ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITÀ DI BOLOGNA SEDE DI CESENA

SECONDA FACOLTÀ DI INGEGNERIA

CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA BIOMEDICA

SIMULAZIONE NUMERICA DEGLI EFFETTI DELLA CARDIOMIOPATIA UREMICA SUL POTENZIALE

D’AZIONE DEL MIOCITA VENTRICOLARE.

G. Callisesi, C. Corsi, S.Severi

BACKGROUND

Pazienti che soffrono di insufficienza renale spesso sviluppano disturbi cardiaci

Questi disturbi vengono considerati manifestazioni di una vera e propria “cardiomiopatia uremica”

GLI EFFETTI DELLA CARDIOMIOPATIA UREMICAA LIVELLO SISTEMICO …

• Disfunzione diastolica e sistolica;

• Ipertrofia del ventricolo sinistro ed edema polmonare;

• Aumento dell’incidenza di eventi aritmici, in particolare alla fine della seduta dialitica;

• L’origine di tali alterazioni nell’attività elettrica del

miocardio rimane in parte sconosciuta …..

... E A LIVELLO DI SINGOLO CARDIOMIOCITA

• Alterazione della cinetica del calcio intracellulare (accoppiamento eccitazione-contrazione);

• Alterazione dell’potenziale d’azione (AP) in termini di durata e morfologia (possibilità di aritmogenesi);

Questi fenomeni possono essere studiati tramite l’approccio modellistico

MODELLI MATEMATICI DELL’AP

I modelli di cardiomiocita permettono di riprodurre l’AP e di prevedere l’effetto sull’AP dell’alterazione dei flussi ionici e

delle concentrazioni elettrolitiche.

98.6 98.7 98.8 98.9 99 99.1 99.2 99.3 99.4 99.5 99.6-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

tempo [s]

Vm

[V

]

• È un modello assai complesso nel quale INa, ICaL, Ito,

IKs, IKr e IK1 sono basate su dati relativi a correnti misurate in canali umani;

• Introduzione di un SS rispetto alla precedente versione del 2004;

• TTP06 è stato modificato in modo da riprodurre la dipendenza dal calcio dell’APD (durata dell’AP);

IL MODELLO DI TEN TUSSCHER-PANFILOV 2006 (TTP06)

OBIETTIVO Sviluppare e implementare in Simulink un modello di “cardiomiocita uremico”

• Analisi della letteratura;• Progetto e implementazione di modifiche al modello TTP06:

• INaK

• Ito

• ICaL

• Iup

• Ikr

• Test degli effetti di ogni modifica;• Integrazione delle modifiche in un unico modello;• Applicazione: insorgenza di aritmie in dialisi;

INaK

CORRENTE DELLA POMPA SODIO POTASSIO

INaK

• Numerosi dati sperimentali: in condizioni uremiche, l’attività della pompa sodio-potassio è compromessa (-10%);

• Riduzione dei siti disponibili per la pompa;

• Accumulo di sodio (e impoverimento di potassio) all’interno della cellula;

• La modifica non ha effetti apprezzabili sull’AP;

Ito

CORRENTE DI POTASSIO RIPOLARIZZANTE TRANSIENTE

Ito

• Donohoe et al. 2000: Ito aumentata nei ratti in condizioni di uremia;

• Aumento della conduttanza massima e rallentamento della cinetica di inattivazione;

ICaL

CORRENTE DI CALCIOL-TYPE

ICaL

• Donohoe et al. 2001: riduzione (20%) delle costanti di tempo di inattivazione lenta e veloce;

• Minor ingresso di calcio nella cellula;

Iup

CORRENTE DI UPTAKE DEL RETICOLO SARCOPLASMATICO

Iup

• Kennedy et al.2003: inibita l’attività della pompa di uptake del 30%;

• Diminuzione e rallentamento del transiente di calcio;

non ci sono effetti apprezzabili sull’APD

Ikr

CORRENTE DI POTASSIO RAPIDA

Ikr

• Johnson e al.’99:diminuzione della corrente di potassio all’aumentare della concentrazione di calcio extracellulare;• Variazioni di questo tipo di [Ca2+] possono verificarsi in condizioni di uremia o in seguito a dialisi;

Nessun effetto apprezzabile sul potenziale d’azione

UN NUOVO MODELLO DI “CARDIOMIOCITA UREMICO”

• L’uremia influisce sull’AP sia in termini di durata che di morfologia;

….modifiche più significative:• Ito (“notch” in corrispondenza della fase 1 dell’AP );

• ICaL (accorciamento dell’APD);

Anche il transiente di calcio risulta affetto dall’uremia:

• Le singole modifiche alla Ito e alla INaK causano un aumento del transiente;

• Le alterazioni alla ICaL e alla Iup hanno l’effetto opposto.

Il risultato complessivo è una diminuzione del transiente.

APPLICAZIONE: INSORGENZA DI ARITMIE IN

DIALISI

• Durante la dialisi la concentrazione degli elettroliti varia sensibilmente in tempo relativamente breve;

• A fine dialisi vi è un incremento dell’incidenza di eventi aritmici;

• Possibilità di simulare imponendo le concentrazioni extracellulari a valori misurati in dialisi;

CURVA DI RESTITUZIONE DEL MODELLO

• Implementazione del protocollo di restituzione S1-S2;

• Curva di restituzione: valori di APD90 corrispondenti ai diversi valori di DI;

EFFETTO DELL’UREMIA SULLA RESTITUTION

Confronto tra la curva di restituzione del modello TTP06 e del modello uremico:

La curva è più bassa, in accordo con il risultato di accorciamento di APD causato dall’uremia;

CURVE DI RESTITUZIONE IN CONDIZIONI DI INIZIO E FINE DIALISI

A fine dialisi per valori molto bassi di DI si ha la scomparsa del plateau (fase 2 dell’AP).

Incrementando DI aumenta l’APD generati dall’S2.

In corrispondenza di un certo valore di DI, ricompare il plateau, ma con una fase di ripolarizzazione transiente più

lunga e di maggiore intensità.

Interpretazione dei risultati ottenuti (1)

Effetto dell’uremia sul transiente di calcio intracellulare:

• Diminuzione del transiente coerente con la riduzione di contrattilità (manifestazione clinica della cardiomiopatia);

Effetto dell’uremia sull’APD:

•Accorciamento dell’APD nel modello in contrasto con l’allungamento dell’intervallo QT nei pazienti uremici;

•Possibile spiegazione: l’allungamento del QT può essere effetto del rallentamento della conduzione dello stimolo in un

cuore ipertrofico e non il risultato di un APD più lungo;

Interpretazione dei risultati ottenuti (2)

Effetto della dialisi:

• L’assenza della fase di plateau a fine dialisi non osservata nel modello TTP06;

• Questo effetto, imputabile all’uremia, contribuisce alle disomogeneità elettriche e all’aumento dell’incidenza di aritmie;

• Questi fenomeni sono clinicamente riscontrati nei pazienti al termine della sessione dialitica;

ANALISI DEI MECCANISMI CHE PARTECIPANO ALL’OMEOSTASI DEL SODIO

• La concentrazione di sodio, a fine dialisi, raggiunge valori non fisiologici;

• Analisi dei meccanismi che partecipano alla regolazione della concentrazione dell’elettrolita;

• Lo scambiatore sodio-idrogeno (NHE) (Crampin et al.) è stato implementato ed aggiunto al modello;

MODELLO DI CARDIOMIOCITA IN CONDIZIONE DI ACIDOSI (CRAMPIN ET AL. 2006)

Effetti dell’acidosi sui meccanismi del miocita ventricolare:

• Aumento della concentrazione diastolica di calcio;

• Inibizione da parte dei protoni dell’uptake di calcio e del rilascio da parte del SR;

• Diminuzione della forza di contrazione;

• Aumento della concentrazione di sodio intracellulare causato dall’attivazione dello scambiatore sodio-idrogeno;

PASSO 1: IMPLEMENTAZIONE DEL BLOCCO DELLO SCAMBIATORE NHE

Si è cercato di riprodurre l’andamento dell’attività dello scambiatore in funzione dei diversi valori di pH (sulla

destra, quadrati pieni)

PASSO 2: ANALISI DEGLI EFFETTI DELLO SCAMBIATORE SULL’ ANDAMENTO DELLA

CONCENTRAZIONE DI SODIO INTRACELLULARE

• Il trattamento dialitico comporta anche un ripristino del pH;

• Modello reso sensibile alle variazioni del pH e ripristino del pH nelle simulazioni di fine dialisi;

• L’aumento di sodio nel modello con il blocco NHE risulta inferiore ma di poco rispetto al modello senza scambiatore;

• Possibili sviluppi: implementazione di altri scambiatori non considerati finora (cotrasportatore sodio-bicarbonato...);

CONCLUSIONI

• Il modello TTP06 non era adatto a riprodurre la condizione di uremia;

• Il nuovo modello sintetizza le osservazioni sperimentali ad oggi presentate in letteratura sull’effetto dell’uremia sulle correnti di membrana;

• Fornisce un possibile meccanismo alla base della suscettibilità alle aritmie;

• Costituisce la base per lo sviluppo di un modello realistico di cardiomiocita uremico;

• Resta da migliorare la descrizione degli effetti dell’acidosi sui meccanismi cellulare;