Estudio mediante simulación computacional de las causas de la acumulación extracelular de potasio en isquemia miocárdica aguda en modelo de conejo

Abstract

[EN] Acute myocardial ischemia is one of the most common heart diseases. It is produced by metabolic and electrophysiological changes in cells that form the heart muscle. It presents the well-known phenomenon of extracellular potassium accumulation, and when it exceeds the value of 6 mM is known as hyperkalemia. The aim of this work is to study the mechanisms underlying hyperkalemia by using mathematical models of ventricular action potential of rabbit heart cells. We have used the model proposed by Shannon et al., and introduced the necessary equations to simulate the effects of acute ischemia. First of all, a review of the scientific literature was carried out in order to find experimental data and measurements that reproduce the phenomenon of acute ischemia and especially the extracellular potassium accumulation. In this way, we can have experimental values to compare and validate the results of the simulations. With the results obtained in the simulations of different proposed parameters, we have analyzed and quantified the effect of hyperkalemia on action potential, ionic behavior and contribution of potassium currents. It has been observed that hyperkalemia is the result of various metabolic and electrophysiological effects occurring simultaneously and is not due to one single cause. We can also conclude that IK1 is main ionic current responsible for the variation seen in extracellular potassium concentration, with IK(ATP) being the second in importance. In conclusion, the model proposed by Shannon et al., is able to simulate the effect of acute ischemia and show changes in extracellular potassium concentration over time.

[ES] La isquemia aguda de miocardio es una de las cardiopatías más frecuentes. Es producida por cambios metabólicos y electrofisiológicos de las células que conforman el musculo. Presenta un fenómeno muy conocido que es la acumulación extracelular de potasio, y que cuando supera el valor de 6 mM se conoce como hiperkalemia. Las consecuencias de la hiperkalemia son extremadamente graves para la salud, pues el fenómeno predispone al miocardio a sufrir arritmias potencialmente mortales tales como la fibrilación ventricular. El objetivo de este trabajo es estudiar los mecanismos causantes de la hiperkalemia mediante el uso de modelos matemáticos de potencial de acción de células cardiacas ventriculares de conejo. Se utilizará el modelo propuesto por Shannon et al. [1], introduciendo las ecuaciones necesarias para simular los efectos causados por la isquemia aguda. Se ha realizado en primer lugar una revisión exhaustiva de la literatura científica existente con el fin de encontrar datos experimentales acerca del fenómeno de la isquemia aguda y sobre todo de la acumulación extracelular de potasio. De esta manera, se ha dispuesto de valores experimentales para comparar y validar los resultados de la simulación computacional. Con los resultados obtenidos en la simulación de diferentes parámetros propuestos, se ha cuantificado cómo se afecta al potencial de acción y al comportamiento y aporte iónico de las corrientes de potasio. Se ha podido observar como la hiperkalemia es el resultado de varios efectos concurrentes metabólicos y electrofisiológicos que ocurren a la vez y no debido a un solo efecto en particular. Se concluye que la corriente IK1 es la que más contribuye al aumento de la concentración de potasio extracelular. La corriente IK(ATP) es la segunda corriente de potasio en importancia en la generación de la hiperkalemia. En conclusión, el modelo de Shannon es capaz de simular el efecto de la isquemia aguda y mostrar las causas del cambio de la concentración extracelular en el tiempo.

[CA] La isquèmia aguda de miocardi és una de les cardiopaties més freqüents. És produïda per canvis metabòlics i electrofisiològics de les cèl·lules que conformen el múscul. Presenta un fenomen molt conegut que és l'acumulació extracel·lular de potassi, i que quan supera el valor de 6 mM es coneix com hiperkalemia. Les conseqüències de la hiperkalemia són extremadament greus per a la salut, ja que el fenomen predisposa al miocardi a patir arítmies potencialment mortals com ara la fibril·lació ventricular. L'objectiu d'aquest treball és estudiar els mecanismes causants de la hiperkalemia mitjançant l'ús de models matemàtics de potencial d'acció de cèl·lules cardíaques ventriculars de conill. S'utilitzarà el model proposat per Shannon et al. [1], introduint les equacions necessàries per simular els efectes causats per la isquèmia aguda. S'ha realitzat en primer lloc una revisió exhaustiva de la literatura científica existent per tal de trobar dades experimentals sobre el fenomen de la isquèmia aguda i sobretot de l'acumulació extracel·lular de potassi. D'aquesta manera, s'ha disposat de valors experimentals per comparar i validar els resultats de la simulació computacional. Amb els resultats obtinguts en la simulació de diferents paràmetres proposats, s'ha quantificat com s'afecta al potencial d'acció i al comportament i aporti iònic dels corrents de potassi. S'ha pogut observar com la hiperkalemia és el resultat de diversos efectes concurrents metabòlics i electrofisiològics que ocorren alhora i no a causa d'un sol efecte en particular. També es pot concloure que el corrent IK1 és la que més contribueix a l'augment de la concentració de potassi extracel·lular. El corrent IK(ATP) és la segona corrent de potassi en importància en la generació de la hiperkalemia. En conclusió, el model de Shannon és capaç de simular l'efecte de la isquèmia aguda i mostrar les causes del canvi de la concentració extracel·lular en el temps.