Modelado y simulación de mutaciones causantes de la taquicardia ventricular polimórfica catecolaminérgica

Abstract

[ES] Hoy en día, una de las causas más importantes de morbilidad y mortalidad en países desarrollados son las arritmias cardiacas. Por este motivo su prevención y tratamiento son uno de los principales desafíos de los sistemas de salud. Las mutaciones genéticas, cuyo estudio se ha extendido en los últimos años, tienen gran importancia en la producción de estas arritmias. El objetivo de este trabajo final de máster es modelizar la mutación RyR2R4497C del canal de liberación de calcio del retículo sarcoplasmático (RyR2) y la mutación del tipo CASQ2(-/-) de la proteína calsequestrina. Para la modelización de la mutación del RyR2 se ha utilizado una herramienta de ajuste automático de parámetros. El modelo matemático celular empleado ha sido el de cardiomiocito ventricular desarrollado por Grandi y colaboradores (2010) con las modificaciones introducidas por Moreno y colaboradores (2013), que incorpora un modelo de Markov del canal RyR. Para la mutación CASQ2(-/-) nos hemos basado en el modelo desarrollado por Yang y colaboradores (2015) y lo hemos adaptado para incluirla en el modelo matemático utilizado en este estudio. Para el estudio poblacional se han modificado las principales corrientes de membrana en un rango de ±100% de su valor en control siguiendo una distribución uniforme. Para evaluar la importancia de las corrientes modificadas en la población se ha realizado una correlación entre dichas corrientes y los biomarcadores estudiados. El modelo de la mutación RyR2R4497C reproduce los biomarcadores para la mutación, es decir, un pico máximo de calcio intracelular de 4.63 y 5.53 mM a 2Hz con y sin beta estimulación respectivamente y 3.70 y 4.37 mM a 3Hz con y sin beta estimulación. Un tiempo de pico del calcio intracelular de 22.70 y 25.70 ms a 2Hz con y sin beta estimulación y 29.90 y 31.60 ms a 3Hz con y sin beta estimulación. La adaptación la mutación CASQ2(-/-) reproduce las alteraciones electrofisiológicas observadas, esto es la aparición de actividad eléctrica ectópica entre los pulsos de la simulación y de actividad espontánea al finalizar la estimulación. En el estudio poblacional se han obtenido 628 modelos válidos cuya duración del potencial de acción en control se encuentra dentro de los rangos fisiológicos experimentales. Al introducir la mutación RyR2R4497C en la población se produce actividad eléctrica espontánea en 102 y 76 modelos a 2 y 3Hz respectivamente, en ambos casos con beta estimulación. En el caso de la mutación de la calsequestrina esta cantidad asciende a 42 modelos a 2Hz sin beta estimulación, 513 a 2Hz con estimulación, 199 a 3Hz sin beta estimulación y 456 a 3Hz con estimulación. La bomba de sodio-potasio y la componente rápida de la corriente diferida de potasio son las variables que presentan valores mayores de correlación y por lo tanto las que más afectan a los biomarcadores. En conclusión, se han modelizado y simulado las mutaciones RyR2R4497C y CASQ2(-/-) causantes de la taquicardia ventricular polimórfica catecolaminérgica. Se reproducen los efectos observados experimentalmente para ambas mutaciones. El estudio poblacional realizado sobre el modelo en control y los modelos de las dos mutaciones muestran que la bomba de sodio-potasio y la componente rápida de la corriente diferida de potasio son las más relevantes a la hora de modificar los biomarcadores estudiados.

[EN] ABSTRACT Nowadays, cardiac arrhythmias are one of the most important causes of mortality and morbidity in developed countries. For this reason, their prevention and treatment are among the main challenges for the health services. Genetic mutations, which study has seen an increase in recent years, do play an important role in the appearance of such arrhythmias. The objective of this end of master project is to model the RyR2R4497C mutation of the sarcoplasmático reticulum calcium release channel (RyR2) and the CASQ2(-/-) type mutation of the protein calsequestrin. In order to model the RyR2 mutation an automatic optimization tool has been used. The mathematical cellular model that has been used is the one developed by Grandi et al. (2010) with the modifications introduced by Moreno et al. (2013), this model includes a Markov formulation for the RyR2 channel. For the CASQ2(-/-) mutation we have adapted an existing model developed by Yang et al. (2015) and include it in the mathematical model used in this study. For the population analysis we have modified the main membrane currents in a range of ±100% of its nominal value according to a uniform distribution. To evaluate the importance of the modified currents in the population a correlation analysis has been carried out between these currents and the studied biomarkers. The model of the RyR2R4497C mutation reproduces the biomarkers observed for the mutation, that is, a maximum intracellular calcium peak of 4.63 and 5.53 mM at 2Hz with and without beta stimulation respectively and 3.70 and 4.37 mM at 3Hz with and without beta stimulation. An intracellular calcium time to peak of 22.70 and 25.70 ms at 2Hz with and without beta stimulation and 29.90 and 31.60 ms at 3Hz with and without stimulation. The adaptation of the CASQ2(-/-) mutation reproduces the electrophysiological alterations observed experimentally, that is the appearance of ectopic electrical activity between pulses of the simulations and spontaneous activity once the stimulation ceases. In the population study 628 models have been obtained, these models have been validated using experimental physiological data. Introducing the RyR2R4497C mutation in the population causes 102 and 76 models to have spontaneous activity at 2 and 3Hz respectively, in all cases with the use of beta stimulation. In the case of the CASQ2(-/-) mutation the amount of models increases to 42 models at 2Hz without beta stimulation, 513 at 2Hz with beta stimulation, 199 at 3Hz without beta stimulation and 456 at 3Hz with beta stimulation. The sodium-potassium pump and the fast component of the delayed potassium current are the variables which show higher values of correlation. In conclusion, the RyR2R4497C and CASQ2(-/-) mutations responsible of the appearance of cathecolaminergic polymorphic ventricular tachycardia have been modelled. Experimentally observed effects have been reproduced for both mutations. Populations study shows that the sodium-potassium pump and the fast component of the delayed potassium current are the more relevant for the alterations of biomarkers.