Desarrollo de herramientas de computación para el estudio del efecto de alteraciones en la dinámica de calcio mediante simulación de la actividad eléctrica cardíaca

Abstract

[ES] Hoy en día, la mayoría de los estudios relacionados con el comportamiento eléctrico del corazón y sus alteraciones consisten en ensayos experimentales, principalmente en animales. Una alternativa que se encuentra en auge son los modelos computacionales de cardiomiocitos. Estos modelos ofrecen numerosas ventajas frente a los ensayos experimentales entre las que destacan la gran reproducibilidad y repetibilidad y la posibilidad de realizar modificaciones para simular condiciones anómalas y sus tratamientos. Las mutaciones en genes relacionados con las células cardiacas suelen derivar en alteraciones de la función celular que conllevan la aparición de fenómenos adversos como las arritmias. Los modelos computacionales pueden ser adaptados para reproducir los cambios experimentales observados en portadores de las mutaciones. Gracias a estos modelos personalizados es posible estudiar posteriormente los efectos que fármacos o tratamientos tienen sobre las células o el tejido. En el trabajo final de grado presentado a continuación, se han desarrollado una serie de herramientas computacionales para evaluar el efecto de alteraciones en la dinámica de calcio. Las herramientas se han programado en Matlab y para facilitar su uso se ha creado una sencilla interfaz gráfica que implementa todas las funciones y permite realizar el análisis completo. Para probar el funcionamiento de la herramienta, se ha realizado un análisis de sensibilidad de determinados biomarcadores electrofisiológicos con las velocidades de transición del modelo de Markov del canal de liberación de calcio del retículo sarcoplasmático (RyR2). Los biomarcadores estudiados son: el pico máximo del potencial de membrana, los valores máximos de la concentración de calcio en los compartimentos celulares, la probabilidad del estado abierto del canal RyR2, el tiempo de pico de la concentración intracelular de calcio, el pico máximo de la corriente de calcio tipo L (ICaL) y el periodo del potencial de membrana (BCL basic cycle length). También se ha estudiado el efecto del desplazamiento de la compuerta de activación de la corriente ICaL (dL). Este estudio de sensibilidad se ha utilizado para proponer un modelo de la mutación R420Q del RyR2 que reproduzca los cambios experimentales observados por Wang et al. (2017) para dicha mutación. Estos cambios se resumen en el aumento del tiempo de pico y del BCL y la disminución de la corriente ICaL. Para ello, se ha utilizado el modelo de cardiomiocito del nodo sino-auricular de conejo desarrollado por Severi et al. (2012). La mutación R420Q del RyR2 se ha modelizado aplicando un desplazamiento de la compuerta dL de -3 mV y multiplicando por 30 el parámetro K0Ca, del cual depende la velocidad de transición del estado cerrado al abierto del RyR2.

[EN] Nowadays, most of the studies related to the electrical behaviour of the heart and its alterations are experimental, mainly on animals. Computational models of cardiac myocytes are an alternative which is becoming more relevant in recent years. These models offer a wide range of advantages over experimental techniques, reproducibility, repeatability and the possibility of making modifications to simulate abnormal conditions and treatments being the most important. Mutations in genes related to cardiac cells often results in alterations of the cellular function that may lead to adverse effects such as arrhythmia. Computational models can be modified to reproduce the experimental changes produced by a mutation. Further comprehension of the effect of treatments and drugs on cells and tissues can be achieved by using these models. In this bachelor’s degree final project, a series of software tools have been developed to analyse the effect of alterations in the calcium dynamics. The tools have been programmed on Matlab and a simple user interface has been created for facilitate its use. A sensitivity analysis of certain biomarkers with the transition rates of the Markov model for the sarcoplasmic reticulum calcium release channel (RyR2) has been conducted by using these tools. The studied biomarkers are: maximum peak of the membrane potential, maximum value if the calcium concentration in the cell model compartments, RyR2 channel open state probability, time to peak of the intracellular calcium concentration, maximum peak of the type L calcium current (ICaL) and the basic cycle length (BCL) of the action potential. The effects of a shift on the type L calcium current’s activation gate (dL) have also been studied. The results of this sensitivity analysis have been used to propose a model for the RyR2’s R420Q mutation based on the experimental changes reported by Wang et al. (2017). These changes are: increased time to peak of the intracellular calcium concentration and BCL as well as a decreased maximum peak of the ICaL current. The rabbit sinus node model developed by Severi et al. (2012) has been used for this purpose. Finally, the RyR2’s R420Q mutation has been modelled by applying a -3 mV shift in the activation gate dL and by multiplying by 30 the K0Ca parameter, which is related to the close to open state transition velocity in the Markov model of the RyR2 channel.

[CA] Avui dia, la majoria dels estudis relacionats amb el comportament elèctric del cor i les seues alteracions consisteixen en assajos experimentals, principalment en animals. Una alternativa que es troba en auge són els models computacionals de cardiomiòcits. Aquests models ofereixen nombrosos avantatges enfront dels assajos experimentals entre les quals destaquen la gran reproductibilitat i repetibilitat i la possibilitat de realitzar modificacions per a simular condicions anòmales i els seus tractaments. Les mutacions en gens relacionats amb les cèl·lules cardíaques solen derivar en alteracions de la funció cel·lular que comporten l'aparició de fenòmens adversos com les arítmies. Els models computacionals poden ser adaptats per a reproduir els canvis experimentals observats en portadors de les mutacions. Gràcies a aquests models personalitzats és possible estudiar posteriorment els efectes que fàrmacs o tractaments tenen sobre les cèl·lules o el teixit. En el treball final de grau presentat a continuació, s'han desenvolupat una sèrie d'eines computacionals per a avaluar l'efecte d'alteracions en la dinàmica de calci. Les eines s'han programat en Matlab i per a facilitar el seu ús s'ha creat una senzilla interfície gràfica que implementa totes les funcions i permet realitzar l'anàlisi completa. Per a provar el funcionament de l'eina, s'ha realitzat una anàlisi de sensibilitat de determinats biomarcadors electrofisiològics amb les velocitats de transició del model de Markov del canal d'alliberament de calci del reticle sarcoplasmàtic (RyR2). Els biomarcadors estudiats són: el pic màxim del potencial de membrana, els valors màxims de la concentració de calci en els compartiments cel·lulars, la probabilitat de l'estat obert del canal RyR2, el temps de pic de la concentració intracel·lular de calci, el pic màxim del corrent de calci tipus L (ICaL) i el període del potencial de membrana (BCL basic cycle length). També s'ha estudiat l'efecte del desplaçament de la comporta d'activació del corrent ICaL (dL). Aquest estudi de sensibilitat s'ha utilitzat per a proposar un model de la mutació R420Q del RyR2 que reproduïsca els canvis experimentals observats per Wang et al. (2017) per aquesta mutació. Aquests canvis es resumeixen en l'augment del temps de pic i del BCL i la disminució del corrent ICaL. Per a açò, s'ha utilitzat el model de cardiomiòcit del node sinó-auricular de conill desenvolupat per Severi et al. (2012). La mutació R420Q del RyR2 s'ha modelitzat aplicant un desplaçament de la comporta dl de -3 *mV i multiplicant per 30 el paràmetre K0Ca, del com depèn la velocitat de transició de l'estat tancat a l'obert del RyR2.