Обчислювальна модель електрофізіологічних властивостей кардіоміоцитів

Autor: Ivanushkina, N. G., Ivan'ko, E. O., Prokopenko, Yu. V., Redaelli, A., Tymofieiev, V. I., Visone, R.
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2018
Předmět:
Zdroj: Visnyk NTUU KPI Seriia-Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia; Том 0, № 72 (2018); 69-77
Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування; 72; 69-77
Вестник НТУУ" КПИ ". Серия радиотехника Радиоаппаратостроение; Том 0, № 72 (2018); 69-77
ISSN: 2310-0397
2310-0389
Popis: Introduction. The method of electrical analogies for the analysis of bioelectric dynamic processes in cardiomyocytes is used in the study. This method allows for replacing investigation of phenomena in non-electrical systems by research of analogous phenomena in electrical circuits. The investigation of time processes in cardiac cells is based on the solution of the system of ordinary differential equations for an electrical circuit. Electrophysiological properties of cardiomyocytes such as refractory period, maximum capture rate and electrical restitution are studied. Mathematical modeling. Computational simulation of the action potential and currents for $K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$ ions in cardiomyocytes is performed by using the parallel conductance model. This model is based on the assumption of the presence of independent ion channels for $K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$ ions, as well as leakage through the membrane of cardiac cell. Each branch of the electrical circuit reflects the contribution of one type of ions to total membrane current. Results. The obtained electrical restitution curves for ventricular and atrial cardiomyocytes are presented in the paper. The proposed model makes it possible to identify the areas with the maximum slope on the restitution curves, which are crucial in the development of cardiac arrhythmias. Dependences of calcium current on stimulation frequency for atrial and ventricular cardiomyocytes are obtained. Analysis of the kinetics of calcium ions under various protocols of external influences can be useful for predicting the contractile force of cardiomyocytes. Conclusion. The results of calculations can be used to interpret the experimental results obtained in investigations of cardiomyocytes using the "laboratory on a chip" technology, as well as in the design of new experiments with cardiomyocytes for drug screening, cell therapy and personalized studies of heart diseases.
В данном исследовании метод электрических аналогий применён для анализа биоэлектрических динамических процессов в кардиомиоцитах. Этот метод позволил заменить изучение явлений в неэлектрических системах исследованиями аналогичных явлений в электрических цепях. Изучение временных процессов в кардиомиоцитах основано на исследовании системы обыкновенных дифференциальных уравнений для электрической цепи, рекции которой аналогичны процесам в клетках сердца. В данном исследовании основное внимание уделено компьютерному моделированию электрической активности сердца на клеточном уровне. В работе изучены электрофизиологические свойства кардиомиоцитов: рефрактерный период, максимальная скорость захвата и электрическая реституция. Вычислительное моделирование потенциала действия и токов для ионов $K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$ в кардиомиоцитах проведено с использованием модели параллельных проводимостей. Данная модель основана на предположении наличия независимых каналов для ионов $K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$, а также их протекания через мембрану сердечной клетки. Каждая ветвь электрической схемы модели отражает вклад одного типа ионов в общий ток мембраны. В работе исследованы кривые электрической реституции для желудочковых и предсердных кардиомиоцитов. Предложенная модель позволила идентифицировать на кривых реституции участки с максимальным наклоном, которые имеют решающее значение в развитии сердечных аритмий. Получены зависимости тока кальция от частоты стимуляции для кардиомиоцитов предсердий и желудочков. Анализ кинетики ионов кальция при различных протоколах внешних воздействий может быть полезен для прогноза сократительной силы кардиомиоцитов. Результаты вычислений могут применяться для интерпретации экспериментальных результатов, полученных при исследовании кардиомиоцитов с использованием платформы ``лаборатория на чипе'', а также при проектировании новых экспериментов с кардиомиоцитами для скрининга лекарств, клеточной терапии и персонализированных исследований заболеваний сердца.
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.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: