Modeling Catecholaminergic Polymorphic Ventricular Tachycardia Using Human Neurocardiac Cocultures

Abstract

Catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia (CPVT) is a rare inherited arrhythmogenic disease in which physical or emotional stress can trigger severe arrhythmias and even lead to sudden cardiac death. CPVT can arise from dominant or recessive mutations affecting cardiomyocytes. The most common mutations reside in ryanodine receptor 2 (RYR2), which disrupt intracellular calcium regulation and homeostasis. During systolic depolarization, RYRs mediate calcium release into the intracellular space, leading to normal cardiomyocyte contraction. Intracellular calcium levels are restored by specialized calcium exchangers and pumps, allowing diastolic cardiomyocyte relaxation. In CPVT, the mutated RYRs cause spontaneous and excessive calcium release, disrupting diastolic relaxation and promoting the generation of premature depolarizations, known as delayed afterdepolarizations (DADs). These DADs increase cardiomyocyte contractility and predispose patients to arrhythmic events. Cardiac tissue and sympathetic nervous system co-develop during embryonic and fetal development, and this reciprocal crosstalk continues after tissue maturation. During stress, sympathetic activation increases catecholamine release. Catecholamines, such as noradrenaline, participate in the calcium regulation in cardiomyocytes through β-adrenergic signaling, leading to enhanced depolarization and contraction. In CPVT, β-adrenergic signaling enhances pathogenic calcium leak through mutated RYRs and predisposes to DAD formation. One aim of this thesis is to illustrate how reciprocal crosstalk promotes co-development of cardiac tissue and sympathetic neurons and how these interactions contribute to cardiomyocyte behavior in CPVT. Current treatments for CPVT, such as beta-blockers, flecainide and surgical procedures, reduce the risk for arrhythmias but do not eliminate them completely. This highlights the need for novel therapeutic strategies. Human induced pluripotent stem cell (hiPSC) technology enables the production of patient-specific cardiomyocytes and sympathetic neurons as well as their use in neurocardiac cocultures, such as organoids or organ-on-chip platforms. These coculture models can illustrate human physiology more accurately than traditional animal models. In addition, coculture models provide a promising tool for developing novel patient-specific treatment strategies. This thesis presents these neurocardiac coculture models and discusses how they have been used to model CPVT. To date, only one study has been published in which CPVT has been investigated using a human neurocardiac coculture model. This study demonstrated that CPVT-associated mutations also affect sympathetic neuron function, leading to increased susceptibility to arrhythmias also in healthy control cardiomyocytes. Therefore, human neurocardiac coculture models serve as an important enabler for a more holistic analysis of diseases such as CPVT.

Katekoliiniamiiniherkkä monimuotoinen kammiotakykardia (engl. catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia, CPVT) on harvinainen perinnöllinen rytmihäiriösairaus, jossa fyysinen tai emotionaalinen rasitus voi laukaista vakavia rytmihäiriöitä ja jopa äkkikuoleman. CPVT voi johtua dominanteista tai resessiivisistä mutaatioista, jotka vaikuttavat sydänlihassoluihin. Yleisimmät mutaatiot sijaitsevat ryanodiinireseptori 2:ssa (RYR2), mikä häiritsee solunsisäisen kalsiumin säätelyä ja tasapainoa. Systolisen depolarisaation aikana, ryanodiinireseptorit säätelevät kalsiumin vapautumista solunsisäiseen tilaan, joka johtaa sydänlihassolujen normaaliin supistumiseen. Solunsisäinen kalsiumpitoisuus palautetaan erityisten kalsiumvaihtajien ja -pumppujen toimesta, mikä mahdollistaa sydänlihassolujen diastolisen rentoutumisen. CPVT:ssä mutatoituneet ryanodiinireseptorit aiheuttavat spontaania ja liiallista kalsiumin vapautumista, joka häiritsee diastolista rentoutumista ja mahdollistaa ennenaikaisten depolarisaatioden, eli viivästyneiden jälkidepolarisaatioiden syntymisen. Nämä viivästyneet jälkidepolarisaatiot lisäävät sydänlihassolujen supistumista ja altistavat potilaat rytmihäiriöille. Sydänkudos ja sympaattinen ääreishermosto kehittyvät tiiviissä vuorovaikutuksessa alkion- ja sikiönkehityksen aikana ja vuorovaikutus kudosten välillä jatkuu kudosten kypsymisen jälkeen. Stressin aikana sympaattinen aktivaatio lisää katekoliamiinien vapautumista. Katekoliamiinit, kuten noadrenaliini, osallistuvat sydänlihassolujen kalsiumsäätelyyn β-adrenergisen signaloinnin kautta, mikä johtaa lisääntyneeseen depolarisaatioon ja supistumiseen. CPVT:ssä β-adrenerginen signalointi lisää patogeenistä kalsiumin vuotamista mutatoituneiden ryanodiinireseptoreiden kautta ja altistaa viivästyneille jälkidepolarisaatioille. Yksi tämän kandidaatin tutkielman tavoitteista on kuvata, kuinka sydänkudos ja sympaattiset hermosolut kehittyvät ja vuorovaikuttavat keskenään sekä miten tämä vuorovaikutus ilmenee sydänlihassolujen toiminnassa CPVT:ssä. Nykyiset CPVT:n hoitomuodot, kuten beetasalpaajat, flekainidi ja kirurgiset toimenpiteet vähentävät rytmihäiriöriskiä, mutta eivät poista sitä kokonaan. Tämä korostaa uusien hoitostrategioiden tarvetta. Ihmisen indusoidut pluripotentit kantasolut mahdollistavat potilaskohtaisten sydänlihassolujen ja sympaattisten hermosolujen tuottamisen sekä niiden yhteisviljelyn hermo-sydänkudosmalleissa, kuten organoideissa ja kudosmallialustoissa. Nämä yhteisviljelymallit kuvaavat ihmisen fysiologiaa tarkemmin kuin perinteiset eläinmallit. Lisäksi yhteisviljelymallit tarjoavat lupaavan työkalun uusien potilaskohtaisten hoitomuotojen kehittämiseen. Tämä tutkielma esittelee näiden yhteisviljelymallien yleisiä ominaisuuksia sekä miten niillä on tutkittu CPVT:tä. Tähän mennessä vain yksi tutkimusartikkeli on julkaistu, missä CPVT:tä on tutkittu ihmisperäisellä hermo-sydänkudosmallilla. Tutkimuksessa todettiin, että sairaudelle altistavat mutaatiot vaikuttavat myös sympaattisten hermosolujen toimintaan, johtaen lisääntyneeseen rytmihäiriöalttiuteen myös terveissä sydänlihassoluissa. Täten ihmisperäiset yhteisviljelymallit toimivat tärkeänä mahdollistajana sairauksien, kuten CPVT:n, kokonaisvaltaisemmalle tarkastelulle.