Molekulárně-genetické aspekty maligních komorových arytmií a náhlé srdeční smrti Habilitační práce As. MUDr. Tomáš Novotný, PhD Interní kardiologická klinika Lékařská fakulta Masarykovy univerzity Brno 2014 Obsah Obsah……………………………………………………………………………………… 2 Abstract…………………………………………………………………………………… 5 Předmluva, poděkování………………………………………………………………….. 6 1. Úvod…………………………………………………………………………………….. 7 2. Hereditární arytmické syndromy jako model arytmické náhlé smrti……………... 7 2.1. Syndrom dlouhého intervalu QT (LQTS)…………………………………………….. 8 · Novotný T. Syndrom dlouhého intervalu QT. Cor Vasa 2007;49(11):416-425. ... 8 2.1.1. Poznámky k patofyziologii LQTS………………………………………………… 18 · Novotný T, Kadlecová J, Janoušek J, Gaillyová R, Bittnerová A, Florianová A, Šišáková M, Toman O, Chroust K, Papoušek I, Špinar J. The homozygous KCNQ1 gene mutation associated with recessive Romano-Ward syndrome. Pacing Clin Electrophysiol 2006;29:1013-1015. ………………………………. 19 · Kanovsky J, Novotny T, Kadlecova J, Gaillyova R. A new homozygous mutation of the KCNQ1 gene associated with both Romano - Ward and incomplete Jervell – Lange – Nielsen syndromes in two sisters. Heart Rhythm 2010;7(4):531-3.….. 23 2.1.2. Interval QT a jeho zátěžově závislé chování – komentář k současným poznatkům 27 · Malik M, Hnatkova K, Novotny T, Schmidt G. Subject-Specific Profiles of QT/RR Hysteresis. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2008;295(6):H2356-63.…………... 28 · Hnatkova K, Toman O, Sisakova M, Novotny T, Malik M. Dynamic properties of selected repolarization descriptors. J Electrocardiol. 2010;43(6):588-94.……… 36 2.1.3. Klinická diagnostika LQTS – komentář k současným poznatkům…………………. 44 · Novotný T, Šišáková M, Kadlecová J, Floriánová A, Semrád B, Gaillyová R, Vlašínová J Chroust K, Toman O. Occurence of notched T wave in healthy family members with the long QT interval syndrome. Am J Cardiol 2004;94:808-811.……………………………………………………………………………….. 45 · Andrsova I, Novotny T, Kadlecova J, Bittnerova A, Vit P, Florianova A, Sisakova M, Gaillyova R, Manouskova L, Spinar J. Clinical characteristics of 30 Czech families with long QT syndrome and KCNQ1 and KCNH2 gene mutations: Importance of exercise testing. J Electrocardiol 2012;45:746-751.…………….. 49 2.1.4. Molekulárně genetická diagnostika LQTS – komentář k současným poznatkům…. 55 · Raudenská M, Bittnerová A, Novotný T, Floriánová A, Chroust K, Gaillyová R, Semrád B, Kadlecová J, Šišáková M, Toman O, Špinar J. Mutation analysis of candidate genes SCN1B, KCND3 and ANK2 in patients with clinical diagnosis of long QT syndrome. Physiol Res 2008;57(6):857-862.………………………… 55 2.1.5. Polékový syndrom dlouhého QT intervalu…………………………………………. 62 · Novotný T. Proarytmické účinky nekardiálních léků na podkladě prodloužení intervalu QT. Kardiol Prax 2004;2:119-122.…………………………………….. 62 · Novotný T, Florianová A, Češková E, Weislamplová M, Pálenský V, Tomanová J, Šišáková M, Toman O, Špinar J. Monitoring of QT interval in patients treated with psychotropic drugs. Int J Cardiol. 2007;117:329-332.…………………….. 65 · Novotný T, Kadlecová J, Papoušek I, Chroust K, Bittnerová A, Floriánová A, Češková E, Weislamplová M, Pálenský V, Šišáková M, Toman O, Gaillyová R, Špinar J. Mutační analýza LQT genů u jedinců s polékovým prodloužením QT intervalu. Vnitř Lék 2006;52:116-118.…………………………………………… 69 2.2. Katecholaminergní polymorfní komorová tachykardie………………………………... 73 · Andrsova I, Valaskova I, Kubus P, Vit P, Gaillyova R, Kadlecova J, Manouskova^ L, Novotny T. Clinical characteristics and mutational analysis of the RyR2 gene in seven Czech families with catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia. Pacing Clin Electrophysiol 2012;35(7):798-803.………………….. 73 3. Molekulárně-genetické aspekty komorových arytmií v běžné populaci…………….. 80 · Novotný T. Molekulárně genetické aspekty v arytmologii. Vnitř Lék 2003;49:768-772.…………………………………………………………………. 80 3.1. Výskyt variant genů pro iontové kanály u pacientů s vysokým rizikem náhlé smrti….. 86 · Novotny T, Kadlecova J, Raudenska M, Bittnerova A, Andrsova I, Florianova A, Vasku A, Neugebauer P, Kozak M, Sepsi M, Krivan L, Gaillyova R, Spinar J. Mutation analysis of ion channel genes in ventricular fibrillation survivors with coronary artery disease. Pacing Clin Electrophysiol 2011;34(6):742-9.………... 86 · Andršová I, Novotný T, Valášková I, Kadlecová J, Kuderová D, Sepši M, Kozák M, Křivan L, Gaillyová R, Špinar J.Mutational analysis of RyR2 gene in patients after arrhythmic storm. Cor Vasa 2012;54:e84-e87.…………………………….. 94 · Novotný T, Raudenská M, Kadlecová J, Andršová I, Floriánová A, Vašků A, Kozák M, Sepši M, Křivan L, Gaillyová R, Špinar J. Mutation analysis of ion channel genes promoters in ventricular fibrillation survivors with coronary artery disease. Cor Vasa (2013) http://dx.doi.org/10.1016/j.crvasa.2013.06.009.. 98 · Li X, Buckton AJ, Wilkinson SL, John S, Walsh R, Novotny T, Valaskova I, Gupta M, Game L, Barton PJR, Cook SA, Ware JS. Towards clinical molecular diagnosis of inherited cardiac conditions: A comparison of bench-top genome DNA sequencers. PLoS ONE 8(7): e67744. doi:10.1371/journal.pone.0067744... 103 4. Závěr…………………………………………………………………………………….. 114 5. Seznam literatury doprovodného komentáře…………………………………………. 115 Abstract There is clear evidence that malignant ventricular arrhythmias (and thus sudden cardiac death) are genetically determined. Possibilities for prediction of the event are poor. The thesis consists of 17 included original articles of which the applicant is author or co-author. These articles are dealing with various aspects of genetics of sudden cardiac death pathophysiology, they are completed with connecting commentaries. The genetic aspects of ventricular arrhythmias were studied in patients with hereditary arrhythmic syndromes (s. c. channelopathies) which serve as a clinical model of arrhythmogenesis. Groups of patients with congenital long QT syndrome and catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia were characterized clinically, various aspects of clinical diagnosis were analyzed. Mutation analysis of related genes (KCNQ1, KCNH2, SCN5A, KCNE1, KCNE2, RyR2) were performed in all these patients with subsequent genotype-phenotype analyses. Mutation analysis of above mentioned genes was performed also in patients with structural heart disease – coronary artery disease. The prevalence of selected, rare coding variants in was significantly higher in ventricular fibrillation survivors versus controls, confirming a mechanistic role for these genes among a selected subgroup of patients. Despite being promising, these results cannot be used in risk stratification of sudden cardiac death. The possible SCD susceptibility alleles are likely to be as prevalent in noncoding regions of the genome as in coding sequences. Identification of such alleles will be a task for genome-wide association studies and the new emerging technologies developed for mass DNA sequencing. Any future genetic screening for SCD risk stratification should involve evaluation of large numbers of genomic variants in many pathways, each of which may be relevant to the risk of arrhythmias. In all the included articles the applicant was either the first author or he was the cooperation coordinator of the involved departments and institutions. The applicant was also the principal investigator of majority the related research grants. Předmluva Tato habilitační práce je sestavena jako soubor 17 publikovaných prací, jejichž je uchazeč autorem či spoluautorem. Publikované práce jsou vloženy v PDF formátu, tedy v grafické podobě a jazyku odpovídajícím příslušnému časopisu. Jednotlivé články jsou uvedeny krátkými shrnujícími komentáři (je zmíněna případná hodnota impakt faktoru a počet citací ve Web of Science) a také propojeny doplňujícím textem, který je uvádí do kontextu se současným stavem znalostí. Poděkování Chtěl bych poděkovat oběma přednostům Interní kardiologické kliniky (IKK), bývalému, prof. MUDr. Bořivoji Semrádovi, CSc., který byl iniciátorem zahájení výzkumu hereditárních arytmických syndromů na našem pracovišti, i současnému přednostovi prof. MUDr. Jindřichu Špinarovi, CSc. za trvalou podporu. Velký dík patří všem kolegům z IKK i dalších spolupracujících pracovišť, bez jejichž pomoci by realizace výzkumných projektů nebyla možná. Všichni jsou uvedeni jako spoluautoři některé z vložených publikací. Zvlášť chci poděkovat mé postgraduální studentce MUDr. Ireně Andršové, PhD, jejíž vklad byl po celou dobu jejího studia zcela zásadní. 1. Úvod Náhlá srdeční smrt (NSS) je klinicky i společensky významným jevem. Tímto způsobem zmírá např. v USA asi 400 000 jedinců ročně. Etiologie, patofyziologie a riziková stratifikace NSS zatím nebyla uspokojivě vyřešena (1). Celá řada tzv. sofistikovaných rizikově-stratifikačních metod (variabilita tepové frekvence, senzitivita baroreflexu, analýza pozdních komorových potenciálů, atd.) nepřinesla zpřesnění predikce náhlé smrti. V rámci primární prevence tak zůstalo snížení ejekční frakce levé komory víceméně jediným kritériem, na základě kterého jsou pacientům implantovány finančně nákladné kardiovertery defibrilátory. Přitom v 5 letech od implantace využije tento přístroj jen asi 1/3 pacientů. V posledních desetiletích byly publikovány výsledky několika geneticky zaměřených populačních studií (2, 3, 4, 5). V nich provedená multivariační analýza konvenčních rizikových faktorů pro ischemickou chorobu srdeční (ICHS) (faktory biologické, dietetické a faktory prostředí) ukázala, že pozitivní rodinná anamnéza náhlé srdeční smrti je silným nezávislým rizikovým faktorem NSS pro potomstvo. Anamnéza náhlého úmrtí u rodiče zvyšuje 1,8-krát riziko náhlého úmrtí pro potomka. V případě náhlého úmrtí obou rodičů pak relativní riziko pro potomstvo dosahuje překvapivě vysoké hodnoty 9,4. I když vezmeme do úvahy metodologická úskalí daného problému, podávají tyto studie přesvědčivý důkaz o familiárním výskytu NSS v běžné populaci (6). Při vědomí familiárně společně sdílených vnějších rizikových faktorů je zřejmá existence geneticky podmíněných odchylek různých fyziologických procesů, které zvyšují riziko NSS. Genetická variabilita rizika náhlé smrti se může uplatňovat v následujících oblastech 1) procesy tvorby a propagace elektrického impulsu v myokardu, 2) procesy a faktory tvorby a stability aterosklerotického plátu, trombózy a ischémie v koronárním řečišti, 3) centrální i místní řízení excitability myokardu a cévní motoriky. 2. Hereditární arytmické syndromy jako model arytmické náhlé smrti První jmenovaná oblast - procesy tvorby a propagace elektrického impulsu v myokardu – je dlouholetým předmětem výzkumu na našem pracovišti. V posledních desetiletích byla identifikována řada jednotlivých iontových proudů a jejich proteinových kanálů, které se podílejí na tvorbě akčního potenciálu srdečních buněk. U většiny z nich známe alespoň gen kódující jejich hlavní proteinovou podjednotku. Zásadní poznatky v této oblasti byly získány zejména při výzkumu relativně vzácných monogenně podmíněných arytmických syndromů - především syndromu dlouhého QT intervalu (LQTS), Brugada syndromu a katecholaminergní polymorfní komorové tachykardie (CPVT). Ty jsou ve většině případů způsobeny mutací genu pro některý iontový kanál srdečních myocytů a tak představují model pro studium procesů arytmogeneze na molekulární úrovni. V roce 1999 bylo popsáno několik případů ”forme fruste” kongenitálního LQTS (7). V některých rodinách dosahovala penetrance plného vyjádření choroby jen 25%. Ostatní nositelé patologických mutací genů pro iontové kanály v těchto rodinách zůstávali zcela asymptomatičtí, tedy neměli ani prodloužený QT interval. Normální hodnota QT intervalu tak rozhodně nevylučuje, že konkrétní jedinec není nositelem potenciálně nebezpečné mutace. 2.1. Syndrom dlouhého intervalu QT LQTS byl dlouho považován za vzácné onemocnění. V roce 2009 však byla publikována práce Schwartze et al. (8), kteří hodnotili EKG křivky u téměř 45 000 konsekutivních novorozenců v severní Itálii. Při dodržení poměrně přísných diagnostických kritérií zjistili výskyt syndromu 1:2500. Novotný T. Syndrom dlouhého intervalu QT. Cor Vasa 2007;49(11):416-425. (publikovaná přehledová práce) 2.1.1 Poznámky k patofyziologii LQTS Patofyziologie LQTS byla podrobně probrána ve výše vloženém článku. Zde bude uvedeno několik poznámek k homo- a heterozygotní formě LQTS. Jak již bylo uvedeno, běžnou formou LQTS je Romano-Ward syndrom (RWS). Pokud jsou klasické příznaky vzácně doplněny ještě hluchotou, hovoříme o Jervell a Lange-Nielsen syndromu (JLNS). Po odkrytí genetické podstaty LQTS bylo poměrně brzy zjištěno, že obě varianty mohou být způsobeny mutacemi ve stejných genech, pacienti s RWS jsou heterozygoti, u pacientů s JLNS byly mutace genů kódující podjednotky iontového kanálu nesoucího proud I[Ks] nalezeny v homozygotní formě. Tento kanál je totiž přítomen i ve vnitřním uchu a jsou-li postiženy obě alely, je kromě postižení srdce přítomno i postižení sluchu. Této problematice jsme se věnovali ve dvou následně vložených publikacích. Novotný T, Kadlecová J, Janoušek J, Gaillyová R, Bittnerová A, Florianová A, Šišáková M, Toman O, Chroust K, Papoušek I, Špinar J. The homozygous KCNQ1 gene mutation associated with recessive Romano-Ward syndrome. Pacing Clin Electrophysiol 2006;29:1013-1015. IF 1,095. Citováno 6x ve Web of Science. (publikovaný popis případu - kvantitativní podíl uchazeče 30 % - koncept, koordinace práce zúčastněných pracovišť, klinické vyšetřování pacientů, analýza dat, text publikace) Obsahem článku je podrobná klinická i genetická charakteristika rodiny s výskytem LQTS pouze u jednoho z dětí. Jedná se první popis homozygotní mutace genu KCNQ1 u potomstva nepříbuzenského sňatku, což bylo v té době považováno za vysoce nepravděpodobné. Tento nález podporoval posléze prokázanou hypotézu o násobně vyšším výskytu mutací genů pro iontové kanály myokardu. Funkční efekt nalezené mutace je zřejmě omezený, neboť u heterozygotních rodičů nevedla k obrazu LQTS, a v homozygotní formě se sice objevily příznaky LQTS, avšak bez hluchoty. U rodičů tedy tuto mutaci můžeme označit za latentní. Obě výše uvedená fakta jsou základem hypotézy o významné roli variant těchto genů v patofyziologii náhlé srdeční smrti v běžné populaci. Kanovsky J, Novotny T, Kadlecova J, Gaillyova R. A new homozygous mutation of the KCNQ1 gene associated with both Romano - Ward and incomplete Jervell – Lange – Nielsen syndromes in two sisters. Heart Rhythm 2010;7(4):531-3. IF 4,559. Citováno 2x ve Web of Science. (publikovaný popis případu - kvantitativní podíl uchazeče 30 % - koncept, koordinace práce zúčastněných pracovišť, klinické vyšetřování pacientů, analýza dat, text publikace) Obsahem článku je podrobná klinická i genetická charakteristika rodiny s výskytem LQTS. Rodiče jsou vzdálení příbuzní a oba jsou nositeli identické mutace genu KCNQ1, jsou asymptomatičtí a prodloužený interval QT byl u nich přítomen pouze při zátěžovém testu. Obě jejich dcery jsou homozygoty pro tuto mutaci a LQTS je u nich naopak výrazně vyjádřen, avšak pouze jedna z nich má audiometricky prokázanou poruchu sluchu. Identická homozygotní mutace tedy v jednom případě vedla k projevům Romano – Ward syndromu a ve druhém Jervell a Lange-Nielsen syndromu. Význam tohoto nálezu pro chápání patofyziologie LQTS je podrobně probrán v diskuzi vloženého článku. 2.1.2. Interval QT a jeho zátěžově závislé chování – komentář k současným poznatkům Závislost intervalu QT na tepové (závislost QT/RR) je známa více než 100 let (9, 10) a byla předmětem celé řady studií (11). Zjednodušeně je možné říci, že interval QT se postupně zkracuje se zvyšující se tepovou frekvencí. Elektrokardiografická data nejrůznějšího původu, kvality a rozsahu byla zkoumána převážně s cílem formulovat obecně platný popis závislosti QT/RR a také získat široce využitelný matematický vzorec pro korekci intervalu QT k tepové frekvenci (QTc –interval QT korigovaný k tepové frekvenci). Žádný z těchto pokusů však nebyl opravdu úspěšný (12) a relativně nedávno bylo potvrzeno, že závislost QT/RR je velmi stálá u konkrétního jedince, nicméně interindividuálně vykazuje vysokou variabilitu (13, 14). Tedy žádná obecně platná korekční formule neexistuje a každý jedinec „má svůj vlastní korekční vzorec“. Tento fakt výrazně ztěžuje rozlišení fyziologického a patologického chování intervalu QT, byť je přesvědčivě prokázáno, že jak jeho zkrácení, tak i prodloužení je spjato se zvýšeným rizikem arytmií. Byla navržena celá řada numerických charakteristik, jejichž cílem je jednak pokrok v chápání fyziologie repolarizačního procesu a také rozlišení mezi normální a abnormální repolarizací v klinicky dobře definovaných populacích. Jedná se o nejrůznější matematické metody od jednoduchých kalkulací plochy pod vlnou T (15) až po trojrozměrné rekonstrukce vektorokardiografických smyček vln T a jejich kvantifikace (s nutností využití algoritmů dekompozice na singulární hodnoty a rekonstrukce ve vícerozměrných algebraických prostorech) (16, 17). Nedávné pokroky v digitální elektrokardiografii a umožňují provádění dlouhodobých EKG záznamů a jejich měření s vysokou přesností. Ve srovnání s pokrokem v aplikované elektrokardiografii je však podrobné chápání repolarizační elektrofyziologie mnohem méně pokročilé. Vztahy mezi různými charakteristikami EKG záznamu jsou převážně neznámé a není ani jasné, zda se různé deskriptory vztahují k různým aspektům stejného fyziologického procesu nebo odrážejí různé fyziologické procesy. K vysvětlení těchto nejasností bude třeba provést celou řadu cílených fyziologických studií nejrůznějších repolarizačních charakteristik za různých podmínek. Malik M, Hnatkova K, Novotny T, Schmidt G. Subject-Specific Profiles of QT/RR Hysteresis. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2008;295(6):H2356-63. IF 3,643. Citováno 14x ve Web of Science. (publikovaná původní práce - kvantitativní podíl uchazeče 20 % - koordinace práce zúčastněných pracovišť, hodnocení EKG, analýza dat) Práce se věnuje fenoménu QT/RR hystereze – t. j. zpožďování zkracování intervalu QT za zkracováním intervalu RR. Prokazuje individuální specificitu a interindividuální variabilitu tohoto parametru a jeho nezávislost na statickém vztahu QT/RR. Hnatkova K, Toman O, Sisakova M, Novotny T, Malik M. Dynamic properties of selected repolarization descriptors. J Electrocardiol. 2010;43(6):588-94. IF 1,109. Citováno 2x ve Web of Science. (publikovaná původní práce - kvantitativní podíl uchazeče 20 % - koordinace práce zúčastněných pracovišť, hodnocení EKG, analýza dat) Práce se věnuje popisu méně obvyklých deskriptorů repolarizace: prostorové smyčce vektoru vlny T a prostorovému úhlu tohoto vektoru k vektoru komplexu QRS (QRS-T angle) ve srovnání s chováním intervalu QT. Výsledky ukazují, že parametry vlny T reagují na změny tepové frekvence rychleji ve srovnání s intervalem QT a tedy se může jednat o fyziologicky rozdílné procesy. 2.1.3. Klinická diagnostika syndromu dlouhého intervalu QT – komentář k současným poznatkům Jak již bylo uvedeno výše, diagnóza LQTS je klinická, a to přes veškerý pokrok v molekulárně genetické diagnostice. Vzhledem k tomu, že klidové hodnoty intervalu QT mohou být normální, byla navržena řada provokačních testů. Na našem pracovišti dlouhodobě využíváme bicyklové ergometrie, pilotní data jsme publikovali v roce 2000 (18). Tento přístup byl potvrzen dvěma nedávno publikovanými studiemi. Ty potvrdily, že hodnota QTc nad 480 ms ve 4. minutě restituce ergometrického testu má 100% senzitivitu pro identifikaci nosičů mutací genů KCNQ1 a KCNH2, které jsou u pacientů s diagnózou LQTS nalézány nejčastěji (19, 20). Výsledky obou studií vedly dokonce k úpravě Schwartzova diagnostického skóre (Tab 1) (21). Tab 2. Skóre pro diagnostiku LQTS (upraveno podle Schwartz et al., Circulation 2011) Body EKG nálezy A. QTc (dle Bazetta) >480 ms 460-470 ms 450 ms u mužů B. QTc ve 4. minutě restituce zátěžového testu >480 ms C. Torsades de pointes D. Alternans T vlny E. Dvouvrcholová T vlna ve 3 svodech F. Nízká TF pro danou věkovou skupinu (u dětí) 3 2 1 1 2 1 1 0,5 Osobní anamnéza A. Synkopa při námaze bez vazby na námahu B. Vrozená hluchota 2 1 0,5 Rodinná anamnéza A. Jasná diagnóza LQTS u přímého příbuzného B. Náhlé úmrtí přímého příbuzného před 30. rokem 1 0,5 Hodnocení: <1 bod – nízká praděpodobnost diagnózy 1,5-3 body – střední praděpodobnost diagnózy >3,5 body – vysoká praděpodobnost diagnózy Otevřenou otázkou zůstává popis zátěžově závislého chování T vlny. Publikovali jsme pozorování zátěžově závislého rozvoje dvouvrcholové morfologie T vln (viz přiloženou publikaci níže). Souhrnně pak byla publikována data celého našeho souboru (viz další přiloženou publikaci). Novotný T, Šišáková M, Kadlecová J, Floriánová A, Semrád B, Gaillyová R, Vlašínová J Chroust K, Toman O. Occurence of notched T wave in healthy family members with the long QT interval syndrome. Am J Cardiol 2004;94:808-811. IF 3,14. Citováno 2x ve Web of Science. (publikovaná původní práce - kvantitativní podíl uchazeče 30 % - koncept, koordinace práce zúčastněných pracovišť, vyšetřování pacientů, analýza dat, text publikace) Práce popisuje zátěží vyvolaný vývoj dvouvrcholových vln T, jejich různé morfologie a korelaci s geneticky potvrzenou diagnózou LQTS. Výsledky naznačují, že některý typ dvouvrcholových vln T může být oproti původním předpokladům obecným diagnostickým znakem více genetických typů LQTS (tedy nejen LQTS2). Andrsova I, Novotny T, Kadlecova J, Bittnerova A, Vit P, Florianova A, Sisakova M, Gaillyova R, Manouskova L, Spinar J. Clinical characteristics of 30 Czech families with long QT syndrome and KCNQ1 and KCNH2 gene mutations: Importance of exercise testing. J Electrocardiol 2012;45:746-751. IF 1,093 (publikovaná původní práce - kvantitativní podíl uchazeče 20 % - koncept, koordinace práce zúčastněných pracovišť, vyšetřování pacientů, analýza dat, kritická revize textu publikace) Jedná se o první systematický popis souboru pacientů z České republiky s LQTS s diagnózou potvrzenou nálezem mutace. Některé z mutací nebyly dosud v literatuře popsány. Soubor je podrobně charakterizován klinicky, je dokladován přínos ergometrického vyšetření. 2.1.4. Molekulárně genetická diagnostika LQTS – komentář k současným poznatkům V poslední dekádě 20. století došlo k přelomovému pokroku v chápání podstaty LQTS na molekulárně genetické úrovni. V rychlém sledu bylo identifikováno několik genů, jejichž mutace jsou zodpovědné za rozvoj onemocnění. Molekulárně genetické vyšetření bylo prezentováno jako úhelný kámen diagnostiky a řada pracovišť po celém světě prováděla mutační analýzy v různých souborech pacientů s cílem objevení dalších souvisejících genů, ať už metodami vazebné analýzy či kandidátních genů. S přibývajícími daty se však dostavilo určité vystřízlivění. Dnes je diagnóza postavena na klinických známkách a rutinní provádění mutační analýzy bylo expertní skupinou odborných arytmologických společností (22) u LQTS doporučeno v následujících případech: - pacient s klinickým podezřením na LQTS (patologická hodnota QT[c] + symptomy) - asymptomatický jedinec s QT[c] nad 480 ms u dětí, nad 500 ms u dospělých - příbuzný LQTS pacienta, u kterého již byla nalezena mutace Raudenská M, Bittnerová A, Novotný T, Floriánová A, Chroust K, Gaillyová R, Semrád B, Kadlecová J, Šišáková M, Toman O, Špinar J. Mutation analysis of candidate genes SCN1B, KCND3 and ANK2 in patients with clinical diagnosis of long QT syndrome. Physiol Res 2008;57(6):857-862. IF 1,653, Citováno 3x ve Web of Science. (publikovaná původní práce - kvantitativní podíl uchazeče 20 % - koncept, koordinace práce zúčastněných pracovišť, hodnocení EKG a identifikace vhodných jedinců, analýza dat, kritická revize textu publikace) Soubor vyšetřených sestával z 12 nepříbuzných jedinců s klinickou diagnózou LQTS, u nichž nebyly nalezeny mutace v 5 nejčastěji postižených genech. Práce obsahuje jejich podrobnou klinickou charakteristiku a dále výsledky mutační analýzy dalších kandidátních genů kódujících různé proteiny iontových kanálů myokardu. V žádném z nich nebyly nalezeny kódující varianty, které by mohly být příčinou LQTS. 2.1.5. Polékový syndrom dlouhého QT intervalu Novotný T. Proarytmické účinky nekardiálních léků na podkladě prodloužení intervalu QT. Kardiol Prax 2004;2:119-122. (publikovaná přehledová práce) Novotný T, Florianová A, Češková E, Weislamplová M, Pálenský V, Tomanová J, Šišáková M, Toman O, Špinar J. Monitoring of QT interval in patients treated with psychotropic drugs. Int J Cardiol. 2007;117:329-332. IF 2,878. Citováno 8x ve Web of Science. (publikovaná původní práce – kvantitativní podíl uchazeče 30 % - koncept, koordinace práce zúčastněných pracovišť, hodnocení EKG, analýza dat, text publikace) Jedná se o jednu z největších publikovaných prospektivních studií hodnotících interval QT při léčbě psychofarmaky v běžné klinické praxi. Novotný T, Kadlecová J, Papoušek I, Chroust K, Bittnerová A, Floriánová A, Češková E, Weislamplová M, Pálenský V, Šišáková M, Toman O, Gaillyová R, Špinar J. Mutační analýza LQT genů u jedinců s polékovým prodloužením QT intervalu. Vnitř Lék 2006;52:116-118. Citováno 1x ve Web of Science. (publikovaná původní práce - kvantitativní podíl uchazeče 30 % - koncept, koordinace práce zúčastněných pracovišť, hodnocení EKG a identifikace vhodných jedinců, analýza dat, text publikace) U jedinců s výskytem polékového prodloužení intervalu QT (nebo i polymorfní komorové tachykardie torsade des pointes) byla provedena mutační analýza genů souvisejících s kongenitálním LQTS. Původní očekávání, že výskyt mutací bude podobný jako u kongenitálního LQTS (tedy 60-70%), se nenaplnila. Mechanizmus získané formy LQTS je tedy komplexnější. Tento fakt je významný i pro chápání molekulárně genetických mechanizmů náhlé srdeční smrti v běžné populaci. 2.2. Katecholaminergní polymorfní komorová tachykardie (CPVT) Andrsova I, Valaskova I, Kubus P, Vit P, Gaillyova R, Kadlecova J, Manouskova^ L, Novotny T. Clinical characteristics and mutational analysis of the RyR2 gene in seven Czech families with catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia. Pacing Clin Electrophysiol 2012;35(7):798-803. IF 1,746 (publikovaná původní práce - kvantitativní podíl uchazeče 20 % - koncept, koordinace práce zúčastněných pracovišť, vyšetřování pacientů, analýza dat, kritická revize textu publikace) Práce v úvodu přináší přehled současných poznatků o CPVT. Následuje první systematický popis rodin s touto diagnózou v České republice. Pacienti jsou podrobně charakterizováni klinicky, byla u nich provedena i mutační analýza nejčastěji postiženého genu RyR2, a u 2/3 probandů byly nalezeny mutace tohoto genu. 3. Molekulárně-genetické aspekty komorových arytmií v běžné populaci Novotný T. Molekulárně genetické aspekty v arytmologii. Vnitř Lék 2003;49:768-772. (publikovaná přehledová práce) Byť byl tento článek publikován již před více než 10 lety, většina tezí v něm uvedených stále platí. Největší změnou je rozpoznání (či spíše tušení) významu tzv. nekódujících sekvencí DNA. Ty tvoří více než 98% lidského genomu a dnes je jasné, že se nejedná o žádný „odpad“ („DNA junk“), nýbrž o velmi důležité regulační sekvence. Většina genů je totiž velmi podobná napříč všemi živočišnými kmeny a geny jsou někdy přirovnávány ke klaviatuře, na kterou lze zahrát Beethovenovu sonátu, ale také jen dětský popěvek. O tom, jaká „skladba“ bude provedena, rozhoduje nejspíše právě informace uložená v oblastech „nekódujících“ sekvencí. 3.1. Výskyt variant genů pro iontové kanály u pacientů s vysokým rizikem náhlé smrti Jak bylo uvedeno ve výše vložené přehledové práci, existují dnes přesvědčivé důkazy o familiárním výskytu náhlé srdeční smrti v běžné populaci. V roce 1998 navrhl Roden koncept repolarizační rezervy (23): ve zdravém srdci zajišťují normální průběh repolarizace vícečetné redundantní mechanizmy. Porucha jednoho z těchto mechanizmů nevede k poruše repolarizace ani ke změně intervalu QT. Avšak v zátěžových podmínkách (např. ischémie či hypokalémie) mohou být kompenzační mechanizmy vyčerpány a dosud latentní mutace genů pro iontové kanály může zvýšit riziko maligních arytmií. Novotny T, Kadlecova J, Raudenska M, Bittnerova A, Andrsova I, Florianova A, Vasku A, Neugebauer P, Kozak M, Sepsi M, Krivan L, Gaillyova R, Spinar J. Mutation analysis of ion channel genes in ventricular fibrillation survivors with coronary artery disease. Pacing Clin Electrophysiol 2011;34(6):742-9. IF 1,351 (Publikovaná původní práce – kvantitativní podíl uchazeče 30 % - koncept, koordinace práce zúčastněných pracovišť, identifikace vhodných pacientů, analýza dat, text publikace) Práce hodnotí výskyt kódujících variant v genech pro iontové kanály myokardu u selektovaných pacientů se strukturálním onemocněním srdce a nízkou ejekční frakcí, kteří byli úspěšně resuscitováni pro dokumentovanou fibrilaci komor, tedy přežili náhlou smrt. Kódující varianty genů asociovaných s LQTS byly u nich nalezeny signifikantně častěji než v kontrolních populacích, což potvrzuje mechanistickou roli těchto genů v patofyziologii náhlé smrti u pacientů s ischemickou chorobou srdeční. Andršová I, Novotný T, Valášková I, Kadlecová J, Kuderová D, Sepši M, Kozák M, Křivan L, Gaillyová R, Špinar J.Mutational analysis of RyR2 gene in patients after arrhythmic storm. Cor Vasa 2012;54:e84-e87 (Publikovaná původní práce – kvantitativní podíl uchazeče 20 % - koncept, koordinace práce zúčastněných pracovišť, identifikace vhodných pacientů, analýza dat, kritická revize textu publikace) U pacientů po prodělané arytmické bouři byla provedena mutační analýza genu RyR2 asociovaného s hereditárním arytmickým syndromem CPVT. Byly u nich nalezeny četné nekódující varianty, jejichž výskyt se ale nelišil při srovnání s kontrolní populací. Role variant genu RyR2 v patofyziologii náhlé smrti je tedy nejspíše omezený. Novotný T, Raudenská M, Kadlecová J, Andršová I, Floriánová A, Vašků A, Kozák M, Sepši M, Křivan L, Gaillyová R, Špinar J. Mutation analysis of ion channel genes promoters in ventricular fibrillation survivors with coronary artery disease. Cor Vasa (2013) http://dx.doi.org/10.1016/j.crvasa.2013.06.009 (Publikovaná původní práce – kvantitativní podíl uchazeče 30 % - koncept, koordinace práce zúčastněných pracovišť, identifikace vhodných pacientů, analýza dat, text publikace) Vycházejíce s našeho předchozího nálezu signifikantně vyššího výskytu kódujících variant genů pro iontové kanály myokardu u pacientů s ICHS po prodělané fibrilaci komor, jsme ve stejném souboru analyzovali i výskyt variant v promotorech stejných genů. Zjistili jsme, že varianty promotorů jsou běžné jak u pacientů, tak v kontrolním souboru. Srovnání s mezinárodními databázemi naznačuje významné geografické odlišnosti ve výskytu variant promotorů. Li X, Buckton AJ, Wilkinson SL, John S, Walsh R, Novotny T, Valaskova I, Gupta M, Game L, Barton PJR, Cook SA, Ware JS. Towards clinical molecular diagnosis of inherited cardiac conditions: A comparison of bench-top genome DNA sequencers. PLoS ONE 2013;8(7): e67744. doi:10.1371/journal.pone.0067744. IF 3,73. Citováno 1x ve Web of Science. (původní publikovaná práce - kvantitativní podíl uchazeče 10 % - koordinace práce zúčastněných pracovišť, identifikace vhodných pacientů, kritická revize textu publikace) V této práci byly výsledky získané v předchozích projektech využity k porovnání parametrů nové generace sekvenátorů („next generation sequencing“) a to v rámci mezinárodní spolupráce. 4. Závěr Navzdory velkým nadějím, které vyvolalo dokončení sekvenace lidského genomu před více než 10 lety, zůstává naše chápání genetického pozadí patofyziologických procesů velmi omezené. Ukazuje se, že architektura genomu není lineární a že stejné sekvence slouží nejen jako předloha pro transkripci ale též jako regulační oblasti. Alely ovlivňující riziko náhlé srdeční smrti tak mohou být přítomny také v tzv. nekódujících oblastech genomu (24). Identifikace takových alel bude úkolem pro tzv. „genome-wide association“ studie a také pro přicházející technologie masové DNA sekvenace. Jakýkoli budoucí genetický screening využitelný pro rizikovou stratifikaci náhlé srdeční smrti by měl zahrnovat hodnocení velkého počtu genomických variant všech oblastí relevantních pro riziko arytmií. 5. Seznam literatury doprovodného komentáře 1. Myerburg RJ, Wellens HJJ. Epidemiology of cardiac arrest. In: Priori SG, Zipes DP, editors. Sudden cardiac death. A handbook for clinical practice. Malden, MA: Blackwell Publishing; 2006:3-20. 2. Friedlander Y, Siscovick DS, Weinmann S, Austin MA, Psaty BM, Lemaitre RN, Arbogast P, et al. Family history as a risk factor for primary cardiac arrest. Circulation 1998;97:155-160. 3. Jouvan X, Desnos M, Guerot C, Ducimetière P. Predicting sudden death in the population: the Paris Prospective Study I. Circulation 1999;99:1978-1983. 4. Kaikkonen KS, Kortelainen ML, Linna E, Huikuri HV. Family history and the risk of sudden cardiac death as a manifestation of an acute coronary event. Circulation 2006;114:1462–1467. 5. Dekker LR, Bezzina CR, Henriques JP, Tanck MW, Koch KT, Alings MW, Arnold AER, et al. Familial sudden death is an important risk factor for primary ventricular fibrillation: a case-control study in acute myocardial infarction patients. Circulation 2006;114:1140–1145. 6. Spooner PM. Sudden cardiac death: the larger problem...the larger genome. J Cardiovasc Electrophysiol 2009;20:585-596. 7. Priori SG, Napolitano C, Schwarz PJ. Low Penetrance in the Long-QT Syndrome: Clinical Impact. Circulation 1999;99:529-533. 8. Schwartz PJ, Stramba-Badiale M, Crotti L, Pedrazzini M, Besana A, Bosi G, Gabbarini F, Goulene K, Insolia R, Mannarino S, Mosca F, Nespoli L, Rimini A, Rosati E, Salice P, Spazz. Prevalence of the Congenital Long-QT Syndrome. Circulation. 2009;120:1761-1767. 9. Bazett HC. An analysis of time relations of electrocardiograms. Heart 1920;7:353-370. 10. Fridericia LS. Die Systolendauer im Elekrokardiogramm bei normalen Menschen und bei Herzkranken. Acta Medica Scandinavica, 1920;53:469-486. 11. Rautaharju PM, Zhang ZM. Linearly scaled, rate-invariant normal limits for QT interval: eight decades of incorrect application of power functions. J Cardiovas Electrophysiol 2002;13:1211-1218. 12. Malik M. Is there a physiologic QT/RR relationship? J of Cardiovasc Electrophysiol 2002;13:1219-1221. 13. Malik M, Färbom P, Batchvarov V, Hnatkova K, Camm AJ. Relation between QT and RR intervals is highly individual among healthy subjects: implications for heart rate correction of the QT interval. Heart, 2002;87:220-228. 14. Batchvarov VN, Ghuran A, Smetana P, Hnatkova K, Harries M, Dilaveris P, Camm AJ, Malik M. QT-RR relationship in healthy subjects exhibits substantial intersubject variability and high intrasubject stability. Am J Physiol-Heart Circ Physiol 2002;282:H2356-H2363. 15. Xue Q, Reddy S. Algorithms for computerized QT analysis. J Electrocardiol, 1997;30(Suppl):181-186. 16. Porthan K, Viitasalo M, Jula A, Reunanen A, Rapola J, Vaananen H, Nieminen MS, Toivonen L, Salomaa V, Oikarinen L. Predictive value of electrocardiographic QT interval and T-wave morphology parameters for allcause and cardiovascular mortality in a general population sample. Heart Rhythm 2009;6:1202-1208. 17. Friedman HS. Determinants of the total cosine of the spatial angle between the QRS complex and the T wave (TORT): implications for distinguishing primary from secondary T-wave abnormalities. J Electrocardiol 2007;40:12-17. 18. Novotný T, Semrád B, Kadlecová J, Gaillyová R. Postavení ergometrického vyšetření v diagnostice latentního syndromu dlouhého QT intervalu. Vnitř Lék 2000;46:843-7. 19. Sy RW, van der Werf C, Chattha IS, et al. Derivation and validation of a simple exercise-based algorithm for prediction of genetic testing in relatives of LQTS probands. Circulation 2011;124:2187-2194. 20. Horner JM, Horner MM, Ackerman MJ. The diagnostic utility of recovery phase QTc during treadmill exercise stress testing in the evaluation of long QT syndrome. Heart Rhythm 2011;8:1698 –1704 21. Schwartz PJ, Crotti L. QTc behavior during exercise and genetic testing for the long-QT syndrome. Circulation 2011;124: 2181-2184. 22. Ackerman MJ, Priori SG, Willems S, et al. HRS/EHRA expert consensus statement on the state of genetic testing for the channelopathies and cardiomyopathies. Heart Rhythm 2011;8:1308 –1339. 23. Roden DM. Taking the idio out of idiosyncratic – predicting torsades de pointes. Pacing Clin Electrophysiol 1998; 21:1029–1034. 24. Kapranov P, Willingham AT, Gingeras TR. Genome-wide transcription and the implications for genomic organization. Nat Rev Genet 2007;8:413-423. 25. Lander ES. Initial impact of the sequencing of the human genome. Nature 2011;470:187-197.