背 景 信 息
谷氨酸作为一种兴奋性神经递质,可介导中枢神经系统中的兴奋性突触传递。既然心肌细胞也属于可兴奋性细胞,那么它是否也受到谷氨酸能递质系统的调节呢?
目前已有文献报道一些特定的谷氨酸受体会在心肌细胞中表达,表明谷氨酸具有调节心肌细胞兴奋性的潜力。心室肌具有独特的电兴奋传导His-Purkinje系统,它可以控制心室细胞顺序激活和同步收缩。然而,心房肌是否包含类似的传导系统还有待确定。2021年4月,来自上海同济大学附属东方医院的陈义汉院士实验室在《Cell Research》(IF 25.6)发表文章 "Identification of an endogenous glutamatergic transmitter system controlling excitability and conductivity of atrial cardiomyocytes"。他们提出假设:某些递质如谷氨酸可能在心房肌的电激发传导中起补偿作用。随后的实验设计证明了谷氨酸能递质系统确实参与了控制心房肌细胞的兴奋和传导。
电生理检测及分析
在分析GRIA3和GRIN1这两个主要离子型谷氨酸受体(iGluR)对心房肌细胞兴奋性的影响实验中,研究者发现iGluR激动剂可诱发iGluR门控电流并降低大鼠心房肌细胞的电兴奋阈值;而iGluR拮抗剂则在体外和体内均显着减弱了大鼠心房肌中电脉冲的传导速率。
研究者随后构建并诱导分化了上述两个基因敲低 (mRNA和蛋白表达量均降低50%以上)的人iPSC衍生心肌细胞 (iPSC-CMs),并借助Maestro MEA系统检测敲低组与对照组的电活动差异。目的是通过蛋白的低表达模拟拮抗剂作用,从而避免了在体和离体组织电生理实验中可能存在的脱靶效应。下图 (图6 f-i) 结果显示敲低组样本心率和电传导速率均明显低于对照组,反映出GRIA3和GRIN1的减少极大地降低了心房肌细胞的兴奋易感性并减缓了场电位的传播。
上述结果共同验证了这两个蛋白作为谷氨酸能递质系统的关键组成部分,参与调节了心房肌细胞的兴奋性和电导率。
图6 对照组及GRIA3 和GRIN1敲低组iPSC-CMs电活动比较
f & g:三组样本心率热图(f)和柱形图(g) (Student’s t-test,n=5-7,*P< 0.05)
h & i:三组样本传导热图(h)和传导速率柱形图(i) (Student’s t-test,n=5-8,*P< 0.05)
实验设计及结果
研究者首先检测到大鼠心房肌细胞连接处的质膜下方有许多囊泡,并鉴定出囊泡中含有大量谷氨酸盐。接下来,发现在大鼠心房肌细胞中高表达的两个iGluRs分别是GRIA3和GRIN1,并且定位于心房肌细胞膜上。这意味着它们可能是心房肌细胞的主要 iGluRs,在调节跨膜离子电流方面具有潜在的功能。
随后,研究者设计电生理实验分析了上述两个iGluRs在大鼠心房肌细胞电生理功能中起到的作用。详情请参见上文中 “电生理检测及分析” 段落。
鉴于心肌细胞的异常兴奋和传导也会导致心律失常 (例如房颤 AF),研究者设计实验去验证了心房谷氨酸能递质系统在 AF 发生和进展中的作用。他们发现将iGluR阻滞剂预处理离体AF模型,能够极大地阻止AF发生;而AF发生后再灌注iGluR阻滞剂则可以令房颤持续时间显著缩短。这些结果表明iGluRs可以作为预防和治疗AF的潜在作用靶点。
最后,他们分离了人心房肌细胞,检测到谷氨酸递质系统的几个关键蛋白例如GLS、GRIA3、GRIN1 和 EAAT1也在其中高表达。膜片钳技术也能测到谷氨酸诱发的内向电流。这些结果说明人心房肌细胞中也存在功能性谷氨酸能递质系统。
结 论
上述研究揭示了心房肌细胞存在内在固有的谷氨酸递质系统,该系统通过调控iGluR门控电流直接介导心房肌细胞的兴奋性和传导性。iGluR拮抗剂可有效预防和终止大鼠离体心脏模型中的心房颤动。此外,谷氨酸能递质系统的关键元素也存在并在人心房肌细胞中显示出电生理功能。该研究揭示了一个全新的心房肌细胞电生理活动控制系统,为将来科学家们开展心律失常的预防和治疗开辟了新的途径。
MEA实验条件:
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人iPSC-CMs (来自于中科院生物物理所) 复苏后,接种于vitronectin (0.01 μg/μL, Cauliscell, China)包被的培养皿中,加入心肌细胞维持培养基 (Cauliscell, China) 置于37℃、5% CO2培养箱中培养。每2天更换一次培养基。
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种板第5天,将细胞解离并使用维持培养基调整细胞浓度为1x107 cells/ml。每孔取10ul细胞悬液接种于Cytoview MEA 24(Axion BioSystems)细胞培养板。使用了Maestro Edge系统(Axion BioSystems)记录人iPSC-CMs电活动。该设备自带环境控制系统,可调节37℃和5% CO2以保持培养基PH值稳定。
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