The expression of 15 different K+ channels in canine heart was examined, and a new K+ channel gene (Kv4.3), which encodes a rapidly inactivating K+ current, is described. The Kv4.3 channel was found to have biophysical and pharmacological properties similar to the native canine transient outward current (I(to)). The Kv4.3 gene is also expressed in human and rat heart. It is concluded that the Kv4.3 channel underlies the bulk of the I(to) in canine ventricular myocytes, and probably in human myocytes. Both the Kv4.3 and Kv4.2 channels are likely to contribute to the I(to) in rat heart, and differential expression of these two channels can account for observed differences in the kinetic properties of the I(to) in different regions of rat ventricle. There are significant differences in the pattern of K+ channel expression in canine heart, compared with rat heart, and these differences may be an adaptation to the different requirements for cardiac function in mammals of markedly different sizes. It is possible that the much longer ventricular action potential duration observed in canine heart compared with rat heart is due, in part, to the lower levels of Kv1.2, Kv2.1, and Kv4.2 gene expression in canine heart.

We investigated effects of the paracrine factors secreted by human mesenchymal stem cells (hMSCs) on endothelial cell migration, extracellular matrix invasion, proliferation, and survival in vitro. Human mesenchymal stem cells were cultured as a monolayer or as three-dimensional aggregates in hanging drops (hMSC spheroids). We performed analysis of paracrine factors in medium conditioned by a monolayer of hMSCs and hMSC spheroids. Concentrations of vascular endothelial growth factor (VEGF), basic fibroblast growth factor, angiogenin, procathepsin B, interleukin (IL)-11, and bone morphogenic protein 2 were increased 5-20 times in medium conditioned by hMSC spheroids, whereas concentrations of IL-6, IL-8, and monocyte hemoattractant protein-1 were not increased. Concentrations of VEGF and angiogenin in medium conditioned by hMSC spheroids showed a weak dependence on the presence of serum, which allows serum-free conditioned medium with elevated concentrations of angiogenic cytokines to be obtained. Medium conditioned by hMSC spheroids was more effective in stimulation of umbilical vein endothelial cell proliferation, migration, and basement membrane invasion than medium conditioned by a monolayer of hMSCs. This medium also promotes endothelial cell survival in vitro. We suggest that culturing of hMSCs as three-dimensional cellular aggregates provides a method to concentrate proangiogenic factors secreted by hMSCs and allows for reduction of serum concentration in conditioned medium. Our data support the hypothesis that hMSCs serve as trophic mediators for endothelial cells. Disclosure of potential conflicts of interest is found at the end of this article.

Abstract The cardiac KCNQ1+KCNE1 (I Ks ) channel regulates heart rhythm in both normal and stress conditions. Under stress, the β-adrenergic stimulation elevates the intracellular cAMP level, leading to KCNQ1 phosphorylation by protein kinase A and increased I Ks , which shortens action potentials to adapt to accelerated heart rate. An impaired response to the β-adrenergic stimulation due to KCNQ1 mutations is associated with the occurrence of a lethal congenital long QT syndrome (type 1, also known as LQT1). However, the underlying mechanism of β-adrenergic stimulation of I Ks remains unclear, impeding the development of new therapeutics. Here we find that the unique properties of KCNQ1 channel gating with two distinct open states are key to this mechanism. KCNQ1’s fully activated open (AO) state is more sensitive to cAMP than its’ intermediate open (IO) state. By enhancing the AO state occupancy, the small molecules ML277 and C28 are found to effectively enhance the cAMP sensitivity of the KCNQ1 channel, independent of KCNE1 association. This finding of enhancing AO state occupancy leads to a potential novel strategy to rescue the response of I Ks to β-adrenergic stimulation in LQT1 mutants. The success of this approach is demonstrated in cardiac myocytes and also in a high-risk LQT1 mutation. In conclusion the present study not only uncovers the key role of the AO state in I Ks channel phosphorylation, but also provides a new target for anti-arrhythmic strategy. Significance statement The increase of I Ks potassium currents with adrenalin stimulation is important for “fight-or-flight” responses. Mutations of the IKs channel reducing adrenalin responses are associated with more lethal form of the type-1 long-QT syndrome (LQT). The alpha subunit of the IKs channel, KCNQ1 opens in two distinct open states, the intermediate-open (IO) and activated-open (AO) states, following a two-step voltage sensing domain (VSD) activation process. We found that the AO state, but not the IO state, is responsible for the adrenalin response. Modulators that specifically enhance the AO state occupancy can enhance adrenalin responses of the WT and LQT-associated mutant channels. These results reveal a mechanism of state dependent modulation of ion channels and provide an anti-arrhythmic strategy.

Abstract Cardiac arrhythmias are the most common cause of sudden cardiac death worldwide. Lengthening the ventricular action potential duration (APD) either congenitally or via pathologic or pharmacologic means, predisposes to a life-threatening ventricular arrhythmia, Torsade de Pointes. IKs, a slowly activating K + current plays a role in action potential repolarization. In this study, we screened a chemical library in silico by docking compounds to the voltage sensing domain (VSD) of the I Ks channel. Here we show that C28 specifically shifted I Ks VSD activation in ventricle to more negative voltages and reversed drug-induced lengthening of APD. At the same dosage, C28 did not cause significant changes of the normal APD in either ventricle or atrium. This study provides evidence in support of a computational prediction of I Ks VSD activation as a potential therapeutic approach for all forms of APD prolongation. This outcome could expand the therapeutic efficacy of a myriad of currently approved drugs that may trigger arrhythmias. Significance statement C28, identified by in silico screening, specifically facilitated voltage dependent activation of a cardiac potassium ion channel, I Ks . C28 reversed drug-induced prolongation of action potentials, but minimally affected the normal action potential at the same dosage. This outcome supports a computational prediction of modulating I Ks activation as a potential therapy for all forms of action potential prolongation, and could expand therapeutic efficacy of many currently approved drugs that may trigger arrhythmias.