Student Research Grant Winner: Till Harter

Written by Till Harter, PhD student at the University of British Columbia

Icebergs in the bay.

Swimming trial and respirometry on Atlantic salmon.

In 2017 I was fortunate to receive the CPB/CSZ Student Research Grant, which allowed me to travel to St. John’s, Newfoundland, to work with Kurt Gamperl at Memorial University. We investigated the effect of selectively inhibiting plasma-accessible carbonic anhydrase (paCA) on cardiovascular oxygen (O2) transport in swimming Atlantic salmon. Previous work in Kurt’s lab showed that hypoxia acclimated fish can’t increase cardiac output (Q̇) to the same extent as normoxia acclimated conspecifics, however they maintain the same rate of O2 consumption (ṀO2) and aerobic performance (during swimming or temperature challenges). Therefore, these fish sustain an elevated ṀO2/Q̇ and deliver more O2 to the tissues per unit of blood flow. This observation is consistent with my thesis work on a novel system of enhanced Hb-O2 unloading in teleosts that relies on the presence of paCA at the tissues. We hypothesised that inhibiting paCA would increase in Q̇ in continuously swimming normoxia acclimated fish, while hypoxia acclimated fish would have to decrease ṀO2; either response would decrease ṀO2/Q̇, substantiating the importance of paCA in the teleost mode of O2 transport.

En 2017, j'ai eu la chance de recevoir la bourse de recherche pour étudiants CPB / CSZ, qui m'a permis de voyager à St. John's, Terre-Neuve, pour travailler avec Kurt Gamperl à l'Université Memorial. Nous avons étudié l'effet de l'inhibition sélective de l'anhydrase carbonique accessible au plasma (paCA) sur le transport de l'oxygène cardiovasculaire (O2) chez les saumons de l'Atlantique nageant. Des travaux antérieurs dans le laboratoire de Kurt ont montré que les poissons acclimatés à l'hypoxie ne peuvent pas augmenter le débit cardiaque (Q̇) dans la même mesure que les conspécifiques acclimatés à la normoxie, mais ils conservent le même taux de consommation O2) et la performance aérobie (lors des défis de natation ou de température). Par conséquent, ces poissons ont un ṀO2/Q̇ élevé et fournissent plus de O2 aux tissus par unité de débit sanguin. Cette observation est cohérente avec mon travail de thèse sur un nouveau système de déchargement amélioré de l'Hb-O2 chez les téléostéens qui repose sur la présence de paCA dans les tissus. Nous avons émis l'hypothèse que l'inhibition du paCA augmenterait en Q̇ chez les poissons acclimatés à la normoxie à nage continue, tandis que le poisson acclimaté à l'hypoxie devrait diminuer ṀO2; l'une ou l'autre réponse diminuerait ṀO2/Q̇, justifiant l'importance du paCA dans le mode téléostéen du transport O2.

Our results indicate that, when swimming at a constant speed, ṀO2 was not different between hypoxia and normoxia acclimated Atlantic salmon. When injected with an inhibitor of paCA both groups of fish increased Q̇ significantly, while ṀO2 and swimming speed were sustained. During recovery, after exercise, ṀO2 and Q̇ in normoxia acclimated animals quickly returned to resting levels, while these parameters stayed elevated in hypoxia acclimated fish; this is perhaps indicative of a larger anaerobic contribution during exercise in hypoxia acclimated fish. Furthermore, extraction of O2 at the tissues (measured on swimming fish with arterial and venous cannulas) decreased after paCA inhibition. These results are consistent with our initial hypothesis that hypoxia acclimated fish can increase cardiovascular O2 transport in the presence of paCA. Surprisingly this effect was also observed in normoxia acclimated fish and, to a smaller degree, in resting animals. Therefore, our results provide strong evidence for an involvement of paCA, an enzyme typically associated with acid-base regulation, in teleost O2 transport, under a wide range of conditions.

Nos résultats indiquent que, en nageant à une vitesse constante, le ṀO2 n'était pas différent entre l'hypoxie et le saumon atlantique acclimaté à la normoxie. Quand injecté avec un inhibiteur de paCA les deux groupes de poissons ont augmenté Q̇ de manière significative, tandis que ṀO2 et la vitesse de nage ont été soutenus. Pendant la récupération, après l'exercice, ṀO2 et Q̇ chez les animaux acclimatés à la normoxie, les animaux sont rapidement revenus au repos, tandis que ces paramètres sont demeurés élevés chez les poissons acclimatés à l'hypoxie; ceci est peut-être indicatif d'une plus grande contribution anaérobie pendant l'exercice chez les poissons acclimatés à l'hypoxie. De plus, l'extraction de l'O2 au niveau des tissus (mesurée sur des poissons nageurs avec des canules artérielles et veineuses) a diminué après l'inhibition de la paCA. Ces résultats sont en accord avec notre hypothèse initiale selon laquelle les poissons acclimatés à l'hypoxie peuvent augmenter le transport d'O2 cardiovasculaire en présence de paCA. De façon surprenante, cet effet a également été observé chez les poissons acclimatés à la normoxie et, dans une moindre mesure, chez les animaux au repos. Par conséquent, nos résultats fournissent des preuves solides d'une implication du paCA, une enzyme typiquement associée à la régulation acide-base, dans le transport de téléostéens O2, dans une large gamme de conditions.

These data will represent a central chapter of my PhD thesis and corroborate a unique system of O2 transport in teleosts that has been studied in our lab for years. Our study is the first to show an involvement of paCA in teleost O2 transport, in a living, behaving animal. Insights from this work have increased our understanding of a system of O2 transport that may be relevant to half of all vertebrates (teleosts) and opened up a whole suite of new questions that may be addressed in future research.

Ces données représenteront un chapitre central de ma thèse de doctorat et corroboreront un système unique de transport O2 chez les téléostéens qui a été étudié dans notre laboratoire depuis des années. Notre étude est la première à montrer une implication du paCA dans le transport téléostéen O2, chez un animal vivant et se comportant. Les conclusions de ce travail ont permis d'améliorer notre compréhension d'un système de transport O2 qui pourrait intéresser la moitié des vertébrés (téléostéens) et ouvert toute une série de nouvelles questions qui pourraient être abordées dans de futures recherches .

The Ocean Science Centre in St. John’s, Newfoundland, on a summer day.

Posted in Student/PDF Award Winnbers on May 18, 2018