Vorhofflimmern ist die häufigste behandlungsbedürftige Herzrhythmusstörung und wichtige Ursache kardialer Morbidität und Mortalität. Bei Vorhofflimmern kommt es zu tiefgreifenden Veränderungen im Ca2+-Stoffwechsel der atrialen Kardiomyozyten, welche als mitursächlich für die Entstehung und Aufrechterhaltung der Rhythmusstörung angesehen werden. Ein zentraler Regulator des kardiomyozytären Ca2+-Haushalts ist die Ca2+/Calmodulin-abhängige Proteinkinase II (CaMKII). Ausgangshypothese der hier vorliegenden Arbeit war es, dass bei Vorhofflimmern ein vermehrtes CaMKII-abhängiges SR Ca2+-Leck infolge von Überexpression und Überaktivierung der CaMKII auftritt.
Diese Hypothese wurde untersucht in humanen rechtsatrialen Kardiomyozyten, gewonnen aus Gewebeproben von Patienten mit Vorhofflimmern im Vergleich zu Kontrollproben von Patienten im Sinusrhythmus. Dabei wurde in isolierten Kardiomyozyten das SR Ca2+-Leck durch die konfokale fluoreszenzmikroskopische Messung von Ca2+-Sparks sowie die diastolische Ca2+-Konzentration mittels ratiometrischer Epifluoreszenzmessungen bestimmt. Parallel wurden proteinbiochemische Untersuchungen durchgeführt. Diese zeigten eine vermehrte Expression und Aktivierung (durch Autophosphorylierung) der CaMKII und damit assoziiert eine Hyperphosphorylierung des RyR2, dem SR Ca2+-Freisetzungskanal, an der CaMKII-spezifischen Phosphorylierungsstelle Ser-2814 bei Vorhofflimmern. Damit einhergehend zeigte sich ein vielfach erhöhtes SR Ca2+-Leck. Es konnte gezeigt werden, dass dieses CaMKII-abhängig ist; durch Inhibition der CaMKII mittels KN-93 konnte es vollständig auf das Niveau bei Sinusrhythmus reduziert werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass das SR Ca2+-Leck für die ebenfalls festgestellte starke Erhöhung der diastolischen Ca2+-Konzentration verantwortlich ist, da diese durch Tetracain komplett normalisiert werden konnte. Ebenso konnte diese Erhöhung der diastolischen Ca2+-Konzentration durch CaMKII-Inhibition vollständig normalisiert werden.
Die Ergebnisse zeigen damit erstmalig, dass es bei Vorhofflimmern in humanen atrialen Kardiomyozyten CaMKII-abhängig durch Hyperphosphorylierung der RyR2 an der CaMKII-spezifischen Phosphorylierungsstelle Ser-2814 zu einem erhöhten SR Ca2+-Leck kommt, welches wiederum zum Anstieg der diastolischen Ca2+-Konzentration in diesen Zellen führt. Vermutlich führen durch den NCX bedingte transiente Einwärtsströme zu späten Nachdepolarisationen, die Vorhofflimmern initiieren können.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit legen damit nahe, dass das CaMKII-abhängige SR Ca2+-Leck ein dem Vorhofflimmern zugrunde liegender arrhythmogener Mechanismus ist und dass die Inhibition der CaMKII ein neuartiger pharmakotherapeutischer Ansatz bei Vorhofflimmern sein könnte.

Atrial fibrillation is the most common cardiac arrhythmia worldwide and cause of high morbidity and mortality. The condition leads to profound changes in Ca2+ homeostasis of atrial cardiomyocytes. This is regarded as one major cause for initiation and perpetuation of atrial fibrillation. Ca2+/calmodulin-dependent proteinkinase II (CaMKII) is a central regulatory protein of the cardiac Ca2+ balance. Main hypothesis of this study was that an increasing CaMKII-dependent SR Ca2+ leak is developed during atrial fibrillation due to increased expression and activation of CaMKII.
Experiments were performed using human atrial cardiomyocytes from patients with atrial patients compared to patients with sinus rhythm as control. To investigate SR Ca2+ leak and diastolic Ca2+ levels those cardiomyocytes were analyzed using Ca²⁺-fluorescent dyes in epifluorescence and confocal microscope setups. Protein expression and phosphorylation of several Ca2+ handling proteins were measured using Western Blot technique.
The results showed an increased expression and activation (due to phosphorylation) of CaMKII and CaMKII-dependent hyperphosphorylation of the SR Ca2+ release channel RyR2 at Ser-2814. Concomitant with that, a highly increased SR Ca2+ leak was found. Through inhibition of CaMKII with the inhibitor KN-93, it could be demonstrated that this leak is CaMKII-dependent. Furthermore, the SR Ca2+ leak leads to elevation of diastolic Ca2+ levels. This could be normalized by CaMKII-inhibition as well.
The results of this thesis show for the first time that atrial fibrillation leads to CaMKII-dependent hyperphosphorylation of RyR2 at Ser-2814 in human atrial cardiomyocytes. This in turn leads to an increased SR Ca2+ leak and elevated diastolic Ca2+ levels.
Presumably, this conducts transient inward currents due to increased NCX activity causing delayed afterdepolarizations. Delayed afterdepolarizations can initiate atrial fibrillation.
These findings suggest that the CaMKII-dependent SR Ca2+ leak is an arrhythmogenic mechanism in atrial fibrillation. Inhibition of CaMKII could be a novel antiarrhythmic approach for the treatment of atrial fibrillation.