Electrical and Biomechanical Properties of Rat Ventricular Myocytes: Effect of Exercise-Training & Beta-Adrenergic Regulation

Heart disease is one of the leading causes of morbidity and mortality in the western world, and programs of exercise-training have been shown to ameliorate cardiovascular risk factors and protect against heart diseases. The cellular/molecular mechanisms of regular exercise induced adaptations in the heart remains incomplete. To address this, female and male Sprague-Dawley rats were randomly assigned to exercise trained (TRN) or sedentary (SED) groups. After 6-8 weeks training, ventricular myocytes were isolated and studied.Exercise-training prolonged the action potential duration (APD) in myocytes isolated from apex and base regions at low stimulation rate (1Hz), while shortening the APD at high stimulation (10Hz). The exercise-induced effect on the Ca2+ transient duration reflected the changes observed in APD. Wheel running shifted the β-adrenergic receptor (β-AR) agonist dose-response curve rightward compared to SED by reducing β1-AR responsiveness. Wheel-running significantly increased myocyte shortening velocity and rate of intracellular Ca2+ rise with 1, 2 and 5 Hz stimulation, while the extent of shortening increased only at 5 Hz. At 1 & 2 Hz, β-AR agonist accelerated sarcomere shortening & relaxation velocity and rate of intracellular Ca2+ decline in TRN and SED, but increased sarcomere shortening only in TRN. The β-AR agonist effect was dose dependent in TRN but not SED.Pharmacological studies of myocytes showed higher ATP sensitive potassium channel (KATP) function in ventricular repolarization and larger KATP currents in TRN compared to SED. Exercise-training elevated the KATP channel pore forming protein subunit Kir6.2 content in apex and regulatory protein subunit SUR2A content in base regions of male and female rats. Rapidly activating delayed rectifier potassium channel (Ikr) contributes relatively little to ventricular repolarization compared to slowly activating delayed rectifier potassium channel IKs in both male and female rats, and higher IKs current was observed in apex compared to base region. Exercise-training decreased IKs current as well as the content of IKs channel protein subunits KCNQ1 and KCNE1. β-agonist significantly elevated IKs current density and exercise-training decreased IKs responsiveness to β-AR stimulation.The down-regulation of IKs provides a molecular basis for prolonged APD and Ca2+ transient observed in TRN rats with 1Hz stimulation, which contributes to enhanced cardiac contractility and efficiency at rest. The up-regulation of KATP channel in TRN rats largely explains the exercise-induced APD shortening at 10Hz, which helps reduce the energy consumption and maintain diastolic interval adequate for myocardial relaxation at high heart rates. A novel finding was that exercise-training elevated kinetics of sarcomere shortening/relaxation and its response to β-AR stimulation

Potassium currents in the heart: functional roles in repolarization, arrhythmia and therapeutics

L

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

25 years of basic and translational science in EP Europace: novel insights into arrhythmia mechanisms and therapeutic strategies.

In the last 25 years, EP Europace has published more than 300 basic and translational science articles covering different arrhythmia types (ranging from atrial fibrillation to ventricular tachyarrhythmias), different diseases predisposing to arrhythmia formation (such as genetic arrhythmia disorders and heart failure), and different interventional and pharmacological anti-arrhythmic treatment strategies (ranging from pacing and defibrillation to different ablation approaches and novel drug-therapies). These studies have been conducted in cellular models, small and large animal models, and in the last couple of years increasingly in silico using computational approaches. In sum, these articles have contributed substantially to our pathophysiological understanding of arrhythmia mechanisms and treatment options; many of which have made their way into clinical applications. This review discusses a representative selection of EP Europace manuscripts covering the topics of pacing and ablation, atrial fibrillation, heart failure and pro-arrhythmic ventricular remodelling, ion channel (dys)function and pharmacology, inherited arrhythmia syndromes, and arrhythmogenic cardiomyopathies, highlighting some of the advances of the past 25 years. Given the increasingly recognized complexity and multidisciplinary nature of arrhythmogenesis and continued technological developments, basic and translational electrophysiological research is key advancing the field. EP Europace aims to further increase its contribution to the discovery of arrhythmia mechanisms and the implementation of mechanism-based precision therapy approaches in arrhythmia management

The electrophysiological and molecular effects of chronic beta-adrenoceptor antagonist therapy on human atrium

The chronic treatment of patients with a β-adrenoceptor antagonist is associated with prolongation of the atrial cell action potential duration (APD), potentially contributing to the ability of these drugs to prevent atrial fibrillation (AF). The mechanisms underlying this APD prolongation are not fully understood but may involve pharmacological remodelling of atrial K+ currents and underlying ion channel subunits. This project aimed to test the hypothesis that various characteristics of human atrial K+ currents, including voltage, time and rate dependency, differ between patients treated and not treated with a β-blocker as a result of altered expression of ion channel pore-forming and accessory subunits. Human atrial myocytes were isolated enzymatically from right atrial appendage tissue obtained from consenting patients, in sinus rhythm, undergoing cardiac surgery. Using whole cell patch clamping, K+ currents were recorded at physiological temperature. Treatment of patients with β-blockers for a minimum of 4 weeks duration was associated with a significant, 34% reduction in the transient outward K+ current (ITO) density but no change in the sustained outward current (IKSUS). There was a reduction in the Ba2+-sensitive, inwardly rectifying K+ current (IK1) but only at -120 mV and the physiological significance of this is unclear. The reduction in ITO density was not secondary to changes in the voltage dependency of the current, as determined by Boltzmann curve fits. There was no difference in the time dependent inactivation or re-activation of ITO between cells from non β-blocked and β-blocked patients, indicating these current characteristics were not contributing to β-blocker induced APD prolongation. The density of ITO decreased significantly with increasing stimulation rate in cells from both patient groups but remained significantly reduced in β-blocked patients at all rates studied. To determine a possible mechanism underlying the reduction in ITO density, the expression of Kv4.3 mRNA, the pore-forming subunit responsible for this current, was compared in right atrial appendage tissue from non β-blocked and β-blocked patients using real-time RT-PCR. mRNA levels were normalised to the expression of both 28S, a marker of total RNA, and the housekeeping gene GAPDH. The levels of mRNA for the accessory subunits KChIP2, KChAP, Kvβ1 and 2 and Frequenin, which modify Kv4.3 expression and function, were also measured. No change was found in the relative mRNA levels of any of these ion channel subunits in association with chronic β-blockade. mRNA for the pore-forming subunits Kir 2.1 and 2.2 and Kv1.5 which are responsible for IK1 and IKSUS respectively, in addition to mRNA for the pore-forming subunits underlying the L-type calcium current and sodium-calcium exchanger were also measured. Again, no significant changes in expression were found in association with chronic β-blockade. The possibility of ion channel remodelling at a translational level was investigated by measuring Kv4.3 protein levels using Western blotting with a monoclonal anti-Kv4.3 antibody. Kv4.3 protein levels were normalised to GAPDH which was used as a loading control. Chronic β-blockade did not change the ratio of the level of Kv4.3 protein relative to GAPDH. In conclusion, chronic treatment of patients with a β-blocker is associated with a reduction in atrial ITO density which may contribute to the APD prolongation reported in cells from these patients. However, this cannot be explained by changes in the expression of Kv4.3 or by changes in the expression of its regulatory accessory subunit genes

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 /

Multiscale Modeling of the Ventricles: From Cellular Electrophysiology to Body Surface Electrocardiograms

This work is focused on different aspects within the loop of multiscale modeling: On the cellular level, effects of adrenergic regulation and the Long-QT syndrome have been investigated. On the organ level, a model for the excitation conduction system was developed and the role of electrophysiological heterogeneities was analyzed. On the torso level a dynamic model of a deforming heart was created and the effects of tissue conductivities on the solution of the forward problem were evaluated

Multiscale Modeling and Simulation of Human Heart Failure

Tesis por compendio[EN] Heart failure (HF) constitutes a major public health problem worldwide. Operationally it is defined as a clinical syndrome characterized by the marked and progressive inability of the ventricles to fill and generate adequate cardiac output to meet the demands of cellular metabolism that may have significant variability in its etiology and it is the final common pathway of various cardiac pathologies. Much attention has been paid to the understanding of the arrhythmogenic mechanisms induced by the structural, electrical, and metabolic remodeling of the failing heart. Due to the complexity of the electrophysiological changes that may occur during heart failure, the scientific literature is complex and sometimes equivocal. Nevertheless, a number of common features of failing hearts have been documented. At the cellular level, prolongation of the action potential (AP) involving ion channel remodeling and alterations in calcium handling have been established as the hallmark characteristics of myocytes isolated from failing hearts. At the tissue level, intercellular uncoupling and fibrosis are identified as major arrhythmogenic factors. In this Thesis a computational model for cellular heart failure was proposed using a modified version of Grandi et al. model for human ventricular action potential that incorporates the formulation of the late sodium current (INaL) in order to study the arrhythmogenic processes due to failing phenotype. Experimental data from several sources were used to validate the model. Due to extensive literature in the subject a sensitivity analysis was performed to assess the influence of main ionic currents and parameters upon most related biomarkers. In addition, multiscale simulations were carried out to characterize this pathology (transmural cardiac fibres and tissues). The proposed model for the human INaL and the electrophysiological remodeling of myocytes from failing hearts accurately reproduce experimental observations. An enhanced INaL appears to be an important contributor to the electrophysiological phenotype and to the dysregulation of calcium homeostasis of failing myocytes. Our strand simulation results illustrate how the presence of M cells and heterogeneous electrophysiological remodeling in the human failing ventricle modulate the dispersion of action potential duration (APD) and repolarization time (RT). Conduction velocity (CV) and the safety factor for conduction (SF) were also reduced by the progressive structural remodeling during heart failure. In our transmural ventricular tissue simulations, no reentry was observed in normal conditions or in the presence of HF ionic remodeling. However, defined amount of fibrosis and/or cellular uncoupling were sufficient to elicit reentrant activity. Under conditions where reentry was generated, HF electrophysiological remodeling did not alter the width of the vulnerable window (VW). However, intermediate fibrosis and cellular uncoupling significantly widened the VW. In conclusion, enhanced fibrosis in failing hearts, as well as reduced intercellular coupling, combine to increase electrophysiological gradients and reduce electrical propagation. In that sense, structural remodeling is a key factor in the genesis of vulnerability to reentry, mainly at intermediates levels of fibrosis and intercellular uncoupling.[ES] La insuficiencia cardíaca (IC) constituye un importante problema de salud pública en todo el mundo. Operacionalmente se define como un síndrome clínico caracterizado por la incapacidad marcada y progresiva de los ventrículos para llenar y generar gasto cardíaco adecuado para satisfacer las demandas del metabolismo celular, que puede tener una variabilidad significativa en su etiología y es la vía final común de varias patologías cardíacas. Se ha prestado mucha atención a la comprensión de los mecanismos arritmogénicos inducidos por la remodelación estructural, eléctrica, y metabólica del corazón afectado de IC. Debido a la complejidad de los cambios electrofisiológicos que pueden ocurrir durante la IC, la literatura científica es compleja y, a veces equívoca. Sin embargo, se han documentado una serie de características comunes en corazones afectados de IC. A nivel celular, se han establecido como las características distintivas de los miocitos aislados de corazones afectados de IC la prolongación del potencial de acción (PA), que implica la remodelación de los canales iónicos y las alteraciones en la dinámica del calcio. A nivel de los tejidos, el desacoplamiento intercelular y la fibrosis se identifican como los principales factores arritmogénicos. En esta tesis se propuso un modelo celular computacional para la insuficiencia cardíaca utilizando una versión modificada del modelo de potencial de acción ventricular humano de Grandi y colaboradores que incorpora la formulación de la corriente tardía de sodio (INaL) con el fin de estudiar los procesos arritmogénicas debido al fenotipo de la IC. Los datos experimentales de varias fuentes se utilizaron para validar el modelo. Debido a la extensa literatura en la temática se realizó un análisis de sensibilidad para evaluar la influencia de las principales corrientes iónicas y los parámetros sobre los biomarcadores relacionados. Además, se llevaron a cabo simulaciones multiescala para caracterizar esta patología (en fibras y tejidos transmurales). El modelo propuesto para la corriente tardía de sodio y la remodelación electrofisiológica de los miocitos de corazones afectados de IC reprodujeron con precisión las observaciones experimentales. Una INaL incrementada parece ser un importante contribuyente al fenotipo electrofisiológico y la desregulación de la homeostasis del calcio de los miocitos afectados de IC. Nuestros resultados de la simulaciones en fibra ilustran cómo la presencia de células M y el remodelado electrofisiológico heterogéneo en el ventrículo humano afectado de IC modulan la dispersión de la duración potencial de acción (DPA) y el tiempo de repolarización (TR). La velocidad de conducción (VC) y el factor de seguridad para la conducción (FS) también se redujeron en la remodelación estructural progresiva durante la insuficiencia cardíaca. En nuestras simulaciones transmurales de tejido ventricular, no se observó reentrada en condiciones normales o en presencia de la remodelación iónica de la IC. Sin embargo, determinadas cantidades de fibrosis y / o desacoplamiento celular eran suficientes para provocar la actividad reentrante. En condiciones donde se había generado la reentrada, el remodelado electrofisiológico de la IC no alteró la anchura de la ventana vulnerable (VV). Sin embargo, niveles intermedios de fibrosis y el desacoplamiento celular ampliaron significativamente la VV. En conclusión, niveles elevados de fibrosis en corazones afectados de IC, así como la reducción de acoplamiento intercelular, se combinan para aumentar los gradientes electrofisiológicos y reducir la propagación eléctrica. En ese sentido, la remodelación estructural es un factor clave en la génesis de la vulnerabilidad a las reentradas, principalmente en niveles intermedios de fibrosis y desacoplamiento intercelular. El remodelado electrofisiológico promueve la arritmogénesis y puede ser alterado dependi[CA] La insuficiència cardíaca (IC) constitueix un important problema de salut pública arreu del món. A efectes pràctics, es defineix com una síndrome clínica caracteritzada per la incapacitat marcada i progressiva dels ventricles per omplir i generar el cabal cardíac adequat, per tal de satisfer les demandes del metabolisme cel·lular, el qual pot tenir una variabilitat significativa en la seua etiologia i és la via final comuna de diverses patologies cardíaques. S'ha prestat molta atenció a la comprensió dels mecanismes aritmogènics induïts per la remodelació estructural, elèctrica, i metabòlica del cor afectat d'IC. A causa de la complexitat dels canvis electrofisiològics que poden ocórrer durant la IC, trobem que la literatura científica és complexa i, de vegades, equívoca. No obstant això, s'han documentat una sèrie de característiques comunes en cors afectats d'IC. A nivell cel·lular, com característiques distintives dels miòcits aïllats de cors afectats d'IC, s'han establert la prolongació del potencial d'acció (PA), que implica la remodelació dels canals iònics, i les alteracions en la dinàmica del calci. A nivell dels teixits, el desacoblament intercel·lular i la fibrosi s'identifiquen com els principals factors aritmogènics. Per tal d'estudiar els processos aritmogènics a causa del fenotip de la IC, es va proposar un model cel·lular computacional d'IC utilitzant una versió modificada del model de potencial d'acció ventricular humà de Grandi i els seus col·laboradors, el qual incorpora la formulació del corrent de sodi tardà (INaL). Amb l'objectiu de validar el model es van utilitzar dades experimentals de diverses fonts. A causa de l'extensa literatura en la temàtica, es va realitzar una anàlisi de sensibilitat per tal d'avaluar la influència de les principals corrents iòniques i els paràmetres sobre els biomarcadors relacionats. A més, es van dur a terme simulacions multiescala per a la caracterització d'aquesta patología (fibres i teixits transmurals). El model proposat per al corrent de sodi tardà i la remodelació electrofisiològica dels miòcits de cors afectats d'IC van reproduir amb precisió les observacions experimentals. Una INaL incrementada sembla contribuir de manera important al fenotip electrofisiològic i a la desregulació de l'homeòstasi del calci dels miòcits afectats d'IC. Els resultats de les nostres simulacions en fibra indiquen que la presència de cèl·lules M i el remodelat electrofisiològic heterogeni en el ventricle humà afectat d'IC modulen la dispersió de la durada del potencial d'acció (DPA) i el temps de repolarització (TR). La velocitat de conducció (VC) i el factor de seguretat per a la conducció (FS) també es van reduir en la remodelació estructural progressiva durant la IC. A les nostres simulacions transmurals de teixit ventricular, no s'observà cap reentrada ni en condicions normals ni en presència de la remodelació iònica de la IC. No obstant això, amb determinades quantitats de fibrosi i/o desacoblament cel·lular sí que es provocà l'activitat reentrant. I amb les condicions que produïren la reentrada, el remodelat electrofisiològic de la IC no va alterar l'amplada de la finestra vulnerable (FV). Tanmateix, nivells intermedis de fibrosi i el desacoblament cel·lular sí que ampliaren significativament la FV. En conclusió, nivells elevats de fibrosi en cors afectats d'IC, així com la reducció d'acoblament intercel·lular, es combinen per augmentar els gradients electrofisiològics i reduir la propagació elèctrica. Per tant, la remodelació estructural és un factor clau en la gènesi de la vulnerabilitat a les reentrades, principalment en nivells intermedis de fibrosi i desacoblament intercel·lular.Gómez García, JF. (2015). Multiscale Modeling and Simulation of Human Heart Failure [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/52389TESISCompendi

Rad Modulation of the L-type Calcium Channel Confers Systolic Advantage in the Heart

Heart failure is a major public health problem and a leading cause of mortality. This clinical condition affects populations of all ages, and is the result of various cardiomyopathies. Almost half of these patients suffer specifically from heart failure with reduced ejection fraction; these hearts have decreased performance due to a failure of the heart to contract with sufficient force to meet demand. While there are therapies available to increase contractility, none of these enhance contraction without also further promoting pathological signaling and remodeling. Under normal physiological conditions, the body elevates cardiac output through the fight-or-flight response. This response activates b-adrenergic receptors (b-AR) at the level of individual cardiomyocytes, which leads to enhanced calcium handling in order to increase contraction. One of the major targets of b-AR downstream signaling is the L-type calcium channel (LTCC). The influx of calcium through the LTCC (ICa,L) provides the trigger for calcium induced calcium release from the sarcoplasmic reticulum in order to produce a contraction; LTCC activity is significantly increased when b-ARs are activated. However, b-ARs are chronically activated in heart failure, leading to pathological remodeling and further development of heart failure. This has served as a foundation to establish dogma that increasing ICa,L in a manner that reflects b-AR activation necessarily promotes pathology. Because b-AR signaling is a principle physiological mechanism to increase cardiac output, understanding this pathway and how to increase calcium safely is critical to successfully treating heart failure. Discovering a mechanism to increase cardiac output downstream of b-AR signaling would be ideal so as to preserve the fight-or-flight response while also boosting cardiac performance in order to meet demand. The mechanism by which LTCC activity is increased under b-AR signaling, known as modulation, has been a major focus of study for many years; however, it remains unknown. The LTCC is a heteromultimeric protein complex, and is inhibited by an endogenous small monomeric GTPase called Rad. Studies in heterologous expression systems show overexpression of Rad blocks calcium current through the LTCC; absence of Rad yields a significant increase in calcium current. Whole-body Rad knock out mouse models demonstrate calcium current that mirrors calcium current stimulated by b-AR signaling; however, this also promoted significant growth of the heart. To investigate the effect of Rad deletion without contributions from non-cardiac tissue, a cardiomyocyte-restricted inducible Rad knock out mouse model was created. The work of this dissertation utilizes this mouse to better understand the mechanism by which Rad inhibits the LTCC by studying the effects on channel function, cellular calcium handling, and overall cardiac structure and function in the absence of Rad. Using an array of methods and techniques, the studies in this dissertation establish Rad as a critical target of the LTCC to respond to b-AR stimulation. When Rad is depleted specifically from cardiomyocytes, ICa,L is increased in a safe, stable manner that mirrors LTCC modulation, both in sinoatrial node and in the ventricle. This regulation is governed specifically by the C-terminus of Rad. Elevated ICa,L in the absence of Rad promotes enhanced calcium handling and increased cardiac output without progression to heart failure, and occurs independently of b-AR activation. Enhanced calcium cycling in the absence of Rad is balanced by accelerated inactivation of the LTCC so as to promote positive inotropy without instigating arrhythmogenesis. This allows for cardiac protection under conditions of pressure-overload induced heart failure. In summary, the work of this dissertation supports Rad deletion specifically from cardiomyocytes as an ideal positive inotrope for heart failure treatment due to the novel mechanism to increase ICa,L in a manner that preserves structure, function, and the fight-or-flight response within the heart