Resolving Fine Cardiac Structures in Rats with High-Resolution Diffusion Tensor Imaging

Cardiac architecture is fundamental to cardiac function and can be assessed non-invasively with diffusion tensor imaging (DTI). Here, we aimed to overcome technical challenges in ex vivo DTI in order to extract fine anatomical details and to provide novel insights in the 3D structure of the heart. An integrated set of methods was implemented in ex vivo rat hearts, including dynamic receiver gain adjustment, gradient system scaling calibration, prospective adjustment of diffusion gradients, and interleaving of diffusion-weighted and non-diffusion-weighted scans. Together, these methods enhanced SNR and spatial resolution, minimised orientation bias in diffusion-weighting, and reduced temperature variation, enabling detection of tissue structures such as cell alignment in atria, valves and vessels at an unprecedented level of detail. Improved confidence in eigenvector reproducibility enabled tracking of myolaminar structures as a basis for segmentation of functional groups of cardiomyocytes. Ex vivo DTI facilitates acquisition of high quality structural data that complements readily available in vivo cardiac functional and anatomical MRI. The improvements presented here will facilitate next generation virtual models integrating micro-structural and electro-mechanical properties of the heart

The contact electrogram and its architectural determinants in atrial fibrillation

The electrogram is the sine qua non of excitable tissues, yet classification in atrial fibrillation (AF) remains poorly related to substrate factors. The objective of this thesis was to establish the relationship between electrograms and two commonly implicated substrate factors, connexin 43 and fibrosis in AF. The substrates and methods chosen to achieve this ranged from human acutely induced AF using open chest surgical mapping (Chapter 6), ex vivo whole heart Langendorff (Chapter 7) with in vivo telemetry confirming spontaneous AF in a new species of rat, the Brown Norway and finally isolated atrial preparations from an older cohort of rats using orthogonal pacing and novel co-localisation methods at sub-millimetre resolution and in some atria, optical mapping (Chapter 8). In rodents, electrode size and spacing was varied (Chapters 5, 10) to study its effects on structure function correlations (Chapter 9). Novel indices of AF organisation and automated electrogram morphology were used to quantify function (Chapter 4). Key results include the discoveries that humans without any history of prior AF have sinus rhythm electrograms with high spectral frequency content, that wavefront propagation velocities correlated with fibrosis and connexin phosphorylation ratios, that AF heterogeneity of conduction correlates to fibrosis and that orthogonal pacing in heavily fibrosed atria causes anisotropy in electrogram-fibrosis correlations. Furthermore, fibrosis and connexin 43 have differing and distinct spatial resolutions in their relationship with AF organisational indices. In conclusion a new model of AF has been found, and structure function correlations shown on an unprecedented scale, but with caveats of electrode size and direction dependence. These findings impact structure function methods and prove the effect of substrate on AF organisation.Open Acces

Multidimensional embedded MEMS motion detectors for wearable mechanocardiography and 4D medical imaging

Background: Cardiovascular diseases are the number one cause of death. Of these deaths, almost 80% are due to coronary artery disease (CAD) and cerebrovascular disease. Multidimensional microelectromechanical systems (MEMS) sensors allow measuring the mechanical movement of the heart muscle offering an entirely new and innovative solution to evaluate cardiac rhythm and function. Recent advances in miniaturized motion sensors present an exciting opportunity to study novel device-driven and functional motion detection systems in the areas of both cardiac monitoring and biomedical imaging, for example, in computed tomography (CT) and positron emission tomography (PET). Methods: This Ph.D. work describes a new cardiac motion detection paradigm and measurement technology based on multimodal measuring tools — by tracking the heart’s kinetic activity using micro-sized MEMS sensors — and novel computational approaches — by deploying signal processing and machine learning techniques—for detecting cardiac pathological disorders. In particular, this study focuses on the capability of joint gyrocardiography (GCG) and seismocardiography (SCG) techniques that constitute the mechanocardiography (MCG) concept representing the mechanical characteristics of the cardiac precordial surface vibrations. Results: Experimental analyses showed that integrating multisource sensory data resulted in precise estimation of heart rate with an accuracy of 99% (healthy, n=29), detection of heart arrhythmia (n=435) with an accuracy of 95-97%, ischemic disease indication with approximately 75% accuracy (n=22), as well as significantly improved quality of four-dimensional (4D) cardiac PET images by eliminating motion related inaccuracies using MEMS dual gating approach. Tissue Doppler imaging (TDI) analysis of GCG (healthy, n=9) showed promising results for measuring the cardiac timing intervals and myocardial deformation changes. Conclusion: The findings of this study demonstrate clinical potential of MEMS motion sensors in cardiology that may facilitate in time diagnosis of cardiac abnormalities. Multidimensional MCG can effectively contribute to detecting atrial fibrillation (AFib), myocardial infarction (MI), and CAD. Additionally, MEMS motion sensing improves the reliability and quality of cardiac PET imaging.Moniulotteisten sulautettujen MEMS-liiketunnistimien käyttö sydänkardiografiassa sekä lääketieteellisessä 4D-kuvantamisessa Tausta: Sydän- ja verisuonitaudit ovat yleisin kuolinsyy. Näistä kuolemantapauksista lähes 80% johtuu sepelvaltimotaudista (CAD) ja aivoverenkierron häiriöistä. Moniulotteiset mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS) mahdollistavat sydänlihaksen mekaanisen liikkeen mittaamisen, mikä puolestaan tarjoaa täysin uudenlaisen ja innovatiivisen ratkaisun sydämen rytmin ja toiminnan arvioimiseksi. Viimeaikaiset teknologiset edistysaskeleet mahdollistavat uusien pienikokoisten liiketunnistusjärjestelmien käyttämisen sydämen toiminnan tutkimuksessa sekä lääketieteellisen kuvantamisen, kuten esimerkiksi tietokonetomografian (CT) ja positroniemissiotomografian (PET), tarkkuuden parantamisessa. Menetelmät: Tämä väitöskirjatyö esittelee uuden sydämen kineettisen toiminnan mittaustekniikan, joka pohjautuu MEMS-anturien käyttöön. Uudet laskennalliset lähestymistavat, jotka perustuvat signaalinkäsittelyyn ja koneoppimiseen, mahdollistavat sydämen patologisten häiriöiden havaitsemisen MEMS-antureista saatavista signaaleista. Tässä tutkimuksessa keskitytään erityisesti mekanokardiografiaan (MCG), joihin kuuluvat gyrokardiografia (GCG) ja seismokardiografia (SCG). Näiden tekniikoiden avulla voidaan mitata kardiorespiratorisen järjestelmän mekaanisia ominaisuuksia. Tulokset: Kokeelliset analyysit osoittivat, että integroimalla usean sensorin dataa voidaan mitata syketiheyttä 99% (terveillä n=29) tarkkuudella, havaita sydämen rytmihäiriöt (n=435) 95-97%, tarkkuudella, sekä havaita iskeeminen sairaus noin 75% tarkkuudella (n=22). Lisäksi MEMS-kaksoistahdistuksen avulla voidaan parantaa sydämen 4D PET-kuvan laatua, kun liikeepätarkkuudet voidaan eliminoida paremmin. Doppler-kuvantamisessa (TDI, Tissue Doppler Imaging) GCG-analyysi (terveillä, n=9) osoitti lupaavia tuloksia sydänsykkeen ajoituksen ja intervallien sekä sydänlihasmuutosten mittaamisessa. Päätelmä: Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että kardiologisilla MEMS-liikeantureilla on kliinistä potentiaalia sydämen toiminnallisten poikkeavuuksien diagnostisoinnissa. Moniuloitteinen MCG voi edistää eteisvärinän (AFib), sydäninfarktin (MI) ja CAD:n havaitsemista. Lisäksi MEMS-liiketunnistus parantaa sydämen PET-kuvantamisen luotettavuutta ja laatua

HARDI Methods: tractography reconstructions and automatic parcellation of brain connectivity

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012A neuroanatomia humana tem sido objecto de estudo científico desde que surgiu o interesse na organização do corpo humano e nas suas funções, quer como um todo quer através das partes que o constituem. Para atingir este fim, as autópsias foram a primeira forma de revelar algum conhecimento, o qual tem vindo a ser catalogado e sistematizado à medida que a medicina evolui. Passando por novas técnicas de conservação e tratamento de tecido humano, de que são exemplo as dissecções de Klinger, nas quais se fazem secções de material conservado criogenicamente, bem como por estudos histológicos através da utilização de corantes, conseguiu-se uma forma complementar de realizar estes estudos. Permanecia, no entanto, a impossibilidade de analisar in vivo a estrutura e função dos diferentes sistemas que constitutem o Homem. Com o surgimento das técnicas imagiológicas o diagnóstico e monitorização do corpo humano, bem como das patologias a ele associadas, melhoraram consideravelmente. Mais recentemente, com o aparecimento da ressonância magnética (MRI: do Inglês "Magnetic Resonance Imaging"), tornou-se possível estudar as propriedades magnéticas do tecido, reflectindo as suas características intrínsecas com base na aplicação de impulsos de radiofrequência. Através de ressonância magnética é possível estudar essas propriedades em vários núcleos atómicos, sendo mais comum o estudo do hidrogénio, pois somos maioritariamente consistituídos por água e gordura. Uma vez que só é possível medir variações do campo magnético, aplicam-se impulsos de radiofrequência para perturbar o equilíbrio dos spins e medir os seus mecanismos de relaxação, os quais, indirectamente, reflectem a estrutura do tecido. Contudo, o sinal medido é desprovido de qualquer informação espacial. De facto, para podermos proceder a essa quantificação, é necessária a utilização de gradientes de campo magnético, que permitem modificar localmente a frequência de precessão dos protões, através da alteração local do campo magnético, permitindo assim, adquirir o sinal de forma sequencial. A informação obtida constitui uma função variável no espaço e através da transformação de Fourier pode ser quantificada em frequências espaciais, sendo estes dados armazenados no espaço k. O preencimento deste espaço, caracterizado por frequências espaciais, bem como os gradientes de campo magnético que são aplicados, permitem determinar a resolução da imagem que podemos obter, aplicando uma transformação de Fourier inversa. O estudo da ressonância magnética não se restringe à análise da estrutura mas também ao estudo da função e difusão das moléculas de água. A difusão é um processo aleatório, que se traduz pelo movimento térmico das moléculas de água, e o seu estudo permite inferir sobre o estado do tecido e microestrutura associada, de uma forma não invasiva e in vivo. A técnica de imagiologia de ressonância magnética ponderada por difusão (DWI: do Inglês "Diffusion Weighted Imaging") permite o estudo da direccionalidade das moléculas de água e extracção de índices que reflectem directamente a integridade dos tecidos biológicos. De modo a sensibilizar as moléculas de água à difusão, é necessário aplicar sequências de ressonância magnética modificadas, nas quais se aplicam gradientes de campo magnético de difusão para quantificar o deslocamento das moléculas e a sua relação com o coeficiente de difusão das mesmas. Num ambiente livre e sem barreiras a difusão das moléculas de água é isotrópica, uma vez que se apresenta igual em todas as direcções. Todavia, tal não se verifica no corpo humano. A presença destas barreiras leva a que, na verdade, apenas possa ser medido um coeficiente de difusão aparente. Este, por sua vez, traduz a interacção entre as moléculas de água com a microestrutura e, como tal, uma anisotropia na sua difusão. Como caso particular de difusão anisotrópica a nível cerebral, tem-se a difusão das moléculas de água na matéria branca, uma vez que esta apresenta uma direccionalidade preferencial de acordo com a orientação dos axónios, visto estarem presentes menos restrições à sua propagação, ao contrário do que acontece com a direcção perpendicular (devido à membrana celular e às bainhas de mielina). Por oposição, a matéria cinzenta, constituída pelo aglomerado dos corpos celulares dos neurónios, e o líquido cefalorraquidiano apresentam uma difusão sem direcção preferencial (i.e. aproximadamente isotrópica). A informação obtida através da difusão das moléculas de água encontra-se limitada pelo número de direcções segundo o qual aplicamos os gradientes de difusão. Deste modo, surgiu a imagiologia por tensor de difusão (DTI: do Inglês "Diffusion Tensor Imaging"). Esta técnica permite extrair informação acerca da tridimensionalidade da distribuição da difusão de moléculas de água através da aplicação de seis gradientes de difusão não colineares entre si. A distribuição destas moléculas pode, então, ser vista como um elipsóide, no qual o principal vector próprio do tensor representa a contribuição da difusão das moléculas segundo a direcção do axónio (ou paralela), sendo os dois restantes componentes responsáveis pela contribuição transversal. Além da difusividade média (MD: do Inglês "Mean Diffusivity") e das contribuições da difusão paralela (MD//) e perpendicular (MD ) às fibras, é também possível extrair outros índices, como a anisotropia fraccional (FA: do Inglês "Fractional Anisotropy"), que fornece informação acerca da percentagem de difusão anisotrópica num determinado voxel. Para a matéria branca, tal como já foi referido, existe difusão preferencial e, portanto, a anisotropia fraccional será elevada. Por outro lado, para a matéria cinzenta e para o líquido cefalorraquidiano, verificar-se-á uma FA reduzida, devido à ausência de anisotropia. Todavia, regiões com reduzida anisotropia fraccional podem camuflar regiões de conformação de cruzamento de fibras, ou fibras muito anguladas, que a imagiologia por tensor de difusão não consegue resolver. A razão para esta limitação reside no número reduzido de diferentes direcções de difusão que são exploradas, assim como o pressuposto de que a distribuição das moléculas de água é Gaussiana em todo o cérebro, o que não é necessariamente verdade. A fim de se ultrapassar estas limitações, novas técnicas surgiram, nomeadamente as de elevada resolução angular (HARDI: do Inglês "High Angular Resolution Diffusion Imaging"). Estas fazem uso de uma aquisição em função de múltiplas direcções de gradiente e de uma diferente modelação dos dados obtidos, dividindo-se em dois tipos. As técnicas livres de modelos permitem extrair uma função de distribuição da orientação das fibras num determinado voxel directamente do sinal e/ou transformações da função densidade de probabilidade do deslocamento das moléculas de água. Contrariamente, as técnicas baseadas em modelos admitem existir determinados constrangimentos anatómicos e que o sinal proveniente de um determinado voxel é originado por um conjunto de sinais individuais de fibras, caracterizados por uma distribuição preferencial das direcções das fibras. Todos estes métodos têm como objectivo principal recuperar a direcção preferencial da difusão das moléculas de água e reconstruir um trajecto tridimensional que represente a organização das fibras neuronais, pelo que se designam métodos de tractografia. Esta representa a única ferramenta não invasiva de visualização in vivo da matéria branca cerebral e o seu estudo tem revelado uma grande expansão associada ao estabelecimento de marcador biológico para diversas patologias. Adicionalmente, esta técnica tem vindo a tornar-se uma modalidade clínica de rotina e de diversos protocolos de investigação, sendo inclusivamente utilizada para complementar o planeamento em cirurgia, devido à natureza dos dados que gera. Particularmente no caso de dissecções manuais, nas quais os dados de tractografia são manuseados por pessoal especializado, com vista a realizar a parcelização de diferentes tractos de interesse, o processo é moroso e dependente do utilizador, revelando-se necessária a automatização do mesmo. Na realidade, já existem técnicas automáticas que fazem uso de algoritmos de agregação1, nos quais fibras são analisadas e agrupadas segundo características semelhantes, assim como técnicas baseadas em regiões de interesse, em que se extraem apenas os tractos seleccionados entre as regiões escolhidas. O objectivo principal desta dissertação prende-se com a análise automática de dados de tractografia, bem como a parcelização personalizada de tractos de interesse, também esta automática. Em primeiro lugar, foi desenvolvido um algoritmo capaz de lidar automaticamente com funções básicas de carregamento dos ficheiros de tractografia, o seu armazenamento em variáveis fáceis de manusear e a sua filtragem básica de acordo com regiões de interesse de teste. Neste processo de filtragem é feita a avaliação das fibras que atravessam a região de interesse considerada. Assim, após a localização das fibras entre as regiões de interesse os tractos resultantes podem ser guardados de duas formas, as quais têm, necessariamente, que ser especificadas antes de utilizar o software: um ficheiro que contém todas as fibras resultantes da parcelização e outro que contém o mapa de densidade associado, isto é, o número de fibras que se encontra em cada voxel. Após esta fase inicial, a flexibilidade e complexidade do software foi aumentando, uma vez que foram implementados novos filtros e a possibilidade de utilizar regiões de interesse de diferentes espaços anatómicos padrão. Fazendo uma análise a esta última melhoria, pode referir-se que, através de um procedimento de registo não linear da imagem anatómica do espaço padrão ao espaço individual de cada sujeito, foi possível, de forma automática, guardar o campo de deformações que caracteriza a transformação e, assim, gerar regiões de interesse personalizadas ao espaço do sujeito. Estas regiões de interesse serviram depois para a parcelização básica e para seleccionar tractos, mas também para filtragens adicionais, como a exclusão de fibras artefactuosas2 e um filtro especial, no qual apenas os pontos que ligam directamente as diferentes regiões são mantidos. Além do que já foi referido, recorreu-se também à aplicação de planos de interesse que actuam como constrangimentos neuroanatómicos, o que não permite, por exemplo, no caso da radiação óptica, que as fibras se propaguem para o lobo frontal. Esta ferramenta foi utilizada com sucesso para a parcelização automática do Fascículo Arcuado, Corpo Caloso e Radiação Óptica, tendo sido feita a comparação com a dissecção manual, em todos os casos. O estudo do Fasciculo Arcuado demonstrou ser o teste ideal para a ferramenta desenvolvida na medida que permitiu identificar o segmento longo, assim como descrito na literatura. O método automático de duas regiões de interesse deu a origem aos mesmos resultados obtidos manualmente e permitiu confirmar a necessidade de estudos mais aprofundados. Aumentando a complexidade do estudo, realizou-se a parcelização do Corpo Caloso de acordo com conectividade estrutural, isto é, com diferentes regiões envolvidas em funções distintas. Procedeu-se deste modo, e não com base em informação acerca de divisões geométricas, uma vez que estas já demonstraram incongruências quando correlacionadas com subdivisões funcionais. O uso adicional de regiões de interesse para a exclusão de fibras demonstrou-se benéfico na obtenção dos mapas finais. Finalmente, incluiu-se a utilização de um novo filtro para realizar a parcelização da Radiação Óptica, comparando os resultados para DTI e SD(do Inglês "Spherical Deconvolution"). Foi possível determinar limitações na primeira técnica que foram, no entanto, ultrapassadas pela utilização de SD. O atlas final gerado apresenta-se como uma mais-valia para o planeamento cirúrgico num ambiente clínico. O desenvolvimento desta ferramenta resultou em duas apresentações orais em conferências internacionais e encontra-se, de momento, a ser melhorada, a fim de se submeter um artigo de investigação original. Embora se tenha chegado a um resultado final positivo, tendo em conta a meta previamente estabelecida, está aberto o caminho para o seu aperfeiçoamento. Como exemplo disso, poder-se-á recorrer ao uso combinado das duas abordagens de parcelização automática e à utilização de índices específicos dos tractos, o que poderá trazer uma nova força à delineação dos tractos de interesse. Adicionalmente, é também possível melhorar os algoritmos de registo de imagem, tendo em conta a elevada variabilidade anatómica que alguns sujeitos apresentam. Como nota final, gostaria apenas de salientar que a imagiologia por difusão e, em particular, a tractografia, têm ainda muito espaço para progredir. A veracidade desta afirmação traduz-se pela existência de uma grande variedade de modelos e algoritmos implementados, sem que, no entanto, exista consenso na comunidade científica acerca da melhor abordagem a seguir.Diffusion weighted imaging (DWI) has provided us a non-invasive technique to determine physiological information and infer about tissue microstructure. The human body is filled with barriers affecting the mobility of molecules and preventing it from being constant in different directions (anisotropic diffusion). In the brain, the sources for this anisotropy arise from dense packing axons and from the myelin sheath that surrounds them. Only with Diffusion Tensor Imaging (DTI) it was possible to fully characterize anisotropy by offering estimations for average diffusivities in each voxel. However, these methods were limited, not being able to reflect the index of anisotropic diffusion in regions with complex fibre conformations. It was possible to reduce those problems through the acquisition of many gradient directions with High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI). There are model-free approaches such as Diffusion Spectrum Imaging (DSI) and Q-ball Imaging (QBI) which retrieve an orientation distribution function (ODF) directly from the water molecular displacement. Another method is Spherical Deconvolution, which is a model-based approach based on the computation of a fibre orientation distribution (FOD) from the deconvolution of the diffusion signal and a chosen fibre response function. Reconstructing the fibre orientations from the diffusion profile, generates a three-dimensional reconstruction of neuronal fibres (Tractography) whether in a deterministic, probabilistic or global way. Tractography has two main purposes: non-invasive and in vivo mapping of human white matter and neurosurgical planning. In order to achieve those purposes it is common to apply parcellation techniques which can be subdivided into ROI-based or Clustering base. The aim of this project is to develop an automated method of tract-based parcellation of different brain regions. This tool is essential to retrieve information about the architecture and connectivity of the brain, overcoming time consuming and expertise related issues derived from manual dissections. Firstly we investigated basic functions to handle diffusion and tractography data. In particular, we focused on how to load track files, filter them according to regions of interest and save the output in different formats. Results were always compared with manual dissection. The developed tool increased complexity by introduction a new filtering and the use of regions of interest from different standard spaces, created trough non-linear registrations. Three major tracts of interest were analysed: Arcuate Fasciculus, Corpus Callosum and Optic Radiation

Mechanism of N-Type Inactivation in Shaker Potassium Channels

Hyperexcitabilité est l'un des changements les plus importants observés dans de nombreuses maladies neuro-dégénératives telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et la maladie d'Alzheimer. De nombreuses recherches études se sont concentrées sur la réduction de l'hyperexcitabilité, soit en inactivant les canaux sodiques ce qui va réduire la génération de potentiels d'action, soit en prolongeant l'ouverture des canaux potassiques ce qui va qui ramener la membrane à son état de repos et réduire l’activité des neurones. Ainsi, pour cibler l'hyperexcitabilité, il faut tout d’abord comprendre les différents aspects de la fonction des canaux ioniques au niveau. Les objectifs des travaux présentés dans cette thèse consistent à déterminer le mécanisme d'inactivation dans les canaux potassiques Shaker. Les canaux Shaker Kv s'inactivent rapidement pour culminer le potentiel d'action et maintenir l'homéostasie des cellules excitables. L'inactivation de type N est causée par les 46 premiers acides aminés situés de l'extrémité N-terminale du canal, encore appelé, peptide d'inactivation (IP). De nombreuses études mutationnelles ont caractérisé l'inactivation de type N au niveau fonctionnel, cependant, la position de l'IP à l'état de repos et leur transition lors de l'inactivation est encore débattue. L'objectif de la première étude consiste à évaluer le mouvement des IP pendant leur inactivation à l'aide de la fluorométrie en voltage imposé. En insérant un acide aminé non naturel, la 3-[(6-acétyl-2-naphtalényl) amino]-L-alanine (Anap), qui est sensible aux changements d'environnement, nous avons identifié séparément les mouvements de la boule et de la chaîne. Nos données suggèrent que l'inactivation de type N se produit dans un mouvement biphasique en libérant d'abord le IP, ce qui va bloquer le pore du côté cytoplasmique. Pour affiner davantage la position de repos des IP, nous avons utilisé le transfert d'énergie de résonance à base de lanthanide et le métal de transition FRET. Nous proposons que le IP se situe dans la fenêtre formée par le canal et le domaine T1, interagissant avec les résidus acides-aminés du domaine T1. Dans notre deuxième étude, nous avons montré que le ralentissement de l'inactivation de type N observé dans la première étude est causée par une expression élevée des canaux Shaker. En effet, l'extrémité C-terminale du canal interagit avec les protéines d'échafaudage associées à la membrane pour la formation d'amas. Nous avons aussi montré qu'en tronquant les quatre derniers résidus C-terminaux impliqués dans la formation des amas, nous empêchons également le ralentissement de la cinétique d'inactivation dans les canaux Shaker. Nous avons également démontré que l'inactivation lente de type N n'est pas affectée par l'accumulation des cations potassiques [K+] externe ou toute diaphonie entre les sous-unités voisines. Cette étude élucide non seulement la cause du ralentissement de l'inactivation, mais montre également que les canaux modifient leur comportement en fonction des conditions d'expression. Les résultats trouvés au niveau moléculaire ne peuvent donc pas toujours être extrapolés au niveau cellulaire.Hyperexcitability of neurons is a major symptom observed in many degenerative diseases such as ALS and Alzheimer’s disease. A lot of research is focused on reducing hyperexcitability, either by inactivating sodium channels that will reduce the generation of action potentials, or by prolonging the opening of potassium channels which will help to bring the membrane back to resting state and thus, reduce firing frequency of neurons. At the molecular level, it is important to understand different aspects of ion channel function to target hyperexcitability. The aim of this thesis was to investigate in two projects the inactivation mechanism in Shaker potassium channels. Shaker Kv channels inactivate rapidly to culminate the action potential and maintain the homeostasis of excitable cells. The so-called N-type inactivation is caused by the first 46 amino acids of the N-terminus of the channel, known as the inactivation peptide (IP). Numerous mutational studies have characterized N-type inactivation functionally, however, the position of the IP in the resting state and its transition during inactivation is still debated. The aim of the first project was to track the movement of IP during inactivation using voltage clamp fluorometry. By inserting an unnatural amino acid, 3-[(6-acetyl-2-naphthalenyl) amino]-L-alanine (Anap), which is sensitive to changes in environment, we identified the movements of ball and chain separately. Our data suggests that N-type inactivation occurs in a biphasic movement by first releasing the IP, which then blocks the pore from the cytoplasmic side. To further narrow down the resting position of the inactivation peptide, we used Lanthanide-based Resonance Energy transfer and transition metal FRET. We propose that the inactivation peptide is located in the window formed by the channel and the T1 domain, interacting with the acidic residues of the T1 domain. In a follow-up study, we explored the reason underlying slow inactivation kinetics observed during the study of N-type inactivation in the first project. High expression of Shaker channels results in slowing of the N-type inactivation. The C-terminus of the channel interacts with membrane associated scaffold proteins for cluster formation. In this study, we have shown that by truncating the last four C-terminal residues involved in cluster formation, and hence preventing channel clustering, we also prevent slowing of the inactivation kinetics in Shaker channels. We also showed that slow N-type inactivation is not affected by accumulation of external [K+] or any crosstalk between the neighboring subunits. The second project not only elucidates the cause of the inactivation slow-down but illustrates that the channels alter their behavior dependent on the expression conditions. Results found on the molecular level can thus not always be extrapolated to the cellular level

Functional characterization of Lamin A/C mutants involved in hereditary-familial cardiomyopathies for the development of personalized diagnostic and therapeutic approaches

Nuclear lamin A and C are important components of the multifunctional scaffolds that mechanically supports the inner nuclear membrane, providing nuclear and cytosolic rigidity. However, lamins escape to broader spectrum of functions beyond mere mechanics, also being associated with other physiological processes, such as modulating gene expression and intracellular signaling pathways. To further highlight its key role in cell physiology, mutations in the lamin A/C gene (Lmna) have been associated with a variety of pathological phenotypes with the skeletal muscles and the heart being the most affected systems. When affected, the heart can develop a wide range of phenotypes, from dilated cardiomyopathy with conduction defects (DCM-CD) to arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy. The variety of cardiac phenotypes is likely the consequence of the significant number of different Lmna mutations identified so far (1). Given the complexity of obtaining reliable genotype-phenotype correlations in Lmna-related diseases, it is crucial to functionally characterize each mutation to better understand its specific effects and tailor treatment strategies accordingly (personalized medicine). In this study, we analysed three different Lmna mutations to shed light on their specific pathogenetic mechanism at the cellular level. These mutations have been associated with different phenotypic outcome, all characterized by a consistent recurrence of dilated cardiomyopathy (DCM) with a poor prognosis. The nonsense mutation LMNA Q517X abnormally aggregates at the nuclear envelope and within the nucleoplasm of HL-1 cardiomyocytes. In addition, LMNA Q517X-expressing cardiomyocytes are characterized by hyper-polymerized tubulin network, upregulation of acetylated α-tubulin, downregulation of Nav1.5 channels on the cell surface and significant changes in action potential parameters, indicating abnormal electrical properties. Further examination in HEK293 cells expressing LMNA Q517X with Nav1.5 shows a significant reduction in peak Na+ current (INa) and altered channel kinetics. Treatment with colchicine, an FDA-approved tubulin assembly inhibitor, rescues cellular properties and channel kinetics in LMNA Q517X-expressing cardiomyocytes. Then, we investigated the molecular basis of LMNA R321X-associated DCM and explored potential pharmacological interventions that target the unfolded protein response (UPR). We demonstrated the activation of the PERK-CHOP pathway of the UPR and subsequent endoplasmic reticulum (ER) dysfunction and apoptosis in HL-1 cardiomyocytes that stably express LMNA R321X. We assessed the effectiveness of three UPR-targeting drugs-salubrinal, guanabenz, and empagliflozin-in alleviating ER stress. Salubrinal and guanabenz function maintaining adaptive UPR state, reducing ER stress and pro-apoptotic markers, and restoring ER calcium handling. Empagliflozin suppresses apoptosis markers and inhibits the UPR by blocking PERK phosphorylation in LMNA R321X cardiomyocytes. Additionally, empagliflozin treatment restores endoplasmic reticulum (ER) homeostasis, allowing it to properly store and release intracellular calcium ions (Ca2+). The study shows that various drugs targeting different stages of the UPR can effectively reduce pro-apoptotic pathways and maintain ER homeostasis in R321X LMNA-cardiomyocytes. It is noteworthy that guanabenz and empagliflozin, which are already in clinical use, offer promising therapeutic options for LMNA R321X-associated cardiomyopathies. Finally, we investigated the molecular and cellular mechanisms underlying Emery-Dreifuss muscular dystrophy (EDMD), which is characterized by slowly progressive muscle weakness and wasting and DCM. We used a knock-in LmnaH222P/H222P mouse model carrying the LMNA p.H222P mutation, which recapitulates all the features of EDMD and also key features of cardiac laminopathies. We observed altered tyrosinated α-tubulin network in muscle fibers of these mice compared to wild-type, indicating disrupted microtubule organization. Here, we aim to understand how abnormal microtubule organization contributes to nuclear elongation through impaired interaction with microtubule-associated proteins (MAPs). Our investigation revealed distinct localization patterns of CLIP-170, a MAP, in the muscle fibers of LmnaH222P/H222P mice compared to wild-type. Pharmacological modulation of CLIP-170 activity with a neurosteroid restores CLIP-170 localization and nuclear morphology in the muscle fibers of mice carrying the LMNA p.H222P mutation, highlighting its therapeutic potential in improving EDMD-associated phenotypes. Collectively, this thesis provides comprehensive insights into the pathogenic mechanisms of Lmna-associated cardiomyopathies and identifies potential therapeutic strategies, ranging from tubulin-targeting agents to UPR modulators and CLIP-170 regulators, offering hope for the development of effective treatments for these devastating diseases

Modelling fibroblast dependent wound healing and scarring in the injured heart

The most common cause of deaths worldwide is cardiovascular disease, including coronary heart disease (CHD) which is responsible for over 7 million deaths per year. CHD often leads to myocardial infarction (MI), more commonly referred to as a heart attack. MI restricts blood flow to the heart, causing death of a large number of muscle and blood vessel cells in the surrounding cardiac tissue. A collagen-rich scar is formed post-MI to patch up the area of injury and compensate for the lost tissue. However, the scarring can be excessive (a condition termed fibrosis), which can itself cause further complications such as ventricular remodelling and ultimately heart failure. A relatable agent-based cardiac healing model was developed to improve the understanding of the complex cardiac healing process and predict the effects of pharmacological interventions on scarring. The model focuses on the interplay between fibroblast cells present in the cardiac tissue and the collagen matrix that constitutes the scar. The dynamics of these interactions dictate the remodelling outcomes post-MI. The model simulates a wide range of cell behaviours thought to play a role in cardiac remodelling, including migration, proliferation, apoptosis, and differentiation. Crucially, the implementation of these behaviours was informed by in-vitro experiments carried out using primary cardiac fibroblasts cells in a setting mimicking a cardiac wound. Local collagen alignment, a property differentiating healthy and scar tissue, was systematically and quantitatively determined using a novel metric that could be applied to both simulation outcomes and fluorescence microscopy images of collagen in tissue sections from intact and post-MI murine hearts. This metric enabled the comparison between model predictions and in-vivo experimental data. The model was used to simulate cardiac wound healing in a wide range of conditions, including those mimicking the administration of pharmacological compounds aiming at manipulating scarring by targeting various cell behaviours

Stories from different worlds in the universe of complex systems: A journey through microstructural dynamics and emergent behaviours in the human heart and financial markets

A physical system is said to be complex if it exhibits unpredictable structures, patterns or regularities emerging from microstructural dynamics involving a large number of components. The study of complex systems, known as complexity science, is maturing into an independent and multidisciplinary area of research seeking to understand microscopic interactions and macroscopic emergence across a broad spectrum systems, such as the human brain and the economy, by combining specific modelling techniques, data analytics, statistics and computer simulations. In this dissertation we examine two different complex systems, the human heart and financial markets, and present various research projects addressing specific problems in these areas. Cardiac fibrillation is a diffuse pathology in which the periodic planar electrical conduction across the cardiac tissue is disrupted and replaced by fast and disorganised electrical waves. In spite of a century-long history of research, numerous debates and disputes on the mechanisms of cardiac fibrillation are still unresolved while the outcomes of clinical treatments remain far from satisfactory. In this dissertation we use cellular automata and mean-field models to qualitatively replicate the onset and maintenance of cardiac fibrillation from the interactions among neighboring cells and the underlying topology of the cardiac tissue. We use these models to study the transition from paroxysmal to persistent atrial fibrillation, the mechanisms through which the gap-junction enhancer drug Rotigaptide terminates cardiac fibrillation and how focal and circuital drivers of fibrillation may co-exist as projections of transmural electrical activities. Financial markets are hubs in which heterogeneous participants, such as humans and algorithms, adopt different strategic behaviors to exchange financial assets. In recent decades the widespread adoption of algorithmic trading, the electronification of financial transactions, the increased competition among trading venues and the use of sophisticated financial instruments drove the transformation of financial markets into a global and interconnected complex system. In this thesis we introduce agent-based and state-space models to describe specific microstructural dynamics in the stock and foreign exchange markets. We use these models to replicate the emergence of cross-currency correlations from the interactions between heterogeneous participants in the currency market and to disentangle the relationships between price fluctuations, market liquidity and demand/supply imbalances in the stock market.Open Acces