The effect of vimentin on cardiac contractility, calcium dynamics and arrhythmia in myocardial ischemia reperfusion injury of rats

Abstract

Vimentin, an intermediate filament, is the cytoskeletal component responsible for maintaining cell integrity. The extensive T-tubular system of ventricular myocytes ensures a rapid and homogeneous increase in [Ca2+]i throughout the cell. This study investigated whether externally administered vimentin could improve cardiac contractility and Ca2+ release by stabilizing cardiomyocyte integrity in ischemia-reperfusion (I/R) injury of rats model. I/R injury in rats were produced by the ligation of the left anterior descending artery for 1 hour followed by reperfusion for 3 hours in Sprague–Dawley rats (I/R group, n=10). One hour after the I/R injury, 125 μL of vimentin solution (0.4 μg/μL) were systemically injected via a leg vein (I/R+Vimentin group, n=10). During hearts were perfused, maps were optically analyzed action potential duration (APD), conduction velocity (CV), restitution kinetics and the vulnerability of ventricular arrhythmias. The contractility was evaluated using adult cardiomyocytes of the I/R group and the I/R+Vimentin group normalized by control. Neonatal rat cardiac myocytes were prepared from hearts of 1-3 day old Sprague-Dawley rats, and dynamic Ca2+ images were determined by measuring fluorescent intensity in hypoxia treated cells with and without vimentin using confocal microscope. Compared with control, myocardial infarction was confirmed with respect to the infarct size of left ventricle both in I/R and I/R+Vimentin group (21.3 ± 1.4 % and 19. 8± 1.1 %, p<0.01, respectively). The cardiomyocyte contraction was decreased in hypoxia condition by 0.5 ± 0.2 (p<0.05). However, after cotreatment with vimentin, the contractility was recovered nearly upto control level (1.0 ± 0.9 vs. control, p=N.S.). Compared with control (1.0 ± 0.0 F/F0), the amplitudes of the Ca2+ waves were markedly increased in both I/R group (4.8 ± 1.0 F/F0, p<0.01) and I/R+Vimentin group (4.9 ± 1.1 F/F0, p<0.01). The frequencies of the Ca2+ waves were not different among 3 groups (1.0 ± 0.0 Hz in control, 0.9 ± 0.5 Hz in I/R group and 1.1 ± 0.3 Hz in I/R+Vimentin group, p=1.0). While spontaneous ventricular arrhythmias were not observed in control rats, they occurred frequently in I/R group (6 out of 10, 60 %) and in I/R+Vimentin group (5 out of 7, 71 %). APD was shortened, and the steepness of the CV restitution slope was increased in both I/R and I/R+Vimentin group. Externally administered vimentin improved cardiac contractility after hypoxic insult. However, Vimentin made no change of the Ca2+ overloading in neonatal cardiomyocyte and more frequent ventricular arrhythmias after I/R injury. This result suggested that vimentin might be used as a therapeutic tool to increase cardiac contractility. However, arrhythmogenic effect should be further evaluated.

비멘틴은 제 3형 중간 섬유로서 주요한 세포 골격 구성요소이다. 세포소기관들을 지지하고 연결하여 세포의 모양을 유지시키고 세포 소기관 간의 상호작용을 안정화시키는 것이 그 주요한 역할이다. 심실 근육세포의 T관 시스템을 통해서 Ca2+ 은 급격하면서도 균일하게 증가한다. 본 연구를 통해서 정주한 비멘틴이 심근세포에서도 Ca2+ 의 항상성 유지를 통해 수축력을 개선시키는지 그에 따른 부정맥에 대한 영향을 확인하고자 하였다. Sprague-Dawley 쥐를 대조군, 허혈/재관류 및 비멘틴처지군 각각 10마리씩 배정하였다. 허혈/재관류 모델은 좌주간지 관상동맥을 1시간동안 결찰한 뒤 3시간동안 다시 개통하였다. 비멘틴은 허혈 1시간 뒤 125 μL을 다리정맥을 통해서 전신으로 정주하였다. 자발적인 심실부정맥이 대조군에서는 관찰되지 않았지만 허혈/재관류군에서는 60%, 비멘틴군에서는 70%에서 발생하였다. 대조군에서는 전기생리학검사로도 심실부정맥은 유도되지 않았지만 허혈/재관류군과 비멘틴군에서는 100% 유도되었다. 대조군에 비해 허혈/재관류군 쥐의 활동전위기간은 짧았고 전도속도는 느렸으며 전도불균일도 증가하였다. 그러나 비멘틴을 처치하여도 그 양상은 허혈/재관류군과 비슷하였다. Ca2+ 파형의 진폭은 허혈/재관류군과 비멘틴군에서 모두 증가하였으나 빈도는 세군간에 차이가 없었다. 심근세포의 수축력은 허혈/재관류군에서는 감소하였지만 비멘틴을 처치한 군에서는 대조군 수준으로 회복되는 것을 확인하였다. 결론적으로 허혈성 손상 후에 외부에서 정주한 비멘틴은 심근세포의 수축력을 개선시키지만 Ca2+의 분비에는 변화가 없었고 심실부정맥 역시 통계적으로 유의한 차이는 보이지 않았다. 이로서 심근수축력을 개선시키기 위한 목적으로 비멘틴을 고려해볼 수 있으나 다만 부정맥과 관련해서는 추가적인 연구가 필요할 것이다.