Estudio mediante simulación del comportamiento electromecánico ventricular en insuficiencia cardíaca

Abstract

[ES] Según la OMS, la insuficiencia cardíaca es la tercera causa de muerte en patologías cardiovasculares en países desarrollados. Este trabajo se centra en estudiar mediante simulación computacional los cambios electromecánicos producidos entre un corazón sano y uno patológico. Como la insuficiencia cardiaca es una patología caracterizada en parte por alteraciones tanto electrofisiológicas como mecánicas a nivel celular, acoplando los modelos de potencial de acción y fuerza de contracción en miocitos ventriculares (Tomek et al. (2019) y Land et al (2017) respectivamente) obtenemos un modelo electromecánico. Posteriormente, añadiendo los cambios característicos de la insuficiencia cardíaca en los parámetros del modelo, podemos alcanzar nuestro objetivo. Los resultados muestran el aumento de la fuerza de contracción al calibrar el modelo electromecánico, y cómo los biomarcadores se mantienen dentro de los rangos fisiológicos con esta calibración. Al aumentar la longitud del sarcómero, favorecemos la unión de calcio a la troponina, aumentando la fuerza de contracción. En cuanto a la comparación con situación patológica, observamos un aumento de la duración del potencial de acción, disminución de la amplitud y duración del transitorio de calcio, y reducción y retardo en el pico de fuerza. La relación fuerza-frecuencia que se invierte en corazones patológicos se ha mejorado mediante cambios en las corrientes relacionadas con la dinámica del calcio ya que con la modificación del parámetro de la sensibilidad a la troponina no se ha obtenido el resultado esperado. Con la modificación de las conductancias de cada una de las corrientes por separado y combinadas, se ha conseguido fijar el cruce de las curvas fuerza-frecuencia en condiciones sanas y patológicas, y con una morfología similar a la experimental. Estos resultados, además, demuestran la gran cantidad de situaciones que podemos simular con la ayuda de modelos computacionales, complementando e incluso reduciendo el número de experimentos con seres vivos.

[EN] According to the WHO, heart failure is the third leading cause of death in cardiovascular diseases in developed countries. This work focuses on studying by computer simulation the electromechanical changes produced in the failing heart. As heart failure is a pathology characterized in part by both electrophysiological and mechanical alterations at the cellular level, coupling the models of action potential and force of contraction in ventricular myocytes (Tomek et al. (2019) and Land et al (2017) respectively) we obtain an electromechanical model. Subsequently, by adding the characteristic changes of heart failure in the parameters of the model, we can reach our goal. The results show the increase in the force of contraction when calibrating the electromechanical model, and how biomarkers stay within the physiological ranges with this calibration. By increasing the length of the sarcomere, we promote the binding of calcium to troponin, increasing the force of contraction. Regarding the comparison with the pathological situation, we observed an increase in the duration of the action potential, a decrease in the amplitude and duration of the calcium transient, and a reduction and delay in the peak force. The force-frequency relationship that is reversed in pathological hearts has been improved by changes in the currents related to calcium dynamics, since modifying the troponin sensitivity parameter has not obtained the expected result. With the modification of the conductances of each of the currents separately and combined, it has been possible to fix the crossing of the force-frequency curves in healthy and pathological conditions, and with a morphology similar to the experimental one. These results also demonstrate the large number of situations that we can simulate with the help of computational models, to complement and even reduce the number if experiments with living beings.