A Multiscale In Silico Study to Characterize the Atrial Electrical Activity of Patients With Atrial Fibrillation : A Translational Study to Guide Ablation Therapy

The atrial substrate undergoes electrical and structural remodeling during atrial fibrillation. Detailed multiscale models were used to study the effect of structural remodeling induced at the cellular and tissue levels. Simulated electrograms were used to train a machine-learning algorithm to characterize the substrate. Also, wave propagation direction was tracked from unannotated electrograms. In conclusion, in silico experiments provide insight into electrograms\u27 information of the substrate

A Multiscale in Silico Study to Characterize the Atrial Electrical Activity of Patients With Atrial Fibrillation. A Translational Study to Guide Ablation Therapy

[ES] La fibrilación auricular es la arritmia cardíaca más común. Durante la fibrilación auricular, el sustrato auricular sufre una serie de cambios o remodelados a nivel eléctrico y estructural. La remodelación eléctrica se caracteriza por la alteración de una serie de canales iónicos, lo que cambia la morfología del potential de transmembrana conocido como potencial de acción. La remodelación estructural es un proceso complejo que involucra la interacción de varios procesos de señalización, interacción celular y cambios en la matriz extracelular. Durante la remodelación estructural, los fibroblastos que abundan en el tejido cardíaco, comienzan a diferenciarse en miofibroblastos que son los encargados de mantener la estructura de la matriz extracelular depositando colágeno. Además, la señalización paracrina de los miofibroblastos afecta a los canales iónicos de los miocitos circundantes. Se utilizaron modelos computacionales muy detallados a diferentes escalas para estudiar la remodelación estructural inducida a nivel celular y tisular. Se realizó una adaptación de un modelo de fibroblastos humanos a nivel celular para reproducir la electrofisiología de los miofibroblastos durante la fibrilación auricular. Además, se evaluó la exploración de la interacción del calcio en la electrofisiología de los miofibroblastos ajustando el canal de calcio a los datos experimentales. A nivel tisular, se estudió la infiltración de miofibroblastos para cuantificar el aumento de vulnerabilidad a una arritmia cardíaca. Los miofibroblastos cambian la dinámica de la reentrada. Una baja densidad de miofibroblastos permite la propagación a través del área fibrótica y crea puntos de salida de actividad focal y roturas de ondas dentro de esta área. Además, las composiciones de fibrosis juegan un papel clave en la alteración del patrón de propagación. La alteración del patrón de propagación afecta a los electrogramas recogidos en la superficie del tejido. La morfología del electrograma se alteró dependiendo de la disposición y composición del tejido fibrótico. Se combinaron modelos detallados de tejido cardíaco con modelos realistas de los catéteres de mapeo disponibles comercialmente para comprender las señales registradas clínicamente. Se generó un modelo de ruido a partir de señales clínicas para reproducir los artefactos de señal en el modelo. Se utilizaron electrogramas de modelos de dos dominios altamente detallados para entrenar un algoritmo de aprendizaje automático para caracterizar el sustrato fibrótico auricular. Las características que cuantifican la complejidad de las señales fueron extraídas para identificar la densidad fibrótica y la transmuralidad fibrótica. Posteriormente, se generaron mapas de fibrosis utilizando el registro del paciente como prueba de concepto. El mapa de fibrosis proporciona información sobre el sustrato fibrótico sin utilizar un valor único de corte de 0,5 milivoltios. Además, utilizando la medición del flujo de información como la entropía de transferencia combinada con gráficos dirigidos, en este estudio, se siguió la dirección de propagación del frente de onda. La transferencia de entropía con gráficos dirigidos proporciona información crucial durante la electrofisiología para comprender la dinámica de propagación de ondas durante la fibrilación auricular. En conclusión, esta tesis presenta un estudio in silico multiescala que proporciona información sobre los mediadores celulares responsables de la remodelación de la matriz extracelular y su electrofisiología. Además, proporciona una configuración realista para crear datos in silico que pueden ser usados para aplicaciones clínicas y servir de soporte al tratamiento de ablación.[CA] La fibril·lació auricular és l'arrítmia cardíaca més freqüent, en la qual el substrat auricular patix una sèrie de remodelacions elèctriques i estructurals. La remodelació de tipus elèctric es caracteritza per l'alteració d'un conjunt de canals iònics que modifica la morfologia del voltatge transmembrana, conegut com a potencial d'acció. La remodelació estructural és un fenomen complex que implica la relació entre diversos processos de senyalització, interaccions cel·lulars i canvis en la matriu extracel·lular. Durant la remodelació estructural, els abundants fibroblasts presents en el teixit cardíac comencen a diferenciar-se en miofibroblasts, els quals s'encarreguen de mantenir l'estructura de la matriu extracel·lular dipositant-hi col·lagen. A més, la senyalització paracrina dels miofibroblasts amb els miòcits circumdants també afectarà els canals iònics. Es van utilitzar models computacionals molt detallats a diferents escales per estudiar la remodelació estructural induïda a nivell tissular i cel·lular. Es va fer una adaptació a nivell cel·lular d'un model de fibroblasts humans per reproduir-hi l'electrofisiologia dels miofibroblasts durant la fibril·lació auricular. A més, l'exploració de la interacció del calci amb l'electrofisiologia dels miofibroblasts va ser avaluada mitjançant l'adequació del canal de calci a les dades experimentals. A nivell tissular es va estudiar la infiltració de miofibroblasts per tal de quantificar l'augment de vulnerabilitat que això conferia per patir una arrítmia cardíaca. Els miofibroblasts canvien la dinàmica de la reentrada, i presentar-ne una baixa densitat permet la propagació a través de la zona fibròtica, tot creant punts de sortida d'activitat focal i trencaments d'ones dins d'aquesta àrea. A més, les composicions de fibrosi tenen un paper clau en l'alteració del patró de propagació, afectant els electrogrames recollits en la superfície del teixit. La morfologia dels electrogrames es va veure alterada en funció de la disposició i la composició del teixit fibròtic. Per comprendre els senyals clínicament registrats es van combinar models detallats de teixits cardíacs amb models realistes dels catèters de cartografia disponibles comercialment. Es va generar un model de soroll a partir de senyals clínics per reproduir-hi els artefactes de senyal. Es van utilitzar electrogrames de models de bidominis molt detallats per entrenar un algoritme d'aprenentatge automàtic destinat a caracteritzar el substrat fibròtic auricular. Les característiques que quantifiquen la complexitat dels senyals van ser extretes per identificar la densitat i transmuralitat fibròtica. Posteriorment, es van generar mapes de fibrosi mitjançant la gravació del pacient com a prova de concepte. El mapa de fibrosi proporciona informació sobre el substrat fibròtic sense utilitzar un sol valor de tensió de tall de 0,5 mV. A més, utilitzant la mesura del flux d'informació com l'entropia de transferència combinada amb gràfics dirigits, en aquest estudi es va fer un seguiment de la direcció de propagació de l'ona. L'entropia de transferència amb gràfics dirigits proporciona informació crucial durant l'electrofisiologia per entendre la dinàmica de propagació d'ones durant la fibril·lació auricular. En conclusió, aquesta tesi presenta un estudi multi-escala in silico que proporciona informació sobre els mediadors cel·lulars responsables de la remodelació de la matriu extracel·lular i la seva electrofisiologia. A més, proporciona una configuració realista per crear dades in silico que es poden traduir a aplicacions clíniques que puguen donar suport al tractament de l'ablació.[EN] Atrial fibrillation is the most common cardiac arrhythmia. During atrial fibrillation, the atrial substrate undergoes a series of electrical and structural remodeling. The electrical remodeling is characterized by the alteration of specific ionic channels, which changes the morphology of the transmembrane voltage known as action potential. Structural remodeling is a complex process involving the interaction of several signalling pathways, cellular interaction, and changes in the extracellular matrix. During structural remodeling, fibroblasts, abundant in the cardiac tissue, start to differentiate into myofibroblasts, which are responsible for maintaining the extracellular matrix structure by depositing collagen. Additionally, myofibroblasts paracrine signalling with surrounding myocytes will also affect ionic channels. Highly detailed computational models at different scales were used to study the effect of structural remodeling induced at the cellular and tissue levels.At the cellular level, a human fibroblast model was adapted to reproduce the myofibroblast electrophsyiology during atrial fibrillation. Additionally, the calcium handling in myofibroblast electrophysiology was assessed by fitting calcium ion channel to experimental data. At the tissue level, myofibroblasts infiltration was studied to quantify the increase of vulnerability to cardiac arrhythmia. Myofibroblasts alter the dynamics of reentry. A low density of myofibroblasts allows the propagation through the fibrotic area and creates focal activity exit points and wave breaks inside this area. Moreover, fibrosis composition plays a key role in the alteration of the propagation pattern. The alteration of the propagation pattern affects the electrograms computed at the surface of the tissue. Electrogram morphology was altered depending on the arrangement and composition of the fibrotic tissue. Detailed cardiac tissue models were combined with realistic models of the commercially available mapping catheters to understand the clinically recorded signals. A noise model from clinical signals was generated to reproduce the signal artifacts in the model. Electrograms from highly detailed bidomain models were used to train a machine learning algorithm to characterize the atrial fibrotic substrate. Features that quantify the complexity of the signals were extracted to identify fibrotic density and fibrotic transmurality. Subsequently, fibrosis maps were generated using patient recordings as a proof of concept. Fibrosis map provides information about the fibrotic substrate without using a single cut-off voltage value of 0.5 mV. Furthermore, in this study, using information theory measurements such as transfer entropy combined with directed graphs, the wave propagation direction was tracked. Transfer entropy with directed graphs provides crucial information during electrophysiology to understand wave propagation dynamics during atrial fibrillation. In conclusion, this thesis presents a multiscale in silico study atrial fibrillation mechanisms providing insight into the cellular mediators responsible for the extracellular matrix remodeling and its electrophysiology. Additionally, it provides a realistic setup to create in silico data that can be translated to clinical applications that could support ablation treatment.Sánchez Arciniegas, JP. (2021). A Multiscale in Silico Study to Characterize the Atrial Electrical Activity of Patients With Atrial Fibrillation. A Translational Study to Guide Ablation Therapy [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171456TESI

Are interactions between epicardial adipose tissue, cardiac fibroblasts and cardiac myocytes instrumental in atrial fibrosis and atrial fibrillation?

Atrial fibrillation is very common among the elderly and/or obese. While myocardial fibrosis is associated with atrial fibrillation, the exact mechanisms within atrial myocytes and surrounding non-myocytes are not fully understood. This review considers the potential roles of myocardial fibroblasts and myofibroblasts in fibrosis and modulating myocyte electrophysiology through electrotonic interactions. Coupling with (myo)fibroblasts in vitro and in silico prolonged myocyte action potential duration and caused resting depolarization; an optogenetic study has verified in vivo that fibroblasts depolarized when coupled myocytes produced action potentials. This review also introduces another non-myocyte which may modulate both myocardial (myo)fibroblasts and myocytes: epicardial adipose tissue. Epicardial adipocytes are in intimate contact with myocytes and (myo)fibroblasts and may infiltrate the myocardium. Adipocytes secrete numerous adipokines which modulate (myo)fibroblast and myocyte physiology. These adipokines are protective in healthy hearts, preventing inflammation and fibrosis. However, adipokines secreted from adipocytes may switch to pro-inflammatory and pro-fibrotic, associated with reactive oxygen species generation. Pro-fibrotic adipokines stimulate myofibroblast differentiation, causing pronounced fibrosis in the epicardial adipose tissue and the myocardium. Adipose tissue also influences myocyte electrophysiology, via the adipokines and/or through electrotonic interactions. Deeper understanding of the interactions between myocytes and non-myocytes is important to understand and manage atrial fibrillation

Applying computational approaches to the understanding of the consequences and opportunities of ion channel properties in atrial fibrillation

Cardiac arrhythmias are disorders of the electrical system of the heart and an often clinically-challenging group of disorders. Atrial fibrillation (AF) is the most common cardiac arrhythmia in the general population; it is associated with significant morbidity and mortality. Available antiarrhythmic drugs (AADs) for the treatment of AF are older molecules with sub- optimal efficacy and safety profiles. Recent advances in basic electrophysiology and the development of sophisticated mathematical modeling approaches could help in expanding our understanding of the basic mechanisms of AF and assist in the development of novel AF- selective AADs. The purpose of this thesis was to utilize computational approaches to the understanding of the consequences and opportunities of ion channel properties, with a special emphasis on AF. The cardiac action potential is the basic functional unit of the electrical system of the heart and is the manifestation of coordinated current fluxes through specialized proteins known as ion channels. Antiarrhythmic drugs act through modulation of ion channel properties. We hypothesized that mathematical modeling could be used to study and optimize the pharmacodynamic properties of AADs for the treatment of AF. We demonstrated that the pharmacodynamic properties (binding/unbinding characteristics) of a state-dependent Na+- channel blocker modulate the drug’s anti-/proarrhythmic actions with inactivated-state blockers being optimally AF-selective. The optimized drug’s selectivity for AF was the result of its rate- selectivity (stronger effects at fast vs slow cardiomyocyte activation rates) with relatively mild atrial-selective (stronger effects in atrial vs ventricular cardiomyocytes) actions. We found that the optimally AF-selective Na+-channel blocker had sub-optimal anti-AF efficacy, but that slightly less selective drugs had favorable AF-termination rates. We then sought to explore potential current-block combinations with synergistic AF- selective properties. Using mathematical modeling and laboratory experiments, we demonstrated that the combination of optimized state-dependent Na+-channel block and K+- channel block had synergistic effects, significantly augmenting AF termination rates for any level of AF-selectivity vs pure Na+-channel block. The mechanisms of these synergistic effects were found to be mediated by the functional interaction between the action potential prolonging- v effects of K+-channel block, the Na+-channel blocker’s voltage-dependent binding/unbinding properties and the Na+ channel’s inactivation characteristics, highlighting the non-linear nature of the cardiac action potential’s dynamics. Traditional K+ currents targeted by AADs have significant ventricular proarrhythmic liabilities. Using recent experimental observations, we updated the mathematic formulation for the inactivation dynamics of the ultra-rapid delayed-rectifier K+ current (IKur), an atrial-specific current. Using this model, we showed that, contrary to what had been proposed in the published literature, IKur rate-dependent properties are mediated by its activation properties with minimal contribution from inactivation, under physiological conditions. We also demonstrated that the contribution of IKur to action potential repolarization is preserved, or even increased, in the setting of electrical remodeling-induced IKur downregulation. Finally, we described the mechanisms of the forward rate-dependent of IKur block, mediated by functional non-linear interactions with the rapid delayed inward-rectifier K+ current (IKr), the only K+ current with such properties. Until recently, fibroblasts were considered to be electrically inactive. More recently, experimental work demonstrated the presence of functional ionic current on the fibroblast and possible cardiomyocyte-fibroblast coupling. Here, we described a novel kind of heart failure- induced electrical remodeling involving the fibroblasts ion channels. This was characterized by downregulation of the fibroblast voltage-dependent K+ current (IKv,fb) and upregulation of the fibroblast inward-rectifier K+ current (IKir,fb). We then implemented our experimental findings into a mathematical model of cardiomyocyte-fibroblast coupling and found fibroblast electrical remodeling to have significant effects on the cardiomyocyte’s electrophysiological properties. In a 2-dimension model of simulated AF, downregulation of IKv,fb had an antiarrhythmic effect whereas IKir,fb upregulation was found to be proarrhythmic. The studies presented here utilized mathematical modeling to study non-linear systems in cardiac electrophysiology to tackle questions that would have been difficult to approach with traditional laboratory-based experimentation. They also showcased how theoretical results can help orient and receive confirmation with subsequent experimental work or, conversely, novel experimental findings results be implemented into a mathematical model to investigate potential consequences. Mathematical modeling is a promising tool to help in studying the complex and vi non-linear effects of pharmacological modulation of ion channel properties and assist in the development of optimized antiarrhythmics for the treatment of AF, a major unmet need in clinical medicine. As models increase in sophistication to better represent the cardiomyocyte’s electrophysiology, they will almost certainly play an ever-growing role in expanding our understanding of the mechanisms of complex arrhythmias.Les arythmies cardiaques représentent une famille de pathologies du système électrique cardiaque. La fibrillation auriculaire (FA), est l’arythmie cardiaque la plus fréquente dans la population générale et est associée à un fardeau de morbidité et mortalité cardiovasculaire important. Les médicaments antiarythmiques utilisées dans le traitement de la FA sont de vieilles molécules avec une efficacité sous-optimale et des effets secondaires importants. Les avancées récentes en électrophysiologie cardiaque fondamentale et le développement d’outils de modélisation mathématique ont le potentiel d’élargir notre compréhension des mécanismes pathophysiologiques en FA et contribuer au développement de nouveaux médicaments antiarythmiques optimisés pour le traitement de la FA. L’objectif global de cette thèse est d’utiliser les méthodes de modélisation mathématique pour étudier les conséquences et opportunités thérapeutiques de la modulation des canaux ioniques cardiaques, avec une emphase sur la FA. Le potentiel d’action cardiaque est l’unité fonctionnelle de base du système électrique cardiaque ; il est le résultat du flux coordonné de courants électriques à travers de protéines spécialisées, les canaux ioniques. Les molécules antiarythmiques agissent à travers la modulation des canaux ioniques cardiaques. Nous avons posé l’hypothèse que des modèles mathématiques pourraient être utilisés pour étudier et optimiser les propriétés pharmacodynamiques d’un médicament antiarythmique pour le traitement de la FA. Nous avons démontré que les propriétés pharmacodynamiques (propriétés de liage et déliage) d’un bloqueur des canaux Na+ état-dépendant modulent les effets anti- et pro-arythmiques de la molécule ; un bloqueur Na+ sélectif pour l’état inactivé du canal serait maximalement FA-sélectif. Cette sélectivité pour la FA est la conséquence de la sélectivité pour la fréquence (effet thérapeutique plus important à des fréquences d’activation du cardiomyocyte élevées vs basses) avec une contribution relativement faible de la sélectivité auriculaire (effet thérapeutique plus important sur les cardiomyocytes auriculaires vs ventriculaires). Par la suite, nous avons exploré des combinaisons de bloqueurs ioniques ayant des propriétés anti-FA synergiques. En utilisant des modèles mathématiques et des expériences en laboratoire, nous avons démontré que la combinaison d’un bloqueur des canaux Na+ et d’un iii bloqueur des canaux K+ a des effets synergiques, augmentant de façon importante l’efficacité anti-FA pour un même degré de sélectivité vs un bloqueur des canaux Na+ seul. Le mécanisme de synergie a été élucidé et consiste d’effets fonctionnels médiés par l’interaction du prolongement de la durée du potentiel d’action causé par le bloque des canaux K+, les propriétés voltage-dépendantes du liage et déliage du bloqueur des canaux Na+ ainsi que des propriétés d’inactivation des canaux Na+, démontrant la nature hautement non-linéaire des dynamiques du potentiel d’action cardiaque. Les courants K+ ciblés par les médicaments antiarythmiques ont des effets proarythmiques ventriculaires importants. En utilisant des données expérimentales récentes, nous avons proposé une formulation mise à jour des dynamiques d’inactivation du courant K+ IKur, un courant auriculo-sélectif. En utilisant ce modèle, nous avons démontré que, contrairement à ce qui avait été précédemment proposé, les propriétés fréquence-dépendantes du courant IKur dépendent de ses caractéristiques d’activation avec une contribution négligeable de ses propriétés d’inactivation, sous conditions physiologiques normales. Nous avons également démontré que la contribution de IKur à la repolarisation du potentiel d’action est maintenue, voir augmentée, dans le contexte de la diminution de IKur en situation de remodelage électrique induit par la FA. Finalement, nous avons décrit le mécanisme qui sous-tend les propriétés fréquence-dépendantes du bloque de IKur, l’unique courant K+ avec de telles caractéristiques. Jusqu’à très récemment, les fibroblastes cardiaques étaient considérés comme électriquement inactifs. Des travaux expérimentaux ont démontré la présence de canaux ioniques sur la surface de ces fibroblastes ainsi que la possibilité de couplage électrique entre cardiomyocytes et fibroblastes. Nous avons décrit un nouveau type de remodelage électrique en situation d’insuffisance cardiaque, le remodelage des courants ioniques des fibroblastes cardiaques. Ce remodelage est caractérisé par une diminution du courant K+ voltage-dépendant IKv,fb et une augmentation du courant K+ IKir,fb. Nous avons par la suite incorporé ces trouvailles expérimentales dans un modèle mathématique simulant l’interaction électrique entre cardiomyocytes et fibroblastes et montré que le remodelage électrique des fibroblastes peut avoir un impact important sur les propriétés électrophysiologiques des cardiomyocytes. Dans iv un modèle 2-dimensionel de FA, nous avons trouvé que la diminution de IKv,fb a un effet antiarythmique alors que l’augmentation de IKir,fb a des effets proarythmiques. Les études ici présentées utilisent les méthodes de modélisation mathématique pour l’étude de systèmes non-linéaires en électrophysiologie cardiaque et aborder des avenues de recherche difficilement accessibles aux méthodes de laboratoire traditionnelles. Elles démontrent également comment des résultats théoriques peuvent orienter et trouver confirmation dans des travaux expérimentaux subséquents ou, à l’inverse, des trouvailles expérimentales peuvent être implémentées dans les modèles mathématiques pour investiguer les conséquences de celles-ci. La modélisation mathématique est un outil prometteur pour l’étude des effets complexes et non-linéaires de la modulation pharmacologique des canaux ioniques et ainsi contribuer au développement de médicaments antiarythmiques optimisés pour le traitement de la FA, un besoin clinique majeur

A Review of Healthy and Fibrotic Myocardium Microstructure Modeling and Corresponding Intracardiac Electrograms

Computational simulations of cardiac electrophysiology provide detailed information on the depolarization phenomena at different spatial and temporal scales. With the development of new hardware and software, in silico experiments have gained more importance in cardiac electrophysiology research. For plane waves in healthy tissue, in vivo and in silico electrograms at the surface of the tissue demonstrate symmetric morphology and high peak-to-peak amplitude. Simulations provided insight into the factors that alter the morphology and amplitude of the electrograms. The situation is more complex in remodeled tissue with fibrotic infiltrations. Clinically, different changes including fractionation of the signal, extended duration and reduced amplitude have been described. In silico, numerous approaches have been proposed to represent the pathological changes on different spatial and functional scales. Different modeling approaches can reproduce distinct subsets of the clinically observed electrogram phenomena. This review provides an overview of how different modeling approaches to incorporate fibrotic and structural remodeling affect the electrogram and highlights open challenges to be addressed in future research

Na+ current expression in human atrial myofibroblasts: identity and functional roles

In the mammalian heart fibroblasts have important functional roles in both healthy conditions and diseased states. During pathophysiological challenges, a closely related myofibroblast cell population emerges, and can have distinct and significant roles.Recently, it has been reported that human atrial myofibroblasts can express a Na+ current, INa. Some of the biophysical properties and molecular features suggest that this INa is due to expression of Nav 1.5, the same Na+ channel α subunit that generates the predominant INa in myocytes from adult mammalian heart. In principle, expression of Nav 1.5 could give rise to regenerative action potentials in the fibroblasts/myofibroblasts. This would suggest an active as opposed to passive role for fibroblasts/myofibroblasts in both the ‘trigger’ and the ‘substrate’ components of cardiac rhythm disturbances.Our goals in this preliminary study were: (i) to confirm and extend the electrophysiological characterization of INa in a human atrial fibroblast/myofibroblast cell population maintained in conventional 2-D tissue culture; (ii) to identify key molecular properties of the α and β subunits of these Na+ channel(s); (iii) to define the biophysical and pharmacological properties of this INa ; (iv) to integrate the available multi-disciplinary data, and attempt to illustrate its functional consequences, using a mathematical model in which the human atrial myocyte is coupled via connexins to fixed numbers of fibroblasts/myofibroblasts in a syncytial arrangement.Our experimental findings confirm that a significant fraction (~40-50%) of these human atrial myofibroblasts can express INa. However, our results suggest that INa may be generated by Nav 1.9, Nav 1.2, and Nav 1.5. Our findings, when complemented with mathematical modeling, provide a background for re-evaluating pharmacological management of supraventricular rhythm disorders, e.g. persistent atrial fibrillation

Computational Modeling of Electrophysiology and Pharmacotherapy of Atrial Fibrillation: Recent Advances and Future Challenges

The pathophysiology of atrial fibrillation (AF) is broad, with components related to the unique and diverse cellular electrophysiology of atrial myocytes, structural complexity, and heterogeneity of atrial tissue, and pronounced disease-associated remodeling of both cells and tissue. A major challenge for rational design of AF therapy, particularly pharmacotherapy, is integrating these multiscale characteristics to identify approaches that are both efficacious and independent of ventricular contraindications. Computational modeling has long been touted as a basis for achieving such integration in a rapid, economical, and scalable manner. However, computational pipelines for AF-specific drug screening are in their infancy, and while the field is progressing quite rapidly, major challenges remain before computational approaches can fill the role of workhorse in rational design of AF pharmacotherapies. In this review, we briefly detail the unique aspects of AF pathophysiology that determine requirements for compounds targeting AF rhythm control, with emphasis on delimiting mechanisms that promote AF triggers from those providing substrate or supporting reentry. We then describe modeling approaches that have been used to assess the outcomes of drugs acting on established AF targets, as well as on novel promising targets including the ultra-rapidly activating delayed rectifier potassium current, the acetylcholine-activated potassium current and the small conductance calcium-activated potassium channel. Finally, we describe how heterogeneity and variability are being incorporated into AF-specific models, and how these approaches are yielding novel insights into the basic physiology of disease, as well as aiding identification of the important molecular players in the complex AF etiology

Regulation of the inositol 1,4,5-trisphosphate receptor 1 (IP3R1) by microRNA-26a in atrial fibrillation

Contexte: La physiopathologie de la fibrillation auriculaire (FA) a été caractérisée par des changements de concentration cellulaire de Ca2+ et des processus connexes menant à l'apparition et au maintien de la maladie. Les récepteurs de trisphosphate d'inositol (IP3R) sont des canaux calciques ligand-dépendants pour lesquels la surexpression dans la FA a été liée à un remodelage cardiaque. Les microARN (miR, miARN), petits ARN non codants, sont d'une longueur d'environ 22 nucléotides et régulent l'expression des gènes par déstabilisation de l'ARN ou inhibition de sa traduction. De plus en plus de preuves ont été apportées sur le rôle des miARN dans la physiopathologie des troubles cardiaques, y compris le remodelage défavorable induit par la FA. Objectif: Notre laboratoire a montré que le niveau nucléaire IP3R1 est régulé à la hausse dans le modèle canin de FA, ce qui produit une augmentation de la charge nucléaire en calcium. Cette étude vise donc à étudier le rôle des miARN dans la régulation d'IP3R1 qui initie et/ou perpétue la FA dans les cardiomyocytes auriculaires du modèle de FA chez le chien. Méthodes: Nous avons utilisé un modèle canin de AF établi par méta-cardiographie auriculaire pendant 600 bpm × une semaine; des cœurs perfusés par Langendorff pour isoler les cardiomyocytes auriculaires pour des expériences moléculaires; le criblage des miRs qui ciblent le gène ITPR1, codant IP3R1, en utilisant des bases de données en ligne; RT-qPCR pour mesurer l'expression de l'ARNm de ITPR1 et confirmer le niveau d'expression des miARN criblés; l'analyse Western Blot pour évaluer le niveau de protéine d’IP3R1; le test de la double luciférase reporter, la surexpression et l'abattement des miARN en culture primaire de cardiomyocytes isolées ou de lignées cellulaires appropriées; et l'imagerie par fluorescence calcique Fluo-4 AM pour évaluer le rôle potentiel des miARN sur la manipulation du Ca2+. Pour les expériences de manipulation des miARN, les cellules ont été transfectées avec 1) un miARN non codant (miR-NC, groupe témoin), 2) un miARN mimétique et 3) un inhibiteur du miARN (AMO). La signification statistique est calculée avec le test t de Student ou l'analyse unidirectionnelle de variance (ANOVA) suivie par le test de Tukey à comparaisons multiples en utilisant le logiciel GraphPad Prism version 6.00. Résultats: Nos données indiquent une augmentation du niveau de la protéine IP3R1 sans changement apparent de l'expression du gène ITPR1 dans les cardiomyocytes de l'oreillette gauche par rapport à notre modèle canin de FA. Sur la base de l'analyse informatique, il a été prédit que miR-26a ciblerait l'ARNm de l'ITPR1. La FA a considérablement réduit la régulation du miR-26a dans les cardiomyocytes de l'oreillette gauche. Le dosage de la double luciférase reporté dans les cellules H9C2 a montré que le miR-26a agissait directement sur la région non traduite 3′ (3′UTR) de l'ARNm ITPR1. De plus, la surexpression de miR-26a a réduit le niveau de la protéine IP3R1 et a diminué le taux diastolique [Ca2+] dans le noyau et le cytosol des cardiomyocytes de chien, des transistors de Ca2+ stimulés électriquement; tandis que le knockdown de miR-26a a inversé ces effets. L'expression de l'ARNm de l'ITPR1 est restée inchangée dans les cardiomyocytes de chien isolées après la transfection avec l'imitateur et l'inhibiteur de l'ARNm. Conclusion: La régulation à la hausse d'IP3R1 dans la FA est due à l'inhibition de la traduction par le miR-26a, qui est régulé à la baisse dans les cardiomyocytes auriculaires du modèle canin de FA. Ce changement est associé à une altération de la manipulation du Ca2+, qui se traduit par une augmentation des taux de Ca2+ diastolique nucléaire. Nos résultats suggèrent que la régulation à la baisse de miR-26a augmente l'expression de l’IP3R1, contribuant au remodelage pro-arythmique dans la FA.Background: The pathophysiology of atrial fibrillation (AF) has been characterized by changes in the cellular concentration of Ca2+ and related processes leading to the initiation and maintenance of the condition. Inositol trisphosphate-receptors (IP3Rs) are ligand-gated calcium channels for which overexpression in AF has been linked to cardiac remodeling. microRNA (miR, miRNA)s, small non-coding RNAs, are around 22 nucleotides in length and regulate gene expression by mRNA destabilization or inhibition of its translation. A growing body of evidence has emerged about miRNA's role in the pathophysiology of cardiac disorders, including AF-induced adverse remodeling. Objective: Our laboratory has shown that nuclear IP3R1 level is upregulated in the dog AF model, producing increased nuclear calcium loading. Hence, this study aims to investigate the role of miRNAs in the regulation of IP3R1 initiating and/or perpetuating AF in atrial cardiomyocytes of the dog AF model. Methods: We used AF dog model established by atrial-tachypacing for 600 bpm × one week; Langendorff-perfused hearts to isolate atrial cardiomyocytes for molecular experiments; screening miRs that target ITPR1 gene, encoding IP3R1, using online databases; RT-qPCR to measure ITPR1 mRNA expression and confirm the expression level of the screened miRNAs; western blot analysis to evaluate the protein level of IP3R1; dual-luciferase reporter assay, overexpression and knockdown of miRNAs in primary culture of isolated cardiomyocytes or appropriate cell lines; and Fluo-4 AM calcium fluorescence imaging to assess the potential role of the miRNA on Ca2+ handling. For miRNA manipulation experiments, cells were transfected with 1) non-coding miRNA (miR-NC, control group), 2) miRNA mimic, and 3) inhibitor of the miRNA (AMO). Statistical significance is calculated with Student's t-test or one-way analysis of variance (ANOVA) followed by Tukey's multiple comparisons test using GraphPad Prism software version 6.00. Results: Our data indicated a rise in IP3R1 protein level with no apparent change in ITPR1 gene expression in left atrial cardiomyocytes from our dog AF model. Based on the computational analysis, miR-26a was predicted to target the ITPR1 mRNA. AF significantly downregulated miR-26a in left atrial cardiomyocytes. The dual-luciferase reporter assay in H9C2 cells showed that miR-26a directly acted on the 3′ untranslated region (3′UTR) of ITPR1 mRNA. In addition, miR-26a overexpression reduced the IP3R1 protein level and decreased the diastolic [Ca2+] in both nucleus and cytosol of the electrically-stimulated Ca2+ -transients, dog cardiomyocytes, while miR-26a knockdown reversed these effects. ITPR1 mRNA expression remained unaltered in isolated dog cardiomyocytes after transfection with the miRNA mimic and inhibitor. Conclusion: IP3R1 upregulation in AF is due to translation inhibition by miR-26a, which is downregulated in the atrial cardiomyocytes of the dog AF model. This change is associated with altered Ca2+ handling, reflected as enhanced nuclear diastolic Ca2+ levels. Our results suggest that miR-26a downregulation enhances the IP3R1 expression, contributing to pro-arrhythmic remodeling in AF

Circ Res

Atrial fibrillation (AF) is the most common sustained arrhythmia in humans. The mechanisms that govern AF initiation and persistence are highly complex, of dynamic nature, and involve interactions across multiple temporal and spatial scales in the atria. This article aims to review the mathematical modeling and computer simulation approaches to understanding AF mechanisms and aiding in its management. Various atrial modeling approaches are presented, with descriptions of the methodological basis and advancements in both lower-dimensional and realistic geometry models. A review of the most significant mechanistic insights made by atrial simulations is provided. The article showcases the contributions that atrial modeling and simulation have made not only to our understanding of the pathophysiology of atrial arrhythmias, but also to the development of AF management approaches. A summary of the future developments envisioned for the field of atrial simulation and modeling is also presented. The review contends that computational models of the atria assembled with data from clinical imaging modalities that incorporate electrophysiological and structural remodeling could become a first line of screening for new AF therapies and approaches, new diagnostic developments, and new methods for arrhythmia prevention.DP1 HL123271/HL/NHLBI NIH HHS/United StatesDP1HL123271/DP/NCCDPHP CDC HHS/United States2015-04-25T00:00:00Z24763468PMC4043630vault:242