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 /

Characterization of Spatiooral Cardiac Action Potential Variability at Baseline and under ß-Adrenergic Stimulation by Combined Unscented Kalman Filter and Double Greedy Dimension Reduction

Objective: Elevated spatiooral variability of human ventricular repolarization has been related to increased risk for ventricular arrhythmias and sudden cardiac death, particularly under ß-adrenergic stimulation (ß-AS). This work presents a methodology for theoretical characterization of temporal and spatial repolarization variability at baseline conditions and in response to ß-AS. For any measured voltage trace, the proposed methodology estimates the parameters and state variables of an underlying human ventricular action potential (AP) model by combining Double Greedy Dimension Reduction (DGDR) with automatic selection of biomarkers and the Unscented Kalman Filter (UKF). Such theoretical characterization can facilitate subsequent characterization of underlying variability mechanisms. Material and Methods: Given an AP trace, initial estimates for the ionic conductances in a stochastic version of the baseline human ventricular O'Hara et al. model were obtained by DGDR. Those estimates served to initialize and update model parameter estimates by the UKF method based on formulation of an associated nonlinear state-space representation and joint estimation of model parameters and state variables. Similarly, ß-AS-induced phosphorylation levels of cellular substrates were estimated by the DGDR-UKF methodology. Performance was tested by building an experimentally-calibrated population of virtual cells, from which synthetic AP traces were generated for baseline and ß-AS conditions. Results: The combined DGDR-UKF methodology led to 25% reduction in the error associated with estimation of ionic current conductances at baseline conditions and phosphorylation levels under ß-AS with respect to individual DGDR and UKF methods. This improvement was not at the expense of higher computational load, which was diminished by 90% with respect to the individual UKF method. Both temporal and spatial AP variability of repolarization were accurately characterized by the DGDR-UKF methodology. Conclusions: A combined DGDR-UKF methodology is proposed for parameter and state variable estimation of human ventricular cell models from available AP traces at baseline and under ß-AS. This methodology improves the estimation performance and reduces the convergence time with respect to individual DGDR and UKF methods and renders a suitable approach for computational characterization of spatiooral repolarization variability to be used for ascertainment of variability mechanisms and its relation to arrhythmogenesis

Mathematical modeling approaches for the diagnosis and treatment of reentrant atrial tachyarrhythmias

[EN] Atrial tachyarrhythmias present a high prevalence in the developed world, and several studies predict that in the coming decades it will be increased. Micro or macro-reentrant mechanisms of the electrical wavefronts that govern the mechanical behavior of the heart are one of the main responsibles for the maintenance of these arrhythmias. Atrial flutter is maintained by a macro-reentry around an anatomical or functional obstacle located in the atria. In the case of atrial fibrillation, the hypothesis which describes high frequency rotors as dominant sources of the fibrillation and responsible for the maintenance of the arrhythmia, has been gaining relevance in the last years. However, the therapies that target high frequency sources have a limited efficacy with current techniques. Radiofrequency ablation allows the destruction of parts of the cardiac tissue resulting in the interruption of the reentrant circuit in case of macro-reentries or the isolation of micro-reentrant circuits. The non-invasive location of reentrant circuits would increment the efficacy of these therapies and would shorten surgery interventions. In parallel, pharmacological therapies modify ionic expressions associated to the excitability and electrical refractoriness of the cardiac tissue with the objective of hindering the maintenance of reentrant behaviors. These therapies require a deep knowledge of the ionic mechanisms underlying the reentrant behavior and its properties in order to be effective. The research in these mechanisms allows the evaluation of new targets for the treatment and thus may improve the efficacy in atrial fibrillation termination. In this thesis, mathematical modeling is used to go forward in the minimization of the limitations associated to these treatments. Body surface potential mapping has been evaluated, both clinically and by means of mathematical simulations for the diagnosis and location of macro-reentrant circuits. The analysis of phase maps obtained from multiple lead electrocardiographic recordings distributed in the whole torso allowed the discrimination between different reentrant circuits. It is the reason why this technique is presented as a tool for the non-invasive location of macro and micro-reentrant circuits. A population of mathematical models designed in this thesis based on the action potentials recordings of atrial cardiomyocites from 149 patients, allowed the evaluation of the ionic mechanisms defining the properties of reentrant behaviors. This study has allowed us defining the blockade of ICaL as a target for the pharmacological treatment. The blockade of this current is associated with the increase of the movement in the core of the rotor which easies the collision of the rotor with other wavefronts or anatomical obstacles promoting the extinction of the reentry. The variability observed between patients modeled in our population has allowed showing and explaining the mechanisms promoting divergent results of a single treatment. This is why the introduction of populations of models will allow the prevention of side effects associated to inter-subject variability and to go forward in the development of individualized therapies. These works are built through a simulation platform of cardiac electrophysiology based in Graphic Processing Units (GPUs) and developed in this thesis. The platform allows the simulation of cellular models, tissues and organs with a realistic geometry and shows features comparable to that of the platforms used by the most relevant electrophysiology research groups at the moment.[ES] Las taquiarritmias auriculares tienen una alta prevalencia en el mundo desarrollado, además diversos estudios poblacionales indican que en las próximas décadas ésta se verá incrementada. Los mecanismos de micro o macro-reentrada de los frentes de onda eléctricos que rigen el comportamiento mecánico del corazón, se presentan como una de las principales causas del mantenimiento de estas arritmias. El flutter auricular es mantenido por un macro-reentrada alrededor de un obstáculo anatómico o funcional en las aurículas, mientras que en el caso de la fibrilación auricular la hipótesis que define a los rotores de alta frecuencia como elementos dominantes y responsables del mantenimiento de la arritmia se ha ido imponiendo al resto en los últimos años. Sin embargo, las terapias que tienen como objetivo finalizar o aislar estas reentradas tienen todavía una eficacia limitada. La ablación por radiofrecuencia permite eliminar zonas del tejido cardiaco resultando en la interrupción del circuito de reentrada en el caso de macro-reentradas o el aislamiento de comportamientos micro-reentrantes. La localización no invasiva de los circuitos reentrantes incrementaría la eficacia de estas terapias y reduciría la duración de las intervenciones quirúrgicas. Por otro lado, las terapias farmacológicas alteran las expresiones iónicas asociadas a la excitabilidad y la refractoriedad del tejido con el fin de dificultar el mantenimiento de comportamientos reentrantes. Este tipo de terapias exigen incrementar el conocimiento de los mecanismos subyacentes que explican el proceso de reentrada y sus propiedades, la investigación de estos mecanismos permite definir las dianas terapéuticas que mejoran la eficacia en la extinción de estos comportamientos. En esta tesis el modelado matemático se utiliza para dar un paso importante en la minimización de las limitaciones asociadas a estos tratamientos. La cartografía eléctrica de superficie ha sido testada, clínicamente y con simulaciones matemática,s como técnica de diagnóstico y localización de circuitos macro-reentrantes. El análisis de mapas de fase obtenidos a partir de los registros multicanal de derivaciones electrocardiográficas distribuidas en la superficie del torso permite diferenciar distintos circuitos de reentrada. Es por ello que esta técnica de registro y análisis se presenta como una herramienta para la localización no invasiva de circuitos macro y micro-reentrantes. Una población de modelos matemáticos, diseñada en esta tesis a partir de los registros de los potenciales de acción de 149 pacientes, ha permitido evaluar los mecanismos iónicos que definen las propiedades asociadas a los procesos de reentrada. Esto ha permitido apuntar al bloqueo de la corriente ICaL como diana terapéutica. Ésta se asocia al incremento del movimiento del núcleo que facilita el impacto del rotor con otros frentes de onda u obstáculos extinguiéndose así el comportamiento reentrante. La variabilidad entre pacientes reflejada en la población de modelos ha permitido además mostrar los mecanismos por los cuales un mismo tratamiento puede mostrar efectos divergentes, así el uso de poblaciones de modelos matemáticos permitirá prevenir efectos secundarios asociados a la variabilidad entre pacientes y profundizar en el desarrollo de terapias individualizadas. Estos trabajos se cimientan sobre una plataforma de simulación de electrofisiología cardiaca de basado en Unidades de Procesado Gráfico (GPUs) y desarrollada en esta tesis. La plataforma permite la simulación de modelos celulares cardiacos así como de tejidos u órganos con geometría realista, mostrando unas prestaciones comparables con las de las utilizadas por los grupos de investigación más potentes en el campo de la electrofisiología.[CA] Les taquiarítmies auriculars tenen una alta prevalença en el món desenvolupat, a més diversos estudis poblacionals indiquen que en les pròximes dècades aquesta es veurà incrementada. Els mecanismes de micro o macro-reentrada dels fronts d'ona elèctrics que regeixen el comportament mecànic del cor, es presenten com una de les principals causes del manteniment d'aquestes arítmies. El flutter auricular és mantingut per una macro-reentrada al voltant d'un obstacle anatòmic o funcional en les aurícules, mentre que en el cas de la fibril·lació auricular la hipòtesi que defineix als rotors d'alta freqüència com a elements dominants i responsables del manteniment de l'arítmia s'ha anat imposant a la resta en els últims anys. No obstant això, les teràpies que tenen com a objectiu finalitzar o aïllar aquestes reentrades tenen encara una eficàcia limitada. L'ablació per radiofreqüència permet eliminar zones del teixit cardíac resultant en la interrupció del circuit de reentrada en el cas de macro-reentrades o l'aïllament de comportaments micro-reentrants. La localització no invasiva dels circuits reentrants incrementaria l'eficàcia d'aquestes teràpies i reduiria la durada de les intervencions quirúrgiques. D'altra banda, les teràpies farmacològiques alteren les expressions iòniques associades a la excitabilitat i la refractaritat del teixit amb la finalitat de dificultar el manteniment de comportaments reentrants. Aquest tipus de teràpies exigeixen incrementar el coneixement dels mecanismes subjacents que expliquen el procés de reentrada i les seues propietats, la recerca d'aquests mecanismes permet definir les dianes terapèutiques que milloren l'eficàcia en l'extinció d'aquests comportaments. En aquesta tesi el modelatge matemàtic s'utilitza per a fer un pas important en la minimització de les limitacions associades a aquests tractaments. La cartografia elèctrica de superfície ha sigut testada, clínicament i amb simulacions matemàtiques com a tècnica de diagnòstic i localització de circuits macro-reentrants. L'anàlisi de mapes de fase obtinguts a partir dels registres multicanal de derivacions electrocardiogràfiques distribuïdes en la superfície del tors permet diferenciar diferents circuits de reentrada. És per açò que aquesta tècnica de registre i anàlisi es presenta com una eina per a la localització no invasiva de circuits macro i micro-reentrants. Una població de models matemàtics, dissenyada en aquesta tesi a partir dels registres dels potencials d'acció de 149 pacients, ha permès avaluar els mecanismes iònics que defineixen les propietats associades als processos de reentrada. Açò ha permès apuntar al bloqueig del corrent ICaL com a diana terapèutica. Aquesta s'associa a l'increment del moviment del nucli que facilita l'impacte del rotor amb altres fronts d'ona o obstacles extingint-se així el comportament reentrant. La variabilitat entre pacients reflectida en la població de models ha permès a més mostrar els mecanismes pels quals un mateix tractament pot mostrar efectes divergents, així l'ús de poblacions de models matemàtics permetrà prevenir efectes secundaris associats a la variabilitat entre pacients i aprofundir en el desenvolupament de teràpies individualitzades. Aquests treballs es fonamenten sobre una plataforma de simulació de electrofisiologia cardíaca basat en Unitats de Processament Gràfic (GPUs) i desenvolupada en aquesta tesi. La plataforma permet la simulació de models cel·lulars cardíacs així com de teixits o òrgans amb geometria realista, mostrant unes prestacions comparables amb les de les utilitzades per els grups de recerca més importants en aquesta área.Liberos Mascarell, A. (2016). Mathematical modeling approaches for the diagnosis and treatment of reentrant atrial tachyarrhythmias [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62166TESI

Modeling Human Atrial Patho-Electrophysiology from Ion Channels to ECG - Substrates, Pharmacology, Vulnerability, and P-Waves

Half of the patients suffering from atrial fibrillation (AF) cannot be treated adequately, today. This thesis presents multi-scale computational methods to advance our understanding of patho-mechanisms, to improve the diagnosis of patients harboring an arrhythmogenic substrate, and to tailor therapy. The modeling pipeline ranges from ion channels on the subcellular level up to the ECG on the body surface. The tailored therapeutic approaches carry the potential to reduce the burden of AF

Modeling Human Atrial Patho-Electrophysiology from Ion Channels to ECG - Substrates, Pharmacology, Vulnerability, and P-Waves

Half of the patients suffering from atrial fibrillation (AF) cannot be treated adequately, today. This book presents multi-scale computational methods to advance our understanding of patho-mechanisms, to improve the diagnosis of patients harboring an arrhythmogenic substrate, and to tailor therapy. The modeling pipeline ranges from ion channels on the subcellular level up to the ECG on the body surface. The tailored therapeutic approaches carry the potential to reduce the burden of AF

Modeling Human Atrial Patho-Electrophysiology from Ion Channels to ECG - Substrates, Pharmacology, Vulnerability, and P-Waves

Half of the patients suffering from atrial fibrillation (AF) cannot be treated adequately, today. This book presents multi-scale computational methods to advance our understanding of patho-mechanisms, to improve the diagnosis of patients harboring an arrhythmogenic substrate, and to tailor therapy. The modeling pipeline ranges from ion channels on the subcellular level up to the ECG on the body surface. The tailored therapeutic approaches carry the potential to reduce the burden of AF

The human cardiac ryanodine receptor gating behaviour: a study of mechanisms

Rhythmic contraction of cardiac myocytes is maintained by precisely controlled Ca2+ efflux from intracellular stores mediated by the cardiac ryanodine receptor (RyR2). Mutations in RyR2 result in perturbed Ca2+ release that can trigger arrhythmias. RyR2- dependent ventricular tachyarrhythmia is an important cause of sudden cardiac death, the mechanistic basis of which remains unclear. RyR2 dysfunction has also been implicated in other cardiovascular disorders such as heart failure and cardiomyopathy, thereby becoming an important target for putative drugs. The massive size of RyR2 (~2.2 MDa) along with its intracellular location poses considerable challenges to studies aimed at understanding the mechanisms underlying channel dysfunction. Single channel studies of reconstituted RyR2 in artificial lipid bilayers have provided important insights into channel behaviour in response to various physiological ligands, toxins, drugs and biochemical modifications. However, the precise mechanisms by which RyR2 is activated by its primary physiological trigger, cytosolic Ca2+, and the structural determinants of channel gating are yet unknown. In this study, I aim to understand the actual physical reality of RyR2 gating behaviour using novel experimental approaches and analytical procedures. I have examined in detail, single channel kinetics of wild type purified recombinant human RyR2 (hRyR2) when activated by cytosolic Ca2+ in a precisely regulated minimal environment where the modulatory influence of factors external to the channel were minimised. This mathematical modelling of hRyR2 single channel behaviour will serve as a future experimental platform upon which the effects of disease causing mutations can be studied, as well as the influence of physiological modulators and potentially therapeutic compounds capable of stabilising mutant channel function. Single channel studies of hRyR2 when modified by its archetypal ligand ryanodine in the absence of Ca2+ have uncovered an unusual voltage sensitive gating behaviour in this ligand-gated channel, providing further insights into the mechanisms underlying channel modification

Electrocardiogram Signal Analysis and Simulations for Non-Invasive Diagnosis - Model-Based and Data-Driven Approaches for the Estimation of Ionic Concentrations and Localization of Excitation Origins

Das Elektrokardiogramm (EKG) ist die Standardtechnik zur Messung der elektrischen Aktivität des Herzens. EKG-Geräte sind verfügbar, kostengünstig und erlauben zudem eine nichtinvasive Messung. Das ist insbesondere wichtig für die Diagnose von kardiovaskulären Erkrankungen (KVE). Letztere sind mit verursachten Kosten von 210 Milliarden Euro eine der Hauptbelastungen für das Gesundheitssystem in Europa und dort der Grund für 3,9 Millionen Todesfälle – dies entspricht 45% aller Todesfälle. Neben weiteren Risikofaktoren spielen chronische Nierenerkrankungen und strukturelle Veränderungen des Herzgewebes eine entscheidende Rolle für das Auftreten von KVE. Deshalb werden in dieser Arbeit zwei Pathologien, die in Verbindung zu KVE stehen, betrachtet: Elektrolytkonzentrationsveränderungen bei chronisch Nierenkranken und ektope Foki, die autonom Erregungen iniitieren. In beiden Projekten ist die Entwicklung von Methoden mithilfe von simulierten Signalen zur Diagnoseunterstützung das übergeordnete Ziel. Im ersten Projekt helfen simulierte EKGs die Signalverarbeitungskette zur EKG-basierten Schätzung der Ionenkonzentrationen von Kalium und Calcium zu optimieren. Die Erkenntnisse dieser Optimierung fließen in zwei patienten-spezifische Methoden zur Kaliumkonzentrationsschätzung ein, die wiederum mithilfe von Patientendaten ausgewertet werden. Die Methoden lieferten im Mittel einen absoluten Fehler von 0,37 mmol/l für einen patienten-spezifischen Ansatz und 0,48 mmol/l für einen globalen Ansatz mit zusätzlicher patienten-spezifischer Korrektur. Die Vorteile der Schätzmethoden werden gegenüber bereits existierender Ansätze dargelegt. Alle entwickelten Algorithmen sind ferner unter einer Open-Source-Lizenz veröffentlicht. Das zweite Projekt zielte auf die Lokalisierung von ektopen Foki mithilfe des EKGs ohne die Nutzung der individuellen Patientengeometrie. 1.766.406 simulierte EKG-Signale (Body Surface Potential Maps (BSPMs)) wurden zum Trainieren von zwei Convolutional Neural Networks (CNNs) erzeugt. Das erste CNN sorgt für die Schätzung von Anfang und Ende der Depolarisation der Ventrikel. Das zweite CNN nutzt die Information der Depolarisation im BSPM zur Schätzung des Erregungsurpsrungs. Der spezielle Aufbau des CNNs ermöglicht die Darstellung mehrerer Lösungen, wie sie durch Mehrdeutigkeiten im BSPM vorliegen können. Der kleinste Median des Lokalisierungsfehlers lag bei 1,54 mm für den Test-Datensatz der simulierten Signale, bzw. bei 37 mm für Patientensignale. Somit erlaubt die Kombination beider CNNs die verlässliche Lokalisierung von ektopen Foki auch anhand von Patientendaten, obwohl Patientendaten vorher nicht im Training genutzt wurden. Die Resultate dieser zwei Projekte demonstrieren, wie EKG-Simulationen zur Entwicklung und Verbesserung von EKG-Signalverarbeitungsmethoden eingesetzt werden und bei der Diagnosefindung helfen können. Zudem zeigt sich das Potential der Kombination von Simulationen und CNNs, um einerseits die zumeist raren klinischen Signale zu ersetzen und andererseits Modelle zu finden, die für mehrere Patienten/-innen gültig sind. Die vorgestellten Methoden bergen die Möglichkeit, die Diagnosestellungen zu beschleunigen und mit hoher Wahrscheinlichkeit den Therapieerfolg der Patienten zu verbessern

Does the small conductance Ca2+-activated K+ current (ISK) flow under physiological conditions in rabbit and human atrial isolated cardiomyocytes?

Background: Small conductance Ca2+-activated K+ current (ISK) may change cardiac atrial action potentials (AP) in response to altered [Ca2+]i; a potential therapeutic target for treating atrial fibrillation (AF). However, the contribution of ISK to atrial APs under physiological conditions is unclear. Furthermore, ISK may be enhanced in ventricles by heart failure, but whether by [Ca2+]i elevation in the non-failing ventricle is unknown. Aims: To test whether ISK flows under normal or increased global Ca2+]i, or with sub-sarcolemmal [Ca2+]i increase from APs in human and rabbit atrial cells. Also, to test an ISK blocker, ICAGEN (ICA), on rabbit left ventricular (LV) ion currents under [Ca2+]i elevation from Na+/Ca2+-exchanger (INa/Ca) stimulation. Methods: Myocytes were isolated enzymatically from hearts removed from anaesthetised rabbits, and from atrial tissues from consenting patients undergoing cardiac surgery. Whole-cell patch clamp (37°C) was used to record ion currents and APs (at 1, 2 or 3Hz), with [Ca2+]i measured using Fura-2. Results: A positive control tested stability/timing of K+ current (IK1) block: Ba2+(0.5 mM) significantly and reversibly decreased inward IK1 (at-115 mV) in 94% of LV cells, from -38.9±5.9 to -12.9±4.5 pA/pF (by 67%), and in 92% of atrial cells, by 43% (P0.05) at any [Ca2+]i, in rabbit or human (5-26 cells, 7-11 rabbits, 3-4 patients). APs recorded at 1 Hz (rabbit) were prolonged by 4-AP (ITO blocker; positive control): action potential depolarization at 30% repolarization (APD30) by 72%, at 70% repolarization (APD70) by 31%. By contrast, ICA (1 µM) had no effect on APD30-90, maximum diastolic potential (MDP), or Vmax, in human or rabbit. ICA at 10 µM (non-specific) increased APD70-90 vs time-matched controls. At 2 or 3 Hz, 1 µM ICA again had no effect on APs. In rabbit LV cells, stimulating INa/Ca increased [Ca2+]i (up to 2.8 µM) and inward /outward currents. ICA (1 µM) had no effect on [Ca2+]i or currents, whereas subsequent NiCl2 (10 mM; INa/Ca blocker) decreased them. By contrast, ICA 10 µM decreased outward (by 35%) and inward (49%) current, and [Ca2+]i (77%), with no effect of subsequent NiCl2. Conclusions: In rabbit and human atrial isolated myocytes, ISK may not flow under physiological conditions, nor during short bursts of supra-physiological stimulation, so atrial ISK activation (and thus its potential pharmacological inhibition during AF) may require changes to cellular electrophysiology or cell signalling systems to develop a sensitivity to ISK iii block. Furthermore, in non-failing LV myocytes, 1 µM ICA-sensitive ISK may not be activated by [Ca2+]i-elevation, and high ICA conc. may inhibit INa/Ca