Estudio de las causas eléctricas de la hiperkalemia durante la isquemia miocárdica aguda en corazón humano mediante simulación computacional

Abstract

[ES] En el presente trabajo fin de grado se ha desarrollado una herramienta informática para el estudio, mediante simulación computacional, de las causas de la hiperkalemia en corazones humanos. La hiperkalemia es un fenómeno bioeléctrico que consiste en la acumulación extracelular de potasio durante los primeros 15-20 minutos tras la oclusión de una arteria coronaria y la aparición subsiguiente de un proceso de isquemia miocárdica aguda. La acumulación extracelular de potasio durante la isquemia miocárdica aguda es un fenómeno conocido y altamente arritmogénico. Es sabido también que este fenómeno está relacionado con alteraciones en el comportamiento eléctrico de los miocitos ventriculares. En concreto, contribuye a la despolarización del potencial de membrana en reposo, a una disminución de la velocidad de ascenso del potencial de acción (PA) y al acortamiento de la duración del PA. Estos cambios electrofisiológicos son claves para desarrollar arritmias mortales responsables de la muerte súbita de pacientes con infarto agudo de miocardio, por lo que el estudio de este fenómeno es de gran importancia. Sin embargo, en estos momentos todavía se desconocen en parte las causas que producen la hiperkalemia, ya que todavía no se ha podido determinar de forma experimental. A lo largo del presente trabajo se ha desarrollado una herramienta informática que permite la realización de simulaciones computacionales en Matlab® para estudiar las causas de este fenómeno en corazón humano. Para ello, se ha utilizado el modelo de potencial de acción desarrollado por K. H. W. J. Ten Tusscher en 2004, sobre el que se han tenido que realizar una serie de modificaciones para introducir las condiciones de la isquemia aguda. Tras el desarrollo del software y la realización de simulaciones, se ha realizado un análisis multifactorial de los resultados y se ha procedido a la interpretación de dichos resultados para intentar establecer los mecanismos causantes de la hiperkalemia en corazones humanos. Además, estos mecanismos se han comparado con los mecanismos causantes de la hiperkalemia en corazón de cobaya, con el objetivo de determinar las diferencias inter-especie.

[CA] En el present treball fi de grau s’ha desenvolupat una ferramenta informàtica per a l’estudi, per mitjà de simulació computacional, de les causes de la hiperkalèmia en cors humans. La hiperkalèmia és un fenomen bioelèctric que consisteix en l’acumulació extracel·lular de potassi durant els primers 15-20 minuts després de l’oclusió d’una artèria coronària y l’aparició subsegüent d’un procés d’isquèmia miocàrdica aguda. L’acumulació extracel·lular de potassi durant la isquèmia miocàrdica aguda és un fenomen conegut i altament aritmogènic. És sabut també que este fenomen està relacionat amb alteracions en el comportament elèctric dels miòcits ventriculars. En concret, contribuïx a la despolarització del potencial de membrana en repòs, a una disminució de la velocitat d’ascens del potencial d’acció (PA) i a l’acurtament de la duració del PA. Estos canvis electrofisiològics són claus per a desenvolupar arítmies mortals responsables de la mort sobtada de pacients amb infart agut de miocardi, per la qual cosa l’estudi d’este fenomen és de gran importància. No obstant això, en estos moments encara es desconeixen en part les causes que produïxen la hiperkalèmia, ja que encara no s’ha pogut determinar de forma experimental. Al llarg del present treball s’ha desenvolupat una ferramenta informàtica que permet la realització de simulacions computacionals en Matlab® per a estudiar les causes d’este fenomen en cor humà. Per a això, s’ha utilitzat el model de potencial d’acció desenvolupat per K. H. W. J. Ten Tusscher en 2004, sobre el qual s’ha hagut de realitzar una sèrie de modificacions per a introduir les condicions de la isquèmia aguda. Després del desenvolupament del software i la realització de simulacions, s’ha realitzat un anàlisi multifactorial dels resultats i s’ha procedit a la interpretació d’estos resultats per a intentar establir els mecanismes causants de la hiperkalèmia en cors humans. A més, estos mecanismes s’han comparat amb els mecanismes causants de la hiperkalèmia en cor de conillet d’Índies, amb l’objectiu de determinar les diferències inter-espècie.

[EN] The aim of this project is to develop a software program for the study of the causes of hiperkalemia in human hearts during acute myocardial ischemia using computational simulation. Hiperkalemia is a bioelectric phenomenon consisting of an extracellular potassium accumulation during the first 15-20 minutes after occlusion of a coronary artery and the subsequent appearance of a process of acute myocardial ischemia. The extracellular accumulation of potassium during acute myocardial ischemia is a well known and highly arrhythmogenic phenomenon. It is also known that this phenomenon is related to changes in the electrical behavior of ventricular myocytes. Specifically, it contributes to depolarization of membrane potential at rest, to a decrease in the rate of action potential (AP) depolarization and it also shortens the AP duration. This project provided an important opportunity to advance the understanding of these electrophysiological changes, which are key to develop sudden arrhythmic death syndrome, hence the importance of the study of this phenomenon. However, today the causes of hyperkalemia are still partially unknown, as they have not been determined experimentally yet. Throughout this project, a software tool that allows performing computer simulations in Matlab® to study the causes of this phenomenon in the human heart has been developed. For this purpose, we have used the action potential model developed by K. W. H. J. Ten Tusscher in 2004, which has been modified to introduce the conditions of acute myocardial ischemia. After the development of the software program and the implementation of the simulations, a multivariate analysis of the results has been conducted. This analysis has led to the interpretation of the results with the aim of understanding the mechanisms which cause hyperkalemia in human hearts. In addition, these mechanisms have been compared with the mechanisms of hyperkalemia in the heart of a guinea pig, with the objective of determining the similarities and the differences between species.