Обчислювальна модель електрофізіологічних властивостей кардіоміоцитів


Анотація

В даному дослідженні метод електричних аналогій був використаний для аналізу біоелектричних динамічних процесів у кардіоміоцитах. Цей метод дозволив замінити вивчення явищ у неелектричних системах дослідженнями аналогічних явищ в електричних колах. Вивчення часових процесів у серцевих клітинах грунтувалось на дослідженні системи звичайних диференціальних рівнянь для електричної схеми, реакції якої є аналогічними процесам в клітинах серця. У цьому дослідженні основна увага приділена комп'ютерному моделюванню електричної активності серця на клітинному рівні. У роботі вивчено електрофізіологічні властивості кардіоміоцитів: рефрактерний період, максимальна швидкість захоплення та електрична реституція. Обчислювальне моделювання потенціалу дії та струмів для іонів $K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$ у кардіоміоцитах проведено за допомогою моделі паралельних провідностей. Ця модель ґрунтується на припущенні про наявність незалежних каналів для іонів $K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$, а також їх витоку через мембрану серцевої клітини. Кожна гілка електричного кола моделі відображає внесок одного типу іонів у загальний мембранний струм. У роботі досліджено криві електричної реституції для кардіоміоцитів шлуночків та передсердь. Запропонована модель дозволила ідентифікувати на кривих реституції ділянки з максимальним нахилом, які мають вирішальне значення у розвитку серцевих аритмій. Отримано залежність середнього значення кальцієвого струму від частоти стимуляції для кардіоміоцитів передсердь та шлуночків. Аналіз кінетики іонів кальцію за різними протоколами зовнішніх впливів може бути корисним для прогнозування скорочувальної сили кардіоміоцитів. Результати розрахунків можна буде застосувати для інтерпретації експериментальних результатів, що отримано в дослідженнях кардіоміоцитів з використанням технології ``лабораторія на чіпі'', а також в розробці нових експериментів з кардіоміоцитами для скринінгу ліків, клітинної терапії та персоналізованих досліджень хвороб серця.

Бібліографічний опис

 
ДСТУ ГОСТ 7.1:2006 У транслітерації (формат Harvard)
 
Ivanushkina, N. G. A Computational Model of Electrophysiological Properties of Cardiomyocytes / Ivanushkina, N. G., Ivan'ko, E. O., Prokopenko, Yu. V., Redaelli, A., Tymofieiev, V. I., Visone, R. // Visn. NTUU KPI, Ser. Radioteh. radioaparatobuduv. – 2018. – № 72. – с. 69-77. Ivanushkina, N. G., Ivan'ko, E. O., Prokopenko, Yu. V., Redaelli, A., Tymofieiev, V. I., Visone, R. (2018) A Computational Model of Electrophysiological Properties of Cardiomyocytes. Visn. NTUU KPI, Ser. Radioteh. radioaparatobuduv., no. 72, pp. 69-77.
 

Повний текст:


Посилання


Olson H.F. (2005) Dynamical Analogies. Van Nostrand's Scientific Encyclopedia. DOI: 10.1002/0471743984.vse2719

Sigorskii V.P. (1977) Matematicheskii apparat inzhenera [The mathematical tools of the engineer], Kiev, Tekhnika Publ., 768 p. (in Russian)

Hogan N. and Breedveld P. (2005) The Physical Basis of Analogies in Physical System Models. Mechatronics, pp. 8-1. DOI: 10.1201/9781420037241.ch8

Fu K., Moreno D., Yang M. and Wood K.L. (2014) Bio-Inspired Design: An Overview Investigating Open Questions From the Broader Field of Design-by-Analogy. Journal of Mechanical Design, Vol. 136, Iss. 11, pp. 111102. DOI: 10.1115/1.4028289

Glier M.W., McAdams D.A. and Linsey J.S. (2011) Concepts in Biomimetic Design: Methods and Tools to Incorporate Into a Biomimetic Design Course. Volume 7: 5th International Conference on Micro- and Nanosystems; 8th International Conference on Design and Design Education; 21st Reliability, Stress Analysis, and Failure Prevention Conference. DOI: 10.1115/detc2011-48571

Hodgkin A.L. and Huxley A.F. (1952) A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. The Journal of Physiology, Vol. 117, Iss. 4, pp. 500. DOI: 10.1113/jphysiol.1952.sp004764

Ellis B.W., Acun A., Can U.I. and Zorlutuna P. (2017) Human iPSC-derived myocardium-on-chip with capillary-like flow for personalized medicine. Biomicrofluidics, Vol. 11, Iss. 2, pp. 024105. DOI: 10.1063/1.4978468

Liang P., Lan F., Lee A.S., Gong T., Sanchez-Freire V., Wang Y., Diecke S., Sallam K., Knowles J.W., Wang P.J., Nguyen P.K., Bers D.M., Robbins R.C. and Wu J.C. (2013) Drug Screening Using a Library of Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes Reveals Disease-Specific Patterns of Cardiotoxicity. Circulation, Vol. 127, Iss. 16, pp. 1677. DOI: 10.1161/circulationaha.113.001883

Robinton D.A. and Daley G.Q. (2012) The promise of induced pluripotent stem cells in research and therapy. Nature, Vol. 481, Iss. 7381, pp. 295. DOI: 10.1038/nature10761

Zwi L., Caspi O., Arbel G., Huber I., Gepstein A., Park I. and Gepstein L. (2009) Cardiomyocyte Differentiation of Human Induced Pluripotent Stem Cells. Circulation, Vol. 120, Iss. 15, pp. 1513. DOI: 10.1161/circulationaha.109.868885

Ma J., Guo L., Fiene S.J., Anson B.D., Thomson J.A., Kamp T.J., Kolaja K.L., Swanson B.J. and January C.T. (2011) High purity human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes: electrophysiological properties of action potentials and ionic currents. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, Vol. 301, Iss. 5, pp. H2006. DOI: 10.1152/ajpheart.00694.2011

Richardson E.S. and Xiao Y. (2010) Electrophysiology of Single Cardiomyocytes: Patch Clamp and Other Recording Methods. Cardiac Electrophysiology Methods and Models, pp. 329. DOI: 10.1007/978-1-4419-6658-2_16

Blazeski A., Zhu R., Hunter D.W., Weinberg S.H., Boheler K.R., Zambidis E.T. and Tung L. (2012) Electrophysiological and contractile function of cardiomyocytes derived from human embryonic stem cells. Progress in Biophysics and Molecular Biology, Vol. 110, Iss. 2-3, pp. 178. DOI: 10.1016/j.pbiomolbio.2012.07.012

Lee P., Klos M., Bollensdorff C., Hou L., Ewart P., Kamp T.J., Zhang J., Bizy A., Guerrero-Serna G., Kohl P., Jalife J. and Herron T.J. (2012) Simultaneous Voltage and Calcium Mapping of Genetically Purified Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiac Myocyte Monolayers. Circulation Research, Vol. 110, Iss. 12, pp. 1556. DOI: 10.1161/circresaha.111.262535

Shinnawi R., Huber I., Maizels L., Shaheen N., Gepstein A., Arbel G., Tijsen A. and Gepstein L. (2015) Monitoring Human-Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes with Genetically Encoded Calcium and Voltage Fluorescent Reporters. Stem Cell Reports, Vol. 5, Iss. 4, pp. 582. DOI: 10.1016/j.stemcr.2015.08.009

Hansen A., Eder A., Bonstrup M., Flato M., Mewe M., Schaaf S., Aksehirlioglu B., Schworer A., Uebeler J. and Eschenhagen T. (2010) Development of a Drug Screening Platform Based on Engineered Heart Tissue. Circulation Research, Vol. 107, Iss. 1, pp. 35. DOI: 10.1161/circresaha.109.211458

Werdich A.A., Lima E.A., Ivanov B., Ges I., Anderson M.E., Wikswo J.P. and Baudenbacher F.J. (2004) A microfluidic device to confine a single cardiac myocyte in a sub-nanoliter volume on planar microelectrodes for extracellular potential recordings. Lab on a Chip, Vol. 4, Iss. 4, pp. 357. DOI: 10.1039/b315648f

Pavesi A., Adriani G., Rasponi M., Zervantonakis I. K., Fiore G. B. and Kamm R. D. (2015) Controlled electromechanical cell stimulation on-a-chip. Scientific Reports, Vol. 5, Iss. 1. DOI: 10.1038/srep11800

Marsano A., Conficconi C., Lemme M., Occhetta P., Gaudiello E., Votta E., Cerino G., Redaelli A. and Rasponi M. (2016) Beating heart on a chip: a novel microfluidic platform to generate functional 3D cardiac microtissues. Lab on a Chip, Vol. 16, Iss. 3, pp. 599. DOI: 10.1039/c5lc01356a

Plonsey R. and Barr R.C. (2007) Cardiac Electrophysiology. Bioelectricity, p. 267. DOI: 10.1007/978-0-387-48865-3_9

Luo C.H. and Rudy Y. (1994) A dynamic model of the cardiac ventricular action potential. I. Simulations of ionic currents and concentration changes. Circulation Research, Vol. 74, Iss. 6, pp. 1071. DOI: 10.1161/01.res.74.6.1071

Ivanko K., Ivanushkina N. and Prokopenko Y. (2017) Simulation of action potential in cardiomyocytes. 2017 IEEE 37th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO). DOI: 10.1109/elnano.2017.7939777

Spiteri R.J. and Dean R.C. (2008) On the Performance of an Implicit–Explicit Runge--Kutta Method in Models of Cardiac Electrical Activity. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 55, Iss. 5, pp. 1488. DOI: 10.1109/tbme.2007.914677

Khuwaileh R. A. (2016) Electrical restitution and action potential repolarisation studies in acutely isolated cardiac ventricular myocytes, University of Leicester.

Traxel S.J. and Patwardhan A. (2009) A novel method to quantify contribution of electrical restitution to alternans of repolarization in cardiac myocytes: a simulation study. FASEB Journal, Vol. 23, No. 1, Suppl. 624.7.

Shattock M.J., Park K.C., Yang H., Yang H., Niederer S., MacLeod K.T. and Winter J. (2017) Restitution slope is principally determined by steady-state action potential duration. Cardiovascular Research, Vol. 113, Iss. 7, pp. 817. DOI: 10.1093/cvr/cvx063

Kanaporis G. and Blatter L.A. (2017) Alternans in atria: Mechanisms and clinical relevance. Medicina, Vol. 53, Iss. 3, pp. 139. DOI: 10.1016/j.medici.2017.04.004

Orini M., Taggart P., Srinivasan N., Hayward M. and Lambiase P.D. (2016) Interactions between Activation and Repolarization Restitution Properties in the Intact Human Heart: In-Vivo Whole-Heart Data and Mathematical Description. PLOS ONE, Vol. 11, Iss. 9, pp. e0161765. DOI: 10.1371/journal.pone.0161765




DOI: http://dx.doi.org/10.20535/RADAP.2018.72.69-77

##submission.copyrightStatement##

##submission.license.cc.by4.footer##