Computational Modeling of Cardiac Excitation-Contraction Coupling in Physiological and Pathological Conditions

The cardiomyocyte is a complex biological system where many mechanisms interact non-linearly to regulate the coupling between electrical excitation and mechanical contraction. For this reason, the development of mathematical models is fundamental in the field of cardiac electrophysiology, where the use of computational tools has become complementary to the classical experimentation. My doctoral research has been focusing on the development of such models for investigating the regulation of ventricular excitation-contraction coupling at the single cell level. In particular, the following researches are presented in this thesis: 1) Study of the unexpected deleterious effect of a Na channel blocker on a long QT syndrome type 3 patient. Experimental results were used to tune a Na current model that recapitulates the effect of the mutation and the treatment, in order to investigate how these influence the human action potential. Our research suggested that the analysis of the clinical phenotype is not sufficient for recommending drugs to patients carrying mutations with undefined electrophysiological properties. 2) Development of a model of L-type Ca channel inactivation in rabbit myocytes to faithfully reproduce the relative roles of voltage- and Ca-dependent inactivation. The model was applied to the analysis of Ca current inactivation kinetics during normal and abnormal repolarization, and predicts arrhythmogenic activity when inhibiting Ca-dependent inactivation, which is the predominant mechanism in physiological conditions. 3) Analysis of the arrhythmogenic consequences of the crosstalk between β-adrenergic and Ca-calmodulin dependent protein kinase signaling pathways. The descriptions of the two regulatory mechanisms, both enhanced in heart failure, were integrated into a novel murine action potential model to investigate how they concur to the development of cardiac arrhythmias. These studies show how mathematical modeling is suitable to provide new insights into the mechanisms underlying cardiac excitation-contraction coupling and arrhythmogenesis.

Il cardiomiocita è un sistema biologico complesso in cui molti meccanismi interagiscono non linearmente nel processo che accoppia l'eccitazione elettrica alla contrazione meccanica. Lo sviluppo di modelli matematici è quindi fondamentale nel settore dell'elettrofisiologia cardiaca, dove l'uso di strumenti computazionali è diventato complementare alla classica sperimentazione. La mia attività di ricerca si è concentrata sullo sviluppo di tali modelli allo scopo di investigare la regolazione dell'accoppiamento eccitazione-contrazione nella cellula ventricolare. In particolare, questa tesi presenta le seguenti attività: 1) Studio delle inaspettate deleterie conseguenze della somministrazione di un bloccante del canale sodio ad un paziente affetto da sindrome del QT lungo di tipo 3. I risultati sperimentali sono stati usati per riprodurre con un modello di corrente sodio gli effetti di mutazione e trattamento farmacologico, al fine di studiare come questi influenzino il potenziale d'azione umano. La nostra ricerca ha suggerito che l'analisi del fenotipo clinico non è sufficiente per somministrare un farmaco a pazienti che presentano mutazioni con indefinite proprietà elettrofisiologiche. 2) Sviluppo di un modello di inattivazione del canale calcio di tipo L nel cardiomiocita di coniglio allo scopo di riprodurre fedelmente i contributi di inattivazione voltaggio e calcio-dipendente. Il modello, applicato all'analisi delle cinetiche di tale corrente durante normale ed anormale ripolarizzazione, ha predetto lo sviluppo di attività aritmica in caso di inibizione del meccanismo calcio-dipendente, il cui effetto è predominante in condizioni fisiologiche. 3) Analisi delle conseguenze aritmogene dell'interazione tra le vie di segnalazione di stimolazione beta-adrenergica e proteina chinasi calcio-calmodulina dipendente. Le descrizioni dei due sistemi regolatori, entrambi aumentati in condizioni di insufficienza cardiaca, sono state integrate in un nuovo modello di potenziale d'azione murino, al fine di studiare come questi concorrono nell'insorgenza di aritmie. Questi studi mostrano come la modellistica matematica permetta di investigare i meccanismi che regolano l'accoppiamento eccitazione-contrazione e l'aritmogenesi.