Desarrollo de un software para la simulación computacional de la influencia de las mitocondrias en la dinámica intracelular de calcio en cardiomiocitos

Abstract

[ES] La función contráctil de la fibra muscular cardíaca, y por tanto las posibles arritmias del miocardio presentan una gran dependencia con la regulación del calcio en el interior de la célula. En el citoplasma de este tipo de células (cardiomiocitos) se encuentra un orgánulo denominado mitocondria, caracterizado, por una parte, porque en él se produce la mayor parte de la síntesis de energía en forma de ATP y, por otra, por su importante rol en la regulación del calcio intracelular. No obstante, aún no se ha desarrollado ningún modelo matemático del potencial de acción y corrientes iónicas en cardiomiocitos que incorpore la dinámica mitocondrial. El modelo implementado por Ainhoa Asensio en su Trabajo Fin de Grado [Asensio Orts, 2017], en el año 2017, y publicado en [Asensio y Ferrero, 2017a] y en [Asensio y Ferrero, 2017b] fue uno de los primeros en el mundo en introducir las corrientes pertenecientes a la mitocondria en un modelo de potencial de acción de cardiomiocito de ventrículo de conejo. Al obtenerse resultados significativos en dicho modelo y con el fin de hacer un análisis más exhaustivo sobre la influencia de las mitocondrias en la regulación de calcio, se decidió seguir esa línea de investigación añadiendo más posibles estados de la célula referentes a mutaciones celulares, a la influencia de fármacos sobre corrientes iónicas, a la edad o incluso a enfermedades cardíacas. Sin embargo, para llevar a cabo estos nuevos estudios, resultaba esencial desarrollar un nuevo software que automatizase y sistematizase las simulaciones. Para este fin, en el presente Trabajo Final de Máster se ha diseñado e implementado un software de automatización y procesamiento de resultados, mediante el uso de la herramienta Matlab, que facilita la obtención de múltiples simulaciones de un modelo de potencial de acción bajo diferentes condiciones de aumento o bloqueo de corrientes iónicas y de frecuencia de estimulación. El resultado de la aplicación del software a un modelo de potencial de acción y corrientes iónicas es una matriz de cuatro dimensiones que proporciona los valores de cuatro biomarcadores preclínicos de calcio (nivel sistólico de calcio, nivel diastólico de calcio, tiempo hasta el pico de calcio y duración del transitorio de calcio) correspondientes a diferentes intervenciones (genéticas o farmacológicas) sobre las corrientes iónicas celulares y a diferentes frecuencias de estimulación. El nuevo software se ha aplicado tanto al modelo de potencial de acción y corrientes iónicas de cardiomiocito de conejo ajustado con mitocondrias [Asensio 2017a], como al modelo sin mitocondria [Shannon y otros, 2004]. Además, se ha implementado una interfaz gráfica que permite visualizar los resultados con el fin de realizar un análisis que compare ambos modelos de potencial de acción. Finalmente, utilizando el software desarrollado, se ha realizado un análisis de sensibilidad de la influencia de las corrientes de la mitocondria sobre el modelo, con el objetivo de determinar los errores cometidos por la ausencia de mitocondrias en los modelos de potencial de acción.

[CA] La funció contràctil de la fibra muscular cardíaca, i per tant les possibles arrítmies del miocardi presenten una gran dependència amb la regulació del calci a l’interior de la cèl·lula. En el citoplasma d’aquest tipues de cèl·lules (miòcits) es troba un orgànul denominat mitocòndria, caracteritzat, d’una banda, perquè en ell es produeix la major part de la síntesi d’energia en forma d’ATP i, per l’altra pel seu important paper en la regulació del calci intracel·lular. No obstant açò, encara no s’ha desenvolupat cap model matemàtic de potencial d’acció i corrents iòniques en miòcits que incorpore la dinàmica mitocondrial. El model implementat per Ainhoa Asensio en el seu treball Fi de Grau [Asensio Orts, 2017], l’any 2017, i publicat en [Asensio i Ferrero, 2017a] i en [Asensio i Ferrero, 2017b] va ser un dels primers en el món en introduir les corrents pertanyents a la mitocòndria en un model de potencial d’acció de miòcit de ventricle de conill. En obtenir-se resultats significatius en aquest model i amb la finalitat de fer una análisi més exhaustiu sobre la influència de les mitocòndries en la regulació del calci, es va decidir seguir aqueixa línia d’investigació afegint més possibles estats de la cèl·lula referents a mutacions cel·lulars, a la inflèuncia de fàrmacs sobre corrents iòniques, a l’edat o fins i tot a malalties cardíaques. No obstant açò, per a dur a terme aquests nous estudis, resultava essencial desenvolupar un nou software que automatitzara i sistematitzara les simulacions. Per a aquest fi, en el present Treball Final de Màster s’ha dissenyat i implementat un software d’automatització i processament de resultats, mitjançant l´ús de de la ferramenta Matlab, que facilita l’obtenció de múltiples simulacions d’un model de potencial d’acció baix diferents condicions d’augment o bloqueig de corrents iòniques i de freqüència d’estimulació. El resultat de l’aplicació del software a un model de potencial d’acció i corrents iòniques és una matriu de quatre dimensions que proporciona els valors de quatre biomarcadors preclínics de calci (nivell sistòlic de calci, nivell diastòlic de calci, temps fins al pic de calci i duració del transitori de calci) corresponents a diferents intervencions (genèriques o farmacològiques) sobre les corrents iòniques cel·lulars i a diferents freqüències d’estimulació. El nou software s’ha aplicat tant al model de potencial d’acció i corrents iòniques de miòcit de conill ajustat amb mitocòndries [Asensio i Ferrero, 2017a], com al model sense mitocòndria [Shannon i altres, 2004]. A més, s’ha implementat una interfície gràfica que permet visualitzar els resultsts amb la finalitat de realitzar una anàlisi que compare els dos models de potencial d’acció. Finalment, utilitzant el software desenvolupat, s’ha realitzat una anàlisi de sensibilitat de la influència de les corrents de la mitocòndria sobre el model, amb l’objectiu de determinar els errors comesos per l’absència de mitocòndries en els models de potencial d’acció.

[EN] The contractile function of the cardiac muscle fiber, and therefore the possible myocardial arrhythmias, are highly dependent on the calcium regulation inside the cell. In the cytoplasm of this cells type (cardiomyocytes) there is an organelle called mitochondria, characterized, on the one hand, because it produces the most of the synthesis of energy in ATP form and, on the other, because of its important role in the intracellular calcium regulation. However, no mathematical model of action potential and ionic currents in cardiomyocytes incorporating mitochondrial dynamics has yet been developed. The implemented model by Ainhoa Asensio in its Final Degree Project [Asensio Orts, 2017], in the 2017 year, and published in [Asensio and Ferrero, 2017a] and in [Asensio and Ferrero, 2017b] was one of the first in the world introducing the currents belonging to the mitochondria in a rabbit ventricle cardiomyocyte action potential model. When significant results were obtained in the said model and in order to do a more exhaustive analysis about the influence of mitochondria in the calcium regulation, it was decided to follow this line of research adding more possible cell states related to cell mutations, to the drugs influence on ionic currents, age or even heart diseases. However, to carry out these new studies, it was essential to develop a new software to automate and systematize the simulations. For this purpose, in the present Master Final Project an automation software has been designed and implemented, through the use of the Matlab tool, which facilitates the obtaining of multiple simulations of an action potential model under different conditions of increasing or blocking of ionic currents and of stimulation frequency. The result of the software application to an action potential model and ionic currents is a four-dimensional matrix which provides the four calcium preclinical biomarkers values (calcium systolic level, calcium diastolic level, time to calcium peak and calcium transient duration) corresponding to different interventions (genetic or pharmacological) on the cell ionic currents and at different stimulation frequencies. The new software has been applied both to the action potential model and ionic currents of rabbit cardiomyocyte adjusted with mitochondria [Asensio and Ferrero, 2017a], and to the model without mitochondria [Shannon et al., 2004]. In addition, a graphical interface has been implemented to visualize the results in order to perform an analysis that compares both action potential models. Finally, using the developed sofware, a sensitivity analysis of the mitochondria currents influence on the model was carried out, in order to determine the errors committed by the absence of mitochondria in the action potential models.