Modelado y simulación computacional de los efectos electrofisiológicos de la isquemia miocárdica en células cardíacas humanas aisladas

Abstract

[ES] La isquemia miocárdica aguda es una patología con una mortalidad muy elevada, siendo responsable de más de 7 millones de muertes anuales en todo el mundo. A pesar de ello, sus efectos electrofisiológicos no son muy conocidos. Desde hace décadas, los modelos matemáticos y la simulación computacional se han empleado para estudiar sus efectos. Sin embargo, hasta el momento, ninguno de los modelos desarrollados está basado en resultados experimentales o clínicos de células humanas sino de animales. En este TFG se han desarrollado y programado en entorno Matlab® seis modelos de potencial de acción diferentes que corresponden a un miocito ventricular cardiaco humano isquémico. Para ello, se han modificado los modelos computacionales de potencial de acción humano de O¿Hara (ORd) y Tomek (ToR) con el fin de simular los efectos electrofisiológicos de la isquemia aguda. Para llevar a cabo las simulaciones, se han modelado los efectos de los diversos componentes de la isquemia en las diferentes corrientes iónicas celulares. Además, para procesar los resultados, se han creado tres nuevos módulos de Matlab® con el objetivo de analizar y validar los potenciales de acción obtenidos en cada una de las simulaciones. Los resultados han permitido analizar el efecto separado y combinado de la hipoxia, la acidosis y la hiperkalemia en el potencial de acción celular. Específicamente, se ha determinado el papel jugado por cada una de las corrientes iónicas afectadas por la isquemia. Además, con el fin de validar los modelos, se han comparado los resultados experimentales de la variación en la duración del potencial de acción y la concentración extracelular de potasio con los obtenidos en las simulaciones. Con todo ello, se han desarrollado y programado modelos computacionales de la isquemia miocárdica humana más completos que los existentes hasta la fecha.

[EN] Acute myocardial ischemia is a pathology with very high mortality, being responsible for more than 7 million deaths annually worldwide. Despite this, its electrophysiological effects are not well known. For decades, mathematical models and computer simulations have been used to study their effects. However, none of the models developed are based on experimental or clinical results of human cells but animals. In this Project, six different models of action potential corresponding to an ischemic human cardiac ventricular myocyte have been developed and programmed in Matlab® environment. O'Hara (Ord) and Tomek (Tor) computer models of human action potential have been modified to simulate the electrophysiological effects of acute ischemia. To carry out the simulations, the effects of the various components of ischemia on the different cellular ionic currents have been modelled. In addition, to process the results, three new modules of Matlab® have been created with the aim of analysing and validating the action potentials obtained in each of the simulations. The results allowed us to analyse the separate and combined effect of hypoxia, acidosis and hyperkalemia on the potential for cellular action. Specifically, the role played by each of the ionic currents affected by ischemia has been determined. In addition, to validate the models, the experimental results of the variation in the duration of the action potential and the extracellular concentration of potassium have been compared with those obtained in the simulations. With all this, more complete computational models of human myocardial ischemia have been developed and programmed than current-to-date.