Understanding how certain animals are capable of regenerating their hearts will provide much needed insights into how this process can be induced in humans in order to reverse the damage caused by myocardial infarction. Currently, it is becoming increasingly evident that cardiac interstitial cells play crucial roles during cardiac regeneration. To understand how interstitial cells behave during this process, we performed single-cell RNA sequencing of regenerating zebrafish hearts. Using a combination of immunohistochemistry, chemical inhibition, and novel transgenic animals, we were able to investigate the role of cell type-specific mechanisms during cardiac regeneration. This approach allowed us to identify a number of important regenerative processes within the interstitial cell populations. Here, we provide detailed insight into how interstitial cells behave during cardiac regeneration, which will serve to increase our understanding of how this process could eventually be induced in humans.

The rhythmical nature of the cardiovascular system constantly generates dynamic mechanical forces. At the centre of this system is the heart, which must detect these changes and adjust its performance accordingly. Mechanoelectric feedback provides a rapid mechanism for detecting even subtle changes in the mechanical environment and transducing these signals into electrical responses, which can adjust a variety of cardiac parameters such as heart rate and contractility. However, pathological conditions can disrupt this intricate mechanosensory system and manifest as potentially life-threatening cardiac arrhythmias. Mechanosensitive ion channels are thought to be the main proponents of mechanoelectric feedback as they provide a rapid response to mechanical stimulation and can directly affect cardiac electrical activity. Here, we demonstrate that the mechanosensitive ion channel PIEZO1 is expressed in zebrafish cardiomyocytes. Furthermore, chemically prolonging PIEZO1 activation in zebrafish results in cardiac arrhythmias. indicating that this ion channel plays an important role in mechanoelectric feedback. This also raises the possibility that PIEZO1 gain of function mutations could be linked to heritable cardiac arrhythmias in humans.

The use of zebrafish to explore cardiac physiology has been widely adopted within the scientific community. Whether this animal model can be used to determine drug cardiac toxicity via electrocardiogram (ECG) analysis is still an ongoing question. Several reports indicate that the recording configuration severely affects the ECG waveforms and its derived-parameters, emphasizing the need for improved characterization. To address this problem, we recorded ECGs from adult zebrafish hearts in three different configurations (unexposed heart, exposed heart, and extracted heart) to identify the most reliable method to explore ECG recordings at baseline and in response to commonly used clinical therapies. We found that the exposed heart configuration provided the most reliable and reproducible ECG recordings of waveforms and intervals. We were unable to determine T wave morphology in unexposed hearts. In extracted hearts, ECG intervals were lengthened and P waves were unstable. However, in the exposed heart configuration, we were able to reliably record ECGs and subsequently establish the QT-RR relationship (Holzgrefe correction) in response to changes in heart rate.

The rhythmical nature of the cardiovascular system constantly generates dynamic mechanical forces. At the center of this system is the heart which must detect these changes and adjust its performance accordingly. Mechano-electric feedback provides a rapid mechanism for detecting even subtle changes in the mechanical environment and transducing these signals into electrical responses which can adjust a variety of cardiac parameters such as heart rate and contractility. However, pathological conditions can disrupt this intricate mechanosensory system and manifest as potentially life-threatening cardiac arrhythmias. Mechanosensitive ion channels are thought to be the main proponents of mechano-electric feedback as they provide a rapid response to mechanical stimulation and can directly affect cardiac electrical activity. Here we demonstrate that the mechanosensitive ion channel Piezo1 is expressed in zebrafish cardiomyocytes. Furthermore, chemically prolonging Piezo1 activation in zebrafish results in cardiac arrhythmias indicating that this ion channel plays an important role in mechano-electric feedback. This also raises the possibility that Piezo1 gain of function mutations could be linked to heritable cardiac arrhythmias such as atrial fibrillation in humans.

La régulation de la physiologie et régénération cardiaques chez le poisson zèbre: L’infarctus du myocarde induit la mort cellulaire d’une portion du cœur qui est rapidement remplacée par une cicatrice fibreuse rigide et incapable de générer une activité électrique ou de se contracter. Chez l’adulte, cela entraine des adaptations pathologiques irréversibles ayant pour but de compenser cette perte, et à terme, une insuffisance cardiaque Cependant, il a été montré qu’au stade embryonnaire ou néonatal, certaines espèces mammifères telles que la souris étaient en capacité de régénérer une portion de leur cœur suite à une lésion. Le poisson zèbre est quant à lui capable de régénérer son cœur à tout âge et présente donc un intérêt majeur pour la médecine régénératrice. Comprendre les mécanismes impliqués dans ce processus serait une première étape dans le développement de thérapies visant à réparer le cœur suite à un infarctus chez l’homme.Le but de ma thèse a été d’étudier différents aspects de la physiologie et de la régénération cardiaques du poisson zèbre. Pour cela, j’ai tout d’abord étudié la réponse régénérative des cellules endothéliales cardiaques. La technique de séquençage ARN à l’échelle de la cellule unique a permis de mettre en évidence la surexpression du facteur de transcription tal1. En utilisant une lignée de poisson-zèbres exprimant une forme non fonctionnelle et ayant un effet dominant-négatif spécifiquement dans les cellules endothéliales, nous avons montré que Tal1 était essentiel pour la régénération cardiaque chez le poisson zèbre et qu’il contribue notamment à la revascularisation du site de lésion.Par la suite, je me suis intéressée à l’activité électrique du cœur de poisson-zèbre. J’ai pour cela contribué à un projet de caractérisation de l’électrocardiogramme (ECG) du poisson-zèbre. Par comparaison de plusieurs techniques couramment utilisées pour enregistrer l’ECG sur poisson-zèbre, il a été possible de montrer que l’ouverture des muscles pectoraux couvrant la cavité cardiaque permettait une meilleure détection de l’ensemble des ondes caractéristiques de l’ECG. En utilisant cette technique, nous avons par ailleurs pu décrire la réponse des poissons-zèbres à l’hypothermie et à un choc osmotique. Ainsi, nous avons observé que les paramètres mesurables grâce à l’ECG n’étaient pas impactés par un choc osmotique, mais que l’hypothermie affectait de manière significative certains paramètres tels que la fréquence cardiaque, ou la durée de l’intervalle QT, un paramètre important pour les tests de cardiotoxicité.L’activité électrique des cardiomyocytes est finement régulée par de nombreux acteurs tels que les canaux ioniques. Au cours de ma thèse j’ai eu l’occasion d’étudier l’implication de deux de ces canaux dans la physiologie et la régénération cardiaques chez le poisson-zèbre : Trek-1 et Piezo1.A l’aide d’une lignée transgénique de poisson-zèbre exprimant une forme dominant-négative du canal Trek-1 (DNTrek1) dans les cardiomyocytes, nous avons montré que Trek-1 était essentiel à la maturation des cardiomyocytes au stade juvénile, mais également à la redifférentiation des cardiomyocytes au cours de la régénération cardiaque. Ces deux processus font intervenir des mécanismes communs comme la maturation de l’appareil contractile des cardiomyocytes : le sarcomère. Grâce au séquençage ARN, nous avons pu mettre en évidence que les poissons DNTrek1 exprimaient moins de gènes liés aux protéines sarcomériques. Ainsi, nous avons pu montrer que le canal ionique Trek-1 régulait ces processus mais les voies de signalisation contrôlées par Trek-1 restent à déterminer.Enfin, j’ai étudié le rôle du canal Piezo1 dans le développement d’arythmies et ai pu montrer que la sur-activation de ce canal par son agoniste Yoda1 entrainait des arythmies sur cœur de poisson-zèbre isolé détectables grâce à l’ECG. Cette étude a révélé l’intérêt de décrire l’effet de variants sur l’activité de ce canal, afin de déterminer si des mutations pouvaient être associées à des formes d’arythmie chez l’homme.