are issues requiring further research, such as known weaknesses of currently used QT correction formulas, and further development and validation of newer analysis methods, such as heart rate variability analysis. The increasing knowledge of genetic cardiac diseases broadens the understanding of cardiac electrophysiology. Additionally, an increasing number of electrophysiological studies are being conducted at the cellular level using human-induced pluripotent stem cells.

The aim of this dissertation was to continue to improve ECG analysis studying patients with various cardiac conditions, with the goal of improving early assessment and thereby affecting the course of treatment. We also continue to further develop electrical analysis at cellular level with microelectrode array technology. This recording of field potentials of beating cardiomyocytes is comparable to ECG, and this method has become important in the investigation of cardiomyocyte electrophysiology <i>in vitro</i>.

The first study in this dissertation focuses on idiopathic ventricular extrasystoles (VESs) and their treatment with catheter ablation. In this article the effect of the anatomical site of origin of the VESs on the success of the procedure was investigated. The site of origin is usually determined before the invasive treatment using 12-lead ECG. Therefore, it guides the course of treatment because catheter ablation is recommended as the first-line treatment to right ventricular outflow-tract (RVOT) VESs. In the study, outcomes of catheter ablation were equally successful regardless of the anatomic site of the procedure, suggesting that site of origin did not influence procedural efficacy. This finding suggests that, in the future, it may be appropriate to consider catheter ablation as a first-line treatment for also others than RVOT ventricular extrasystoles if the patient is symptomatic. Currently, identifying the site of origin of VESs using ECG remains important as it guides treatment. Additionally, the safety of the procedure and other factors that may influence the success of the procedure were investigated. Catheter ablation is considered a safe procedure and adverse events are rare. However, results of the study suggest that a high body mass index is a risk factor for a lower success rate.

The second study focused on 24-hour ECG analysis of patients with various genetic cardiac conditions, aiming to validate the AccuQT method. It is recently developed method that corrects the QT interval based on transfer entropy. Heart rate variability and its possible use in diagnosis and follow-up of genetically affected patients were also investigated with the scale-dependent extension of detrended fluctuation analysis (DFA). The results of the study indicated that the AccuQT method effectively corrects the QT interval in patients with genetic cardiac diseases. By precisely capturing dynamic changes in the QT interval, AccuQT enhances diagnostic accuracy and minimizes overdiagnosis. Additionally, scale-dependent DFA showed promise in distinguishing individuals with genetic cardiac diseases, and thus, could assist in the early identification of at-risk individuals. It may also be used during follow-up of asymptomatic gene carriers. In the future, both methods may assist in earlier detection of at-risk individuals, thus improving patient outcomes and enabling health care providers to focus on individuals at increased risk.

The third study continues ECG analysis at the cellular level using microelectrode array to investigate differences between cardiomyocytes with LMNA gene mutation and healthy cardiomyocytes. The p.S143P mutation in the LMNA gene causes dilated cardiomyopathy. Differences between these mutant and normal healthy cardiomyocytes were investigated in normal conditions and under acute hypoxia and reoxygenation. LMNA mutant cardiomyocytes had differences in electrophysiologic features compared to healthy cardiomyocytes. Additionally, they responded differently to acute hypoxic stress, suggesting dysfunctions in the adaptation mechanisms of LMNA mutant cardiomyocytes.

Together these findings contribute to constant improvements of ECG analysis, highlighting the importance of using both new and currently available knowledge to improve the clinical interpretation of ECG. MEA analysis is also further developed by providing new information on the electrical behaviour of cardiomyocytes. Results presented in this dissertation demonstrate that new ECG analysis methods, such as scale-dependent DFA, can be further developed to increase the information obtained from this simple non-invasive method. Future studies are warranted, as these developments may assist in the early detection of diseases, enable more precise ECG analysis, and improve patient outcomes.