Análisis mediante modelado y simulación del papel de las heterogeneidades en la zona de borde de infarto de miocardio en la generación de arritmias

Abstract

[ES] Las enfermedades cardiovasculares continúan siendo una de las principales causas de mortalidad a nivel mundial, destacando el infarto de miocardio como una de las condiciones más críticas. Este tipo de infarto conlleva riesgos inmediatos y a largo plazo debido a los cambios en la zona de borde de la cicatriz que se forma tras el evento, lo que convierte a esta región en un entorno propenso para la formación de circuitos de reentrada y arritmias graves.

Este Trabajo de Fin de Máster (TFM) se centra en el uso de modelos y simulaciones tridimensionales para estudiar el comportamiento de estas zonas de borde, así como el impacto de la estimulación del sistema nervioso simpático en el corazón. Para ello, se construyeron modelos computacionales de varios pacientes que sufrieron un infarto de miocardio, utilizando imágenes de resonancia magnética cardíaca con realce tardío de gadolinio (LGE-CMR) para modelar la cicatriz del infarto. En todos los casos, se aplico un protocolo de inducción de arritmias clínicas, basado en una serie de estímulos extra, a los modelos tridimensionales generados.

La primera fase del estudio implicó una revisión exhaustiva de estudios previos y el desarrollo de un nuevo modelo de remodelado de la zona de borde, el cual alarga la duración del potencial cardiaco (action potential duration, APD según sus siglas en inglés) de manera más pronunciada que otros modelos reportados en la literatura, diseñado para evaluar su impacto en la formación de reentradas. Los resultados mostraron que el remodelado de la zona de borde generó reentradas en un caso donde sin dicho remodelado no se producían, confirmando la eficacia de este enfoque para investigar los mecanismos subyacentes a las arritmias de reentrada.

En la segunda fase, se analizó la estimulación de los ganglios estrellados, que aumenta la actividad beta-adrenérgica y modifica la electrofisiología cardíaca. La simulación de esta estimulación incluyó un aumento en la conductancia de la corriente rectificadora lenta de potasio (IKs), lo que redujo el APD y potenció la vulnerabilidad a arritmias reentrantes. En la mayoría de los casos, esta estimulación resultó en la aparición de reentradas donde previamente no se observaban, mostrando cómo la activación del sistema nervioso simpático después del infarto puede aumentar el riesgo de arritmias.

Estos hallazgos no solo proporcionan una comprensión más profunda de las dinámicas de reentrada y de cómo la remodelación de la zona de borde y la estimulación simpática influyen en la susceptibilidad a arritmias, sino que también pueden guiar la optimización de intervenciones clínicas para prevenir y tratar arritmias en pacientes post-infarto.

[EN] Cardiovascular diseases continue to be one of the leading causes of mortality worldwide, with myocardial infarction standing out as one of the most critical conditions. This type of infarction carries both immediate and long-term risks due to changes in the border zone of the scar formed after the event, making this region a prone environment for the development of reentry circuits and severe arrhythmias.

This Master's Thesis (TFM) focuses on the use of three-dimensional models and simulations to study the behavior of these border zones, as well as the impact of sympathetic nervous system stimulation on the heart. Computational models of several patients who experienced a myocardial infarction were constructed using gadolinium-enhanced cardiac magnetic resonance imaging (LGE-CMR) to model the infarction scar. In all cases, a clinical arrhythmia induction protocol, based on a series of extra stimuli, was applied to the generated three-dimensional models.

The first phase of the study involved a comprehensive review of previous research and the development of a new border zone remodeling model, which prolongs the cardiac action potential duration (APD) more significantly than other models reported in the literature, designed to assess its impact on reentry formation. The results showed that border zone remodeling induced reentries in a case where none occurred without such remodeling, confirming the efficacy of this approach for investigating the mechanisms underlying reentry arrhythmias.

In the second phase, the stimulation of the stellate ganglia was analyzed, which increases beta-adrenergic activity and modifies cardiac electrophysiology. The simulation of this stimulation included an increase in the conductance of the slow rectifier potassium current (IKs), which reduced the APD and heightened vulnerability to reentrant arrhythmias. In most cases, this stimulation resulted in the appearance of reentries where none were previously observed, demonstrating how sympathetic nervous system activation after infarction can increase the risk of arrhythmias.

These findings not only provide a deeper understanding of reentry dynamics and how border zone remodeling and sympathetic stimulation influence susceptibility to arrhythmias but also may guide the optimization of clinical interventions to prevent and treat arrhythmias in post-infarction patients.

[CA] Les malalties cardiovasculars continuen sent una de les principals causes de mortalitat a nivell mundial, destacant l’infart de miocardi com una de les condicions més crítiques. Aquest tipus d’infart comporta riscos immediats i a llarg termini a causa dels canvis a la zona de límit de la cicatriu que es forma després de l’esdeveniment, convertint aquesta regió en un entorn propens a la formació de circuits de reentrada i arrítmies greus. Aquest Treball de Fi de Màster (TFM) se centra en l’ús de models i simulacions tridimensionals per estudiar el comportament d’aquestes zones de límit, així com l’impacte de l’estimulació del sistema nerviós simpàtic en el cor. Es van construir models computacionals de diversos pacients que van patir un infart de miocardi, utilitzant imatges de ressonància magnètica cardíaca amb realç tardà de gadolini (LGE-CMR) per modelar la cicatriu de l’infart. En tots els casos, es va aplicar un protocol d’inducció d’arrítmies clíniques, basat en una sèrie d’estímuls addicionals, als models tridimensionals generats. La primera fase de l’estudi va implicar una revisió exhaustiva d’estudis previs i el desenvolupament d’un nou model de remodelació de la zona de límit, que allarga la durada del potencial d’acció cardíac (APD) de manera més pronunciada que altres models reportats a la literatura, dissenyat per avaluar el seu impacte en la formació de reentrades. Els resultats van mostrar que la remodelació de la zona de límit va provocar reentrades en un cas on sense aquesta remodelació no es produïen, confirmant l’eficàcia d’aquest enfocament per investigar els mecanismes subjacents a les arrítmies de reentrada. En la segona fase, es va analitzar l’estimulació dels ganglis estrellats, que augmenta l’activitat beta-adrenèrgica i modifica l’electrofisiologia cardíaca. La simulació d’aquesta estimulació va incloure un augment en la conductància del corrent rectificador lent de potassi (IKs), la qual cosa va reduir l’APD i va potenciar la vulnerabilitat a les arrítmies reentrants. En la majoria dels casos, aquesta estimulació va resultar en l’aparició de reentrades on anteriorment no es veien, mostrant com l’activació del sistema nerviós simpàtic després de l’infart pot augmentar el risc d’arrítmies. Aquests resultats no només proporcionen una comprensió més profunda de les dinàmiques de reentrada i de com la remodelació de la zona de límit i l’estimulació simpàtica influeixen en la susceptibilitat a les arrítmies, sinó que també poden guiar l’optimització d’intervencions clíniques per prevenir i tractar arrítmies en pacients post-infart.