Розв’язання оберненої задачі взаємозв'язку між потенціалами дії та потенціалами поля в серцевих клітинах
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2021.85.53-59Ключові слова:
БЕМ система, кардіоміоцити, потенціал дії, позаклітинний потенціал поля, обернена задача електрокардіографії, теорія поля, вейвлет-знешумлення, метод власних підпросторів, технологія «лабораторії на чіпі», індуковані людиною плюрипотентні стовбурові клітиниАнотація
Багато-електродні масиви (БЕМ) – це поширений інструмент в дослідженнях позаклітинної електричної активності серцевих клітин. Ключовими областями використання БЕМ є фармакологічні дослідження та моделювання захворювань. Під час досліджень в цих областях зусилля багатьох вчених направлені на аналіз та інтерпретацію позаклітинних потенціалів (ПП) отриманих за допомогою систем з БЕМ. Однак, слід зазначити складність інтерпретації інформації БEМ у вимірах неінвазивного ПП серцевих клітин порівняно з інвазивними записами потенціалу дії (ПД) на основі технології патч-кламп.
Метою цієї роботи є математичне визначення взаємозв’язку між внутрішньоклітинними ПД та зовнішніми ПП. Для цього було поставлено та розв’язано обернену задачу із взаємовідношення ПД та ПП, а саме – розрахунок ПД на основі ПП. Виведення рівнянь для передавальної функції між ПП та ПД було виконано на основі теорії поля. Для отримання більш корисної інформації про параметри імпульсів ПП в роботі виконано дослідження комплексного підходу до обробки виміряних ПП сигналів.
На основі числових експериментів з симульованими ПП було показано успішні результати використання отриманої передавальної функції для реконструкції ПД. В реальних умовах після вимірювання сигнали ПП мають певну ступінь зашумлення, тому перед трансформацією в ПД до симульованих ПП було додано білий шум. Для знешумлення потенціалу позаклітинного поля кардіоміоцитів було використано вейвлет-перетворення, обробку у власних підпросторах та комбінацію цих методів.
Запропонований метод, заснований на передавальних функціях, може бути використаний для отримання ПД та його параметрів на основі ПП, і, таким чином, може розширити можливості аналізу електричної активності серцевих клітин в системах БЕМ. Комплексний метод знешумлення, що показав високу ефективність на симульованих ПП може бути використаний і на реальних сигналах для отримання неспотворених морфологій ПП, що дозволить проводити більш якісну інтерпретацію функціональних властивостей ПП серцевих клітин в дослідженнях з використанням систем БЕМ.
Посилання
References
Garma L. D., Matino L., Melle G., Moia F., De Angelis F., Santoro F., Dipalo M. (2019). Cost-effective and multifunctional acquisition system for in vitro electrophysiological investigations with multielectrode arrays. PLoS ONE, 14(3): e0214017. DOI:10.1371/journal.pone.0214017.
Asakura K., Hayashi S., Ojima A. et al. (2015). Improvement of acquisition and analysis methods in multi-electrode array experiments with iPS cell-derived cardiomyocytes. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods, Volume 75, pp. 17-26. DOI: 10.1016/j.vascn.2015.04.002.
Jäckel D., Bakkum D. J., Russell T. L. et al. (2017). Combination of High-density Microelectrode Array and Patch Clamp Recordings to Enable Studies of Multisynaptic Integration. Scientific Reports, Vol. 7, Article number: 978. DOI:10.1038/s41598-017-00981-4.
Reinhard K., Tikidji-Hamburyan A., Seitter H., Idrees S., Mutter M., Benkner B., Münch T. A. (2014). Step-By-Step Instructions for Retina Recordings with Perforated Multi Electrode Arrays. PLoS ONE. DOI: 10.1371/journal.pone.0106148.
Fermini B., Fossa A. A. (2003). The impact of drug-induced QT interval prolongation on drug discovery and development. Nature Reviews. Drug Discovery, 2(6), pp. 439-447. doi: 10.1038/nrd1108.
Roden D. M. (2000). Acquired Long QT Syndromes and the Risk of Proarrhythmia. Journal of Cardiovascular Electrophysiology, Vol. 11, Iss. 8, pp. 938-940. doi:10.1111/j.1540-8167.2000.tb00077.x
Braam S. R., Tertoolen L., Van de Stolpe A., Meyer T., Passier R., Mummery C. L. (2010). Prediction of drug-induced cardiotoxicity using human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes. Stem Cell Res., Vol. 4, Iss. 2, pp. 107-116. DOI:10.1016/j.scr.2009.11.004.
Nachimuthu S., Assar M. D., Schussler J. M. (2012). Drug-induced QT interval prolongation: mechanisms and clinical management. Ther Adv Drug Saf., Vol. 3, Iss. 5, pp. 241-253. DOI: 10.1177/2042098612454283.
Tsuji Y., Opthof T., Yasui K. et al. (2002). Ionic mechanisms of acquired QT prolongation and torsades de pointes in rabbits with chronic complete atrioventricular block. Circulation, Vol. 106(15), pp. 2012-2018. DOI: 10.1161/01.cir.0000031160.86313.24.
Li M., Ramos L.G. (2017). Drug-Induced QT Prolongation and Torsades de Pointes. Pharmasy & Therapeutics, Vol. 42(7), pp. 473-477, PMID: 28674475.
Champeroux P., Martel E., Vannier C., Blanc V., Leguennec J. Y., Fowler J., Richard S. (2000). The preclinical assessment of the risk for QT interval prolongation. Therapie, Vol. 55(1), pp. 101-109, PMID: 10860008.
Wallis R. M. (2010). Integrated risk assessment and predictive value to humans of non-clinical repolarization assays. British Jornal of Pharmacology, Vol. 159, Iss. 1, pp. 115–121. doi: 10.1111/j.1476-5381.2009.00395.x.
Tertoolen L. G. J., Braam S. R., van Meer B. J., Passier R., Mummerya C. L. (2018). Interpretation of field potentials measured on a multi electrode array in pharmacological toxicity screening on primary and human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Biochem Biophys Res Commun., Vol. 497, Iss. 4, pp. 1135–1141. doi: 10.1016/j.bbrc.2017.01.151.
Navarrete E. G., Liang P., Lan F. et al. (2013). Screening drug-induced arrhythmia using human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes and low-impedance microelectrode arrays. Circulation., Vol. 128, Iss. 11 Suppl 1, pp. S3-13. DOI: 10.1161/circulationaha.112.000570.
Yamazaki D. et al. (2018). Proarrhythmia risk prediction using human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Journal of Pharmacological Sciences, Vol. 136, Iss. 4, pp. 249-256. DOI:10.1016/j.jphs.2018.02.005.
Mandenius C. F., Steel D., Noor F. et al. (2011). Cardiotoxicity testing using pluripotent stem cell-derived human cardiomyocytes and state-of-the-art bioanalytics: A review. Journal of Applied Toxicology, Vol. 31, Iss. 3, pp. 191–205. DOI:10.1002/jat.1663.
Takasuna K., Asakura K., Araki S. et al. (2016). Comprehensive in vitro cardiac safety assessment using human stem cell technology: Overview of CSAHi HEART initiative. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods, Vol. 83, pp. 42-54. DOI: 10.1016/j.vascn.2016.09.004.
Ando H., Yoshinaga T., Yamamoto W. et al. (2017). A new paradigm for drug-induced torsadogenic risk assessment using human iPS cell-derived cardiomyocytes. J Pharmacol Toxicol Methods., Vol. 84, pp. 111-127. DOI: 10.1016/j.vascn.2016.12.003.
Plonsey R., Barr R. C. (2007). Bioelectricity. A Quantitative Approach, third ed. Springer, Boston, MA, p. 528. DOI: 10.1007/978-0-387-48865-3.
Ivanko K., Ivanushkina N. and Prokopenko Y. (2017). Simulation of action potential in cardiomyocytes. 2017 IEEE 37th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), pp. 358-362, doi: 10.1109/ELNANO.2017.7939777.
Ivanushkina N., Ivanko K., Prokopenko Y., Redaelli A., Timofeyev V., Ivanushkina M. (2019). Approach for Cardiac Action Potential Detection from Noised Recordings. 2019 IEEE 39th International Scientific Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), pp. 530-535. doi:10.1109/ELNANO.2019.8783603.
Janmey P. A., Winer J. P., Weise l. W. (2009). Fibrin gels and their clinical and bioengineering applications. Journal of the Royal Society Interface, Vol. 6, Iss. 30, pp. 1–10. doi:10.1098/rsif.2008.0327.
Pahlavan S. (2019). hPSC-CM. IEEE Dataport. DOI:10.21227/czwn-8g10.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Наталія Георгиевна Іванушкіна
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
