Ca2+ Cycling Impairment in Heart Failure Is Exacerbated by Fibrosis: Insights Gained From Mechanistic Simulations

[EN] Heart failure (HF) is characterized by altered Ca2+ cycling, resulting in cardiac contractile dysfunction. Failing myocytes undergo electrophysiological remodeling, which is known to be the main cause of abnormal Ca2+ homeostasis. However, structural remodeling, specifically proliferating fibroblasts coupled to myocytes in the failing heart, could also contribute to Ca2+ cycling impairment. The goal of the present study was to systematically analyze the mechanisms by which myocyte-fibroblast coupling could affect Ca2+ dynamics in normal conditions and in HF. Simulations of healthy and failing human myocytes were performed using established mathematical models, and cells were either isolated or coupled to fibroblasts. Univariate and multivariate sensitivity analyses were performed to quantify effects of ion transport pathways on biomarkers computed from intracellular [Ca2+] waveforms. Variability in ion channels and pumps was imposed and populations of models were analyzed to determine effects on Ca2+ dynamics. Our results suggest that both univariate and multivariate sensitivity analyses are valuable methodologies to shed light into the ionic mechanisms underlying Ca2+ impairment in HF, although differences between the two methodologies are observed at high parameter variability. These can result from either the fact that multivariate analyses take into account ion channels or non-linear effects of ion transport pathways on Ca2+ dynamics. Coupling either healthy or failing myocytes to fibroblasts decreased Ca2+ transients due to an indirect sink effect on action potential and thus on Ca2+ related currents. Simulations that investigated restoration of normal physiology in failing myocytes showed that Ca2+ cycling can be normalized by increasing SERCA and L-type Ca2+ current activity while decreasing Na+-Ca2+ exchange and SR Ca2+ leak. Changes required to normalize action potentials in failing myocytes depended on whether myocytes were coupled to fibroblasts. In conclusion, univariate and multivariate sensitivity analyses are helpful tools to understand how Ca2+ cycling is impaired in heart failure and how this can be exacerbated by coupling of myocytes to fibroblasts. The design of pharmacological actions to restore normal activity should take into account the degree of fibrosis in the failing heart.This work was partially supported by the National Science Foundation (MCB 1615677), the American Heart Association (15GRNT25490006), the "Plan Estatal de Investigacion Cientifica y Tecnica y de Innovacion 2013-2016 from the Ministerio de Economia, Industria y Competitividad of Spain and Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) DPI2016-75799-R (AEI/FEDER, UE)", and the "Programa de Ayudas de Investigacion y Desarrollo (PAID-01-17)" from the Universitat Politecnica de Valencia. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.Mora-Fenoll, MT.; Ferrero De Loma-Osorio, JM.; Gómez García, JF.; Sobie, EA.; Trenor Gomis, BA. (2018). Ca2+ Cycling Impairment in Heart Failure Is Exacerbated by Fibrosis: Insights Gained From Mechanistic Simulations. Frontiers in Physiology. 9. https://doi.org/10.3389/fphys.2018.01194S9Aguilar, M., Qi, X. Y., Huang, H., Comtois, P., & Nattel, S. (2014). Fibroblast Electrical Remodeling in Heart Failure and Potential Effects on Atrial Fibrillation. Biophysical Journal, 107(10), 2444-2455. doi:10.1016/j.bpj.2014.10.014R. ALPERT, N., HASENFUSS, G., J. LEAVITT, B., P. ITTLEMAN, F., PIESKE, B., & A. MULIERI, L. (2000). A Mechanistic Analysis of Reduced Mechanical Performance in Human Heart Failure. Japanese Heart Journal, 41(2), 103-116. doi:10.1536/jhj.41.103Bers, D. M. (2000). Calcium Fluxes Involved in Control of Cardiac Myocyte Contraction. 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Theroetical Analysis of Autonomic Nervous System Effects on Cardiac Elestrophysiology and its Relationship with Arrhythmic Risk

Las enfermedades cardiovasculares representan la principal causa de mortalidad y morbilidad en las sociedades industrializadas. Un porcentaje significativo de las muertes asociadas a estas enfermedades está relacionado con el desarrollo de arritmias cardíacas, siendo éstas definidas como anomalías en el funcionamiento eléctrico del corazón.Tres son los elementos principales que están involucrados en el desarrollo de las arritmias: un sustrato arritmogénico, un desencadenante y factores de modulación. El Sistema Nervioso Autónomo (SNA) es el más relevante de estos factores moduladores.El SNA está compuesto por dos ramas, simpática y parasimpática, que encierta medida actúan de forma antagónica entre sí. La posibilidad de revelar cómo el sistema nervioso simpático modula la actividad ventricular y participa en el desarrollo de arritmias, tal y como se ha observado experimentalmente, podría ser crucial para avanzar en el diseño de nuevas terapias clínicas dirigidas a prevenir o tratar estas anomalías rítmicas.Esta tesis investiga y analiza la variabilidad espacio-temporal de la repolarización ventricular humana, su modulación por el sistema nervioso simpático, los mecanismos que subyacen a incrementos notables en dicha variabilidad y la relación que existe con la generación de arritmias ventriculares. Para ello, se proponen metodología que combinan el procesado de señales ventriculares y el modelado in silico de miocitos ventriculares humanos. Los modelos in silico desarrollados incluyen descripciones teóricas acopladas de la electrofisiología, la dinámica del calcio, el estiramiento mecánico y la señalización -adrenérgica. Para tener en cuenta la variabilidad temporal(latido a latido) de la repolarización, se añade estocasticidad en las ecuaciones que definen la apertura y cierre de los canales iónicos de las principales corrientes activas durante la fase de repolarización del potencial de acción (AP), es decir, durante el retorno de la célula al estado de reposo después de una excitación. Por otro lado, para tener en cuenta la variabilidad espacial (célula a célula) de la repolarización, se construye y calibra una población de modelos representativos de diferentes características celulares utilizando para ellos datos experimentales disponibles. La investigación teórica y computacional de este estudio, combinada con el procesado de señales ventriculares tanto clínicas como experimentales, sienta las bases para futuros estudios que tengan como objetivo mejorar los métodos de estratificación del riesgo arrítmico y guiar la búsqueda de terapias antiarrítmicas más eficaces.En el Capítulo 2, se construye una población de modelos computacionales estocásticos representativos de células ventriculares humanas, los cuales se calibran experimentalmente.Estos modelos combinan la electrofisiología, la mecánica y la señalización-adrenérgica y se utizan para caracterizar de modo teórico la variabilidadespacio-temporal. La calibración de los modelos se basa en rangos experimentales de una serie de marcadores derivados del AP que describen su duración, amplitud y morfología.Mediante el uso de esta población de modelos estocásticos de AP se reproducenlas interacciones descritas experimentalmente entre un tipo particular de variabilidad temporal, asociada con las oscilaciones de baja frecuencia (LF) de la duración del AP (APD), y la variabilidad global latido a latido de la repolarización (BVR) en respuesta a un incremento de la actividad simpática. Además en este capítulo, se han estudiado los mecanismos iónicos que esán detrás de los incrementos simultáneos de ambos fenómenos y se ha demostrado que dichos mecanismos están asociados con la disminución de las corrientes rectificadora de entrada y rectificadora retardada rápida de K+ y a su vez de la corriente de Ca2+ tipo-L. Finalmente, se ha probado que niveles elevados de oscilaciones de baja frecuencia del APD y de BVR en ventrículos enfermosconducen a inestabilidades eléctricas y al desarrollo de eventos arritmogénicos.En el Capítulo 3, se investiga el retardo necesario para la manifestación de las oscilaciones LF del APD, como una forma particular de variabilidad de repolarización, en los miocitos ventriculares en respuesta a la provocación simpática. Mediante el uso de una población calibrada experimentalmente de modelos de AP ventriculares humanos, como en el Capítulo 2, se ha demostrado que esta latencia oscilatoria está asociada con la cinética lenta de fosforilación de la corriente rectificadora retardada lenta de K+ (IKs) en respuesta a la estimulación -adrenérgica. La estimulación previa de los receptores reduce sustancialmente el tiempo requerido para el desarrollo de oscilaciones de LF. Además, se ha demostrado que lapsos de tiempo cortos están íntimamente relacionados con mayores magnitudes oscilatorias del APD, medidas en elCapítulo 3, particularmente en células susceptibles de desarrollar eventos arritmogénicos en respuesta a la estimulación simpática.La calibración experimental de la población de modelos utilizados en los Capítulos 2 y 3 no garantiza que cada modelo de la población construida represente las medidas de un cardiomiocito ventricular humano individual. Es por esta razón que en el Capítulo 4 se desarrolla una metodología novedosa para construir poblaciones computacionales de modelos celulares ventriculares humanos que recapitulen más fielmente las evidencias experimentales disponibles. La metodología propuesta se basa en la formulación de representaciones estado-espacio no lineales y en el uso del filtro de Kalman (UKF) para la estimación de los parámetros y las variables de estado de un modelo AP estocástico subyacente para cada señal de potencial dada como entrada.Las pruebas realizadas sobre series de potencial sintéticas y experimentales demuestran que esta metodología permite establecer una correspondencia entre las trazas AP de entrada y los conjuntos de parámetros del modelo (conductancias de corriente iónicas) y las variables de estado (variables relacionadas con la apertura/cierre de los canales iónicos y concentraciones iónicas intracelulares). A su vez, se ha demostrado que la metodología propuesta es robusta y adecuada para la investigación de la variabilidad espacio-temporal en la repolarización ventricular humana.En el Capítulo 5 se proponen varias mejoras a la metodología desarrollada en elCapítulo 4 para estimar con mayor precisión los parámetros y las variables de estado de los modelos estocásticos de células ventriculares humanas a partir de señales individuales de AP dadas como entradas, y a su vez para reducir el tiempo de convergencia a fin de proporcionar una estimación más rápida. Las mejoras se han basado en el uso combinado del método UKF, presentado en el Capítulo 4, junto con el método Double Greedy Dimension Reduction (DGDR) con generación automática de biomarcadores.Además de estimar las conductancias de las corrientes iónicas en condiciones basales, el enfoque presentado en este capítulo también proporciona el conjunto de niveles de fosforilación inducidos por la estimulación -adrenérgica, contribuyendo así al análisis de patrones de repolarización espacio-temporal con y sin modulación autonómica.En conclusión, esta tesis presenta novedosas metodologías enfocadas hacia lacaracterización de la variabilidad espacio-temporal de la repolarización ventricular humana, el análisis de sus mecanismos subyacentes y la determinaci´ón de la relación entre aumentos en la variabilidad y el mayor riesgo de sufrir arritmias ventriculares y muerte súbita cardíaca. Se desarrollan conjuntos de modelos computacionales estocásticos celulares humanos con representación de la electrofisiología ventricular, la mecánica y la señalización -adrenérgica para analizar la variabilidad global de larepolarización, latido a latido y célula a célula, así como de un tipo particular de variabilidad en forma de oscilaciones de baja frecuencia. Para reproducir fielmente los patrones de variabilidad medidos experimentalmente de manera individual, se proponen metodologías para construir poblaciones de modelos AP ventriculares humanos donde los parámetros y las variables de estado de cada modelo se estiman a partir de una serie de potencial de entrada dada. Estos modelos personalizados abren la puerta a una investigación más robusta de las causas y consecuencias de la variabilidad espacio-temporal de la repolarización ventricular humanCardiovascular diseases represent the main cause of mortality and morbidity in industrialized societies. A significant percentage of deaths associated with these diseases is related to the generation of cardiac arrhythmias, defined as abnormalities in the electrical functioning of the heart. Three major elements are involved in the development of arrhythmias, which include an arrhythmogenic substrate, a trigger and modulating factors. The Autonomic Nervous System (ANS) is the most relevant of these modulators. The ANS is composed of two branches, sympathetic and parasympathetic, which to a certain extent act antagonistically to each other. The possibility of revealing how the sympathetic nervous system modulates the activity of the ventricles (lower heart chambers) and participates in the development of arrhythmias, as reported experimentally, could be crucial to advance in the design of new clinical therapies aimed at preventing or treating these rhythm abnormalities. This thesis investigates spatio-temporal variability of human ventricular repolarization, its modulation by the sympathetic nervous system, the mechanisms behind highly elevated variability and the relationship to the generation of ventricular arrhythmias. To that end, methodologies combining signal processing of ventricular signals and in silico modeling of human ventricular myocytes are proposed. The developed in silico models include coupled theoretical descriptions of electrophysiology, calcium dynamics, mechanical stretch and -adrenergic signaling. To account for temporal (beat-to-beat) repolarization variability, stochasticity is added into the equations defining the gating of the ion channels of the main currents active during action potential (AP) repolarization, i.e. during the return of the cell to the resting state after an excitation. To account for spatial (cell-to-cell) repolarization variability, a population of models representative of different cellular characteristics are constructed and calibrated based on available experimental data. The theoretical computational research of this study, combined with the processing of clinical and experimental ventricular signals, lays the ground for future studies aiming at improving arrhythmic risk stratification methods and at guiding the search for more efficient anti-arrhythmic therapies. In Chapter 2, a population of experimentally-calibrated stochastic human ventricular computational cell models coupling electrophysiology, mechanics and -adrenergic signaling are built to investigate spatio-temporal variability. Model calibration is based on experimental ranges of a number of AP-derived markers describing AP duration, amplitude and shape. By using the proposed population of stochastic AP models, the experimentally reported interactions between a particular type of temporal variability associated with low-frequency (LF) oscillations of AP duration (APD) and overall beat-to-beat variability of repolarization (BVR) in response to enhanced sympathetic activity are reproduced. Ionic mechanisms behind correlated increments in both phenomena are investigated and found to be related to downregulation of the inward and rapid delayed rectifier K+ currents and the L-type Ca2+ current. Concomitantly elevated levels of LF oscillations of APD and BVR in diseased ventricles are shown to lead to electrical instabilities and arrhythmogenic events. In Chapter 3, the time delay for manifestation of LF oscillations of APD, as a particular form of repolarization variability, is investigated in ventricular myocytes in response to sympathetic provocation. By using an experimentally-calibrated population of human ventricular AP models, as in Chapter 2, this oscillatory latency is demonstrated to be associated with the slow phosphorylation kinetics of the slow delayed rectifier K+ current IKs in response to -adrenergic stimulation. Prior stimulation of -adrenoceptors substantially reduces the time required for the development of LF oscillations. In addition, short time lapses are shown to be related to large APD oscillatory magnitudes, as measured in Chapter 2, particularly in cells susceptible to develop arrhythmogenic events in response to sympathetic stimulation. The experimental calibration of the population of models used in Chapter 2 and Chapter 3, despite ensuring that simulated population measurements lie within experimental limits, does not guarantee that each model in the constructed population represents the experimental measurements of an individual human ventricular cardiomyocyte. It is for that reason that in Chapter 4 a novel methodology is developed to construct computational populations of human ventricular cell models that more faithfully recapitulate individual available experimental evidences. The proposed methodology is based on the formulation of nonlinear state-space representations and the use of the Unscented Kalman Filter (UKF) to estimate parameters and state variables of an underlying stochastic AP model given any input voltage trace. Tests performed over synthetic and experimental voltage traces demonstrate that this methodology successfully renders a one-to-one match between input AP traces and sets of model parameters (ionic current conductances) and state variables (ionic gating variables and intracellular concentrations). The proposed methodology is shown to be robust for investigation of spatio-temporal variability in human ventricular repolarization. Chapter 5 improves the methodology developed in Chapter 4 to more accurately estimate parameters and state variables of stochastic human ventricular cell models from individual input voltage traces and to reduce the converge time so as to provide faster estimation. The improvements are based on the combined use of the UKF method of Chapter 4 together with Double Greedy Dimension Reduction (DGDR) method with automatic generation of biomarkers. Additionally, on top of estimating ionic current conductances at baseline conditions, the approach presented in this chapter also provides a set of -adrenergic-induced phosphorylation levels, thus contributing to the analysis of spatio-temporal repolarization patterns with and without autonomic modulation. In conclusion, this thesis presents novel methodologies for characterization of spatio-temporal variability of human ventricular repolarization, for dissection of its underlying mechanisms and for ascertainment of the relationship between elevated variability and increased risk for ventricular arrhythmias and sudden cardiac death. Sets of stochastic human computational cell models with representation of ventricular electrophysiology, mechanics and -adrenergic signaling are developed and used to analyze overall beat-to-beat and cell-to-cell repolarization variability as well as a particular type of variability in the form of LF oscillations. To faithfully reproduce experimentally measured variability patterns in a one-to-one manner, methodologies are proposed to construct populations of human ventricular AP models where the parameters and state variables of a model are estimated from a given input voltage trace. These personalized models open the door to more robust investigation of the causes and consequences of spatio-temporal variability of human ventricular repolarization.<br /

In silico study of calcium handling in the human failing heart

Tesis por compendio[EN] Heart failure, a cardiomyopathy that produces mechanical dysfunction and sudden cardiac death following fatal arrhythmias, is one of the main causes of mortality worldwide that also causes elevated morbidity rates. Current clinical therapies are challenged by the complexity of this cardiac pathology, in which many factors are involved in the electrical instabilities that lead to an altered function. The electrical activity of the heart comprises a wide range of spatial and temporal scales. Ion transport across transmembrane proteins initiate the cellular depolarization that is propagated cell to cell through the myocardium depolarizing and then repolarizing the entire heart in an orchestrated manner. The electrical excitation of cardiomyocytes triggers the cellular contraction, a process in which Ca2+ ions are the main mediators. Ca2+ dynamics plays a relevant role in controlling excitation-contraction coupling and consequently, investigations have focused on Ca2+-handling proteins and the regulation of Ca2+ homeostasis to elucidate the causes of impaired contractility and pro-arrhythmic conditions in cardiac diseases. This thesis takes advantage of the existence of mathematical models with detailed representation of the subcellular processes to perform computational simulations of cardiac electrophysiology and understand the altered mechanisms that govern heart failure, especially those related with intracellular Ca2+ cycling. It is known that failing myocytes undergo a specific remodeling of ion channels and Ca2+-handling proteins that lead to an impaired excitation-contraction coupling. Initially, it was analyzed, in the human action potential model of ventricular myocytes selected for the whole study, the effects of modulating ionic mechanisms on the electrical activity and Ca2+ dynamics. In tissue, heart failure induces additional changes affecting cellular coupling. The development of fibroblasts and impact on myocyte electrophysiology was investigated, including the vulnerability to generate alternans, a common precursor to arrhythmogenesis. Finally, the beta-adrenergic signaling model was integrated with the action potential model because of the electrophysiological modulation exerted by the sympathetic nervous system, which is aggravated under heart failure conditions. Results highlighted the need of studying heart failure therapies on failing cells because of the different response of ion channels and membrane proteins to drugs. Functional Ca2+ proteins were important to maintain Ca2+ homeostasis and to avoid malignant electrical consequences, being SERCA pump the most critical factor. Apart from the electrophysiological remodeling, fibroblast interaction contributed to alter Ca2+ dynamics in myocytes and, when analyzing Ca2+ alternans, spatial electrical discordances predominated in failing tissues. The inclusion of beta-adrenergic stimulation showed that the inotropic response was diminished in heart failure as well as the antiarrhythmic benefits provided by catecholamines in the normal heart. These findings contribute to gain insight into the pathophysiology of heart failure and the development of new pharmacological agents targeted to restore Ca2+ dynamics. The control of intracellular Ca2+ cycling is crucial to ensure both the mechanical force and the electrical activity that lead to a rhythmic contraction of the heart.[ES] La insuficiencia cardíaca, una cardiomiopatía que provoca disfunción mecánica y muerte súbita tras arritmias cardíacas letales, es una de las principales causas de mortalidad en todo el mundo que además causa tasas de morbilidad elevadas. Las terapias usadas actualmente en la clínica están comprometidas por la complejidad de esta patología cardíaca, ya que son muchos los factores que están implicados en las inestabilidades eléctricas que conllevan a alteraciones funcionales. La actividad eléctrica del corazón abarca un amplio rango escalas espaciales y temporales. El transporte de iones a través de las proteínas transmembrana inicia la despolarización celular que se propaga de célula en célula a través del miocardio, despolarizando y luego repolarizando todo el corazón de manera sincronizada. La excitación eléctrica de los cardiomiocitos desencadena la contracción celular, un proceso en el que los iones de Ca2+ son los principales intermediarios. La dinámica de Ca2+ tiene un papel relevante en el control del acoplamiento excitación-contracción y, como consecuencia, las investigaciones se han centrado en las proteínas que controlan el ciclo del Ca2+ y la regulación homeostática para encontrar las causas que empeoran la contractilidad y conducen a condiciones proarrítmicas en casos de insuficiencia cardíaca. Esta tesis hace uso de la existencia de modelos matemáticos con una representación detallada de los procesos subcelulares para realizar simulaciones computacionales de electrofisiología cardíaca y comprender los mecanismos que están alterados y predominan en insuficiencia cardíaca, especialmente aquellos relacionados con el ciclo intracelular de Ca2+ . Se sabe que los miocitos dañados por insuficiencia cardíaca experimentan un remodelado específico en los canales iónicos y en las proteínas partícipes en el ciclo de Ca2+, ocasionando fallos en el acoplamiento excitación-contracción. Inicialmente, se analizaron, en el modelo de potencial de acción humano de miocitos ventriculares seleccionado para todo el estudio, los efectos de la modulación de los mecanismos iónicos sobre la actividad eléctrica y la dinámica de Ca2+. En los tejidos, la insuficiencia cardíaca induce cambios adicionales que afectan el acoplamiento celular. Se ha investigado la presencia de fibroblastos y su impacto en la electrofisiología de los miocitos, incluida la vulnerabilidad para generar alternantes, un precursor común de la arritmogénesis. Finalmente, se ha incluido el modelo de señalización -adrenérgica integrado con el modelo de potencial de acción debido a la modulación electrofisiológica ejercida por el sistema nervioso simpático, que se agrava en condiciones de insuficiencia cardíaca. Los resultados han destacado la necesidad de estudiar las terapias de insuficiencia cardíaca en células de estos corazones debido a la diferente respuesta de los canales iónicos y las proteínas de membrana a los medicamentos. El buen funcionamiento de las proteínas reguladoras del Ca2+ es importantes para mantener la homeostasis del Ca2+ y evitar consecuencias eléctricas malignas, siendo la bomba SERCA el factor más crítico. Además del remodelado electrofisiológico, la interacción con fibroblastos contribuye a alterar la dinámica de Ca2+ en los miocitos y, al analizar los alternantes de Ca2+, predominan las discordancias eléctricas espaciales en los tejidos de corazones con insuficiencia cardíaca. La inclusión de la estimulación -adrenérgica ha mostrado que la respuesta inotrópica disminuye en insuficiencia cardíaca, así como los beneficios antiarrítmicos proporcionados por las catecolaminas en un corazón normal. Estos hallazgos contribuyen a obtener información sobre la fisiopatología de la insuficiencia cardíaca y el desarrollo de nuevos agentes farmacológicos destinados a restaurar la dinámica de Ca 2+. El control del ciclo de Ca2+ intracelular es crítico para garantizar tanto la fuerza mecánica como la actividad eléctrica que conducen a una contracción rítmica del corazón.[CA] La insuficiència cardíaca, una cardiomiopatia que provoca disfunció mecànica i mort sobtada després d'arrítmies cardíaques letals, és una de les principals causes de mortalitat a tot el món que a més causa taxes de morbiditat elevades. Les teràpies utilitzades actualment en la clínica estan compromeses per la complexitat d'aquesta patologia cardíaca, ja que són molts els factors que estan implicats en les inestabilitats elèctriques que comporten a alteracions funcionals. L'activitat elèctrica del cor abasta un ampli rang d'escales espacials i temporals. El transport d'ions a través de les proteïnes transmembrana inicia la despolarització cel·lular que es propaga de cèl·lula en cèl·lula a través del miocardi, despolaritzant i després repolaritzant tot el cor de manera sincronitzada. L'excitació elèctrica dels cardiomiòcits desencadena la contracció cel·lular, un procés en el qual els ions de Ca2+ són els principals intermediaris. La dinàmica de Ca2+ té un paper rellevant en el control de l'acoblament excitació-contracció i, com a conseqüència, les investigacions s'han centrat en les proteïnes que controlen el cicle del Ca2+ i la regulació homeostàtica per a trobar les causes que empitjoren la contractilitat i condueixen a condicions proarrítmiques en casos d'insuficiència cardíaca. Aquesta tesi fa ús de l'existència de models matemàtics amb una representació detallada dels processos subcel·lulars per a realitzar simulacions computacionals de l'electrofisiologia cardíaca i comprendre els mecanismes que estan alterats i predominen en insuficiència cardíaca, especialment aquells relacionats amb el cicle intracel·lular de Ca2+. Se sap que els miòcits danyats per insuficiència cardíaca experimenten un remodelat específic en els canals iònics i en les proteïnes partícips en el cicle de Ca2+, ocasionant fallades en l'acoblament excitació-contracció. Inicialment, es van analitzar, en el model de potencial d'acció humà de miòcits ventriculars seleccionat per a tot l'estudi, els efectes de la modulació dels mecanismes iònics sobre l'activitat elèctrica i la dinàmica de Ca2+. En els teixits, la insuficiència cardíaca indueix canvis addicionals que afecten l'acoblament cel·lular. S'ha investigat la presència de fibroblasts i el seu impacte en l'electrofisiologia dels miòcits, inclosa la vulnerabilitat per a generar alternants, un precursor comú de l'arritmogènesi. Finalment, s'ha inclòs el model de senyalització beta-adrenèrgica integrat amb el model de potencial d'acció a causa de la modulació electrofisiològica exercida pel sistema nerviós simpàtic, que s'agreuja en condicions d'insuficiència cardíaca. Els resultats han destacat la necessitat d'estudiar les teràpies d'insuficiència cardíaca en cèl·lules d'aquests cors a causa de la diferent resposta dels canals iònics i les proteïnes de membrana als medicaments. El bon funcionament de les proteïnes reguladores del Ca2+ és importants per a mantindre l'homeòstasi del Ca2+ i evitar conseqüències elèctriques malignes, sent la bomba SERCA el factor més crític. A més del remodelat electrofisiològic, la interacció amb fibroblasts contribueix a alterar la dinàmica de Ca2+ en els miòcits i, en analitzar els alternants de Ca2+, predominen les discordances elèctriques espacials en els teixits de cors amb insuficiència cardíaca. La inclusió de l'estimulació beta-adrenèrgica ha mostrat que la resposta inotròpica disminueix en insuficiència cardíaca, així com els beneficis antiarrítmics proporcionats per les catecolamines en un cor normal. Aquestes troballes contribueixen a obtindre informació sobre la fisiopatologia de la insuficiència cardíaca i el desenvolupament de nous agents farmacològics destinats a restaurar la dinàmica de Ca2+. El control del cicle de Ca2+ intracel·lular és crític per a garantir tant la força mecànica com l'activitat elèctrica per a una contracció rítmica del cor.Mora Fenoll, MT. (2020). In silico study of calcium handling in the human failing heart [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153143TESISCompendi

Experimentally-calibrated population of models predicts and explains inter-subject variability in cardiac cellular\ud electrophysiology

Cellular and ionic causes of variability in the electrophysiological activity of hearts from individuals of the same species are unknown. However, improved understanding of this variability is key to enable prediction of the response of specific hearts to disease and therapies. Limitations of current mathematical modeling and experimental techniques hamper our ability to provide insight into variability. Here we describe a methodology to unravel the ionic determinants of inter-subject variability exhibited in experimental recordings, based on the construction and calibration of populations of models. We illustrate the methodology through its application to rabbit Purkinje preparations, due to their importance in arrhythmias and safety pharmacology assessment. We consider a set of equations describing the biophysical processes underlying rabbit Purkinje electrophysiology and we construct a population of over 10,000 models by randomly assigning specific parameter values corresponding to ionic current conductances and kinetics. We calibrate the model population by closely comparing simulation output and experimental recordings at three pacing frequencies. We show that 213 of the 10,000 candidate models are fully consistent with the experimental dataset. Ionic properties in the 213 models cover a wide range of values, including differences up to ±100% in several conductances. Partial correlation analysis shows that particular combinations of ionic properties determine the precise shape, amplitude and rate dependence of specific action potentials. Finally, we demonstrate that the population of models calibrated using data obtained under physiological conditions quantitatively predicts the action potential duration prolongation caused by exposure to four concentrations of the potassium channel blocker dofetilide

mRNA Expression Levels in Failing Human Hearts Predict Cellular Electrophysiological Remodeling: A Population-Based Simulation Study

Differences in mRNA expression levels have been observed in failing versus non-failing human hearts for several membrane channel proteins and accessory subunits. These differences may play a causal role in electrophysiological changes observed in human heart failure and atrial fibrillation, such as action potential (AP) prolongation, increased AP triangulation, decreased intracellular calcium transient (CaT) magnitude and decreased CaT triangulation. Our goal is to investigate whether the information contained in mRNA measurements can be used to predict cardiac electrophysiological remodeling in heart failure using computational modeling. Using mRNA data recently obtained from failing and non-failing human hearts, we construct failing and non-failing cell populations incorporating natural variability and up/down regulation of channel conductivities. Six biomarkers are calculated for each cell in each population, at cycle lengths between 1500 ms and 300 ms. Regression analysis is performed to determine which ion channels drive biomarker variability in failing versus non-failing cardiomyocytes. Our models suggest that reported mRNA expression changes are consistent with AP prolongation, increased AP triangulation, increased CaT duration, decreased CaT triangulation and amplitude, and increased delay between AP and CaT upstrokes in the failing population. Regression analysis reveals that changes in AP biomarkers are driven primarily by reduction in IKr, and changes in CaT biomarkers are driven predominantly by reduction in ICaL and SERCA. In particular, the role of IICaL is pacing rate dependent. Additionally, alternans developed at fast pacing rates for both failing and non-failing cardiomyocytes, but the underlying mechanisms are different in control and heart failure. © 2013 Walmsley et al