Cellular mechanisms of left atrial contractile dysfunction in heart failure with preserved ejection fraction and hypertensive heart disease

Abstract

Introduction: Heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF) is present in ~50% of all heart failure (HF) patients. Left atrial (LA) dysfunction is common in HFpEF patients and associated with increased mortality. We hypothesized, that atrial dysfunction in-vivo is related to alterations of Ca2+ signaling in cardiomyocytes in-vitro. We investigated the role of neuro-humoral activation via angiotensin II (AT2) and paracrine activity of the fibroblast secretome as potential contributors to dysregulated Ca2+ signaling.

Methods: 21- and 27 weeks- old ZSF-1 rats with a leptin receptor mutation and fed with a high caloric diet served as an HF model. Diseased rats showed a lean (heterozygous; hypertensive heart disease (HHD)) or obese (homozygous; HFpEF) phenotype. LA were imaged by echocardiography. LA myocytes were isolated using a novel Langendorff-based approach. Excitation-contraction-coupling (ECC) was assessed using Ca2+-sensitive fluorescent indicators, confocal imaging (cytosol, nucleus) and video edge detection. Myocardial fibrosis was quantified in histologic sections. Conditioned medium (CM) of primary cardiac fibroblasts was acquired after stretch. CM and LA tissue were screened for various cytokines with enzyme-linked immunosorbent assays.

Results: HHD showed preserved LA size and ejection fraction (EF) vs. wild type (WT). In LA myocytes from HHD, amplitude of cytosolic calcium transients (CaT) was increased. Sarcoplasmic reticulum (SR) Ca2+ content was preserved while Ca2+ spark frequency and tetracaine-dependent SR Ca2+ leak were increased. In HFpEF, LA area was significantly increased and LA EF was impaired. However, atrial myocytes from HFpEF showed increased CaT amplitude and enhanced contractile performance in vitro. CaT kinetics and SR Ca2+ in HFpEF were not significantly different vs. WT, but SR Ca2+ leak remained increased. AT2 reduced cytosolic CaT amplitudes and enhanced nuclear Ca2+ release in HFpEF. No structural alterations of fibrosis could be detected in HHD or HFpEF. Upon treatment with their respective CM, cardiomyocytes of WT showed increased CaT. Concentration of ET-1 was increased in CM and LA tissue from WT as compared to HHD and HFpEF. In HHD, CM showed no relevant effect on CaT. However, in HFpEF, CM increased diastolic Ca2+ and slowed Ca2+ removal, potentially contributing to in-vivo decompensation. During disease progression (e.g. at 27 weeks), HFpEF displayed dysfunctional ECC due to lower SR Ca2+ content and enhanced nuclear Ca2+. In human patients, tissue ET-1 was unrelated to the presence of arterial hypertension or obesity.

Conclusion: Atrial remodeling is a complex entity that is disease and stage dependent. At early stages, neurohumoral activation (e.g. AT-2) and the activity of fibrosis related to the paracrine interaction (e.g. ET-1) might contribute to atrial contractile dysfunction in-vivo. However, at later stages ECC of LA cardiomyocytes is impaired unrelated to external triggers.

Bei ~50% der Patienten mit Herzinsuffizienz (HF) lässt sich eine erhaltene Ejektionsfraktion (EF) feststellen (HFpEF). HFpEF geht häufig mit einer links-atrialen (LA) Dysfunktion einher, welche mit einer erhöhten Mortalität assoziiert ist. Wir prüften die Hypothese, dass diese LA Dysfunktion in-vivo mit Veränderungen im Ca2+-Stoffwechsel von Kardiomyozyten in vitro in Beziehung steht. Wir untersuchten den Einfluss der neurohumoralen Aktivierung durch Angiotensin II (AT2) sowie der parakrinen Aktivität des Sekretoms der Fibroblasten auf den Ca2+-Stoffwechsel. 3.2 Methoden 21 und 27 Wochen alte ZSF-1 Ratten mit einer Leptinrezeptormutation (Wildtyp (WT): Wistar Kyoto) dienen als HF Modell. Erkrankte Ratten zeigen einen normal- (heterozygot; Hypertensive Herzerkrankung (HHD)) oder übergewichtigen (homozygot; HFpEF) Phänotyp. LA wurden in-vivo mittels Echokardiographie untersucht. LA-Kardiomyozyten wurden nach einer adaptierten Langendorff-Prozedur isoliert. Die elektromechanische Kopplung (excitation-contraction coupling, ECC) wurde mittels Ca2+-sensitiver Farbstoffe, konfokaler Mikroskopie (Zytosol, Nukleus) und Kantendetektion untersucht. Zudem wurde die LA Fibrose in histologischen Schnitten begutachtet. Das konditionierte Medium (CM) primärer, kardialer Fibroblasten wurde nach Dehnung gesammelt. Die Quantifizierung der Zytokine im CM und LA Gewebe erfolgte mittels Enzyme-Linked Immunosorbent Assay. 3.3 Ergebnisse Ratten mit HHD zeigten keine Veränderungen in LA Größe und EF vs. WT. In atrialen Kardiomyozyten von HHD war die Amplitude der zytosolischen Ca2+-Transienten (CaT) erhöht. Der Ca2+-Gehalt des sarkoplasmatischen Retikulums (SR) war unverändert, das Tetracainabhängige SR-Leck und die Inzidenz von Ca2+-Sparks waren größer. Bei HFpEF zeigte sich eine Zunahme der LA Größe und eine Abnahme der LA EF. Bei HFpEF zeigten sich gesteigerte CaTAmplituden und eine erhöhte Kontraktilität. Die Kinetik der CaT und SR Ca2+-Gehalt waren unverändert. AT2 reduzierte die zytosolische CaT-Amplitude und induzierte eine gesteigerte nukleäre Ca2+-Ausschüttung bei HFpEF-Zellen. Strukturelle Unterschiede der Fibrose konnten nicht festgestellt werden. Nach Behandlung mit ihrem jeweiligen CM zeigten Kardiomyozyten vom WT eine erhöhte CaT-Amplitude. Die Konzentration von ET-1 im CM und LA Gewebe war bei WT höher als bei HHD und HFpEF. Bei HHD zeigte das CM keinen relevanten Effekt auf die CaT. Bei HFpEF erhöhte das CM das diastolische Ca2+ und verlangsamte die Ca2+-Wiederaufnahme, wodurch möglicherweise zur Dekompensation in-vivo beigetragen wurde. Bei fortgeschrittener Erkrankung zeigte HFpEF ein dysfunktionales ECC, bedingt durch einen erniedrigten Ca2+-Gehalt im SR. Bei Patienten war die kardiale ET-1 Konzentration nicht mit dem Auftreten eines arteriellen Bluthochdruckes oder Übergewicht assoziiert. 3.4 Schlussfolgerung LA Remodeling ist eine komplexe Entität, dessen Pathologie abhängig vom Stadium und von der Grunderkrankung ist. Im frühen Stadium tragen neurohumorale Aktivierung (z.B. AT2) und parakrine Interaktion fibrotischer Aktivität (z.B. ET-1) potenziell zur LA Dysfunktion in-vivo bei. Im späten Stadium zeigen LA Kardiomyozyten ein gestörtes ECC unabhängig von äußeren Faktoren.