Nonequilibrium arrhythmic states and transitions in a mathematical model for diffuse fibrosis in human cardiac tissue

We present a comprehensive numerical study of spiral-and scroll-wave dynamics in a state-of-the-art mathematical model for human ventricular tissue with fiber rotation, transmural heterogeneity, myocytes, and fibroblasts. Our mathematical model introduces fibroblasts randomly, to mimic diffuse fibrosis, in the ten Tusscher-Noble-Noble-Panfilov (TNNP) model for human ventricular tissue; the passive fibroblasts in our model do not exhibit an action potential in the absence of coupling with myocytes; and we allow for a coupling between nearby myocytes and fibroblasts. Our study of a single myocyte-fibroblast (MF) composite, with a single myocyte coupled to N-f fibroblasts via a gap-junctional conductance G(gap), reveals five qualitatively different responses for this composite. Our investigations of two-dimensional domains with a random distribution of fibroblasts in a myocyte background reveal that, as the percentage P-f of fibroblasts increases, the conduction velocity of a plane wave decreases until there is conduction failure. If we consider spiral-wave dynamics in such a medium we find, in two dimensions, a variety of nonequilibrium states, temporally periodic, quasiperiodic, chaotic, and quiescent, and an intricate sequence of transitions between them; we also study the analogous sequence of transitions for three-dimensional scroll waves in a three-dimensional version of our mathematical model that includes both fiber rotation and transmural heterogeneity. We thus elucidate random-fibrosis-induced nonequilibrium transitions, which lead to conduction block for spiral waves in two dimensions and scroll waves in three dimensions. We explore possible experimental implications of our mathematical and numerical studies for plane-, spiral-, and scroll-wave dynamics in cardiac tissue with fibrosis.

Turbulent electrical activity at sharp-edged inexcitable obstacles in a model for human cardiac tissue

Wave propagation around various geometric expansions, structures, and obstacles in cardiac tissue may result in the formation of unidirectional block of wave propagation and the onset of reentrant arrhythmias in the heart. Therefore, we investigated the conditions under which reentrant spiral waves can be generated by high-frequency stimulation at sharp-edged obstacles in the ten Tusscher-Noble-Noble-Panfilov (TNNP) ionic model for human cardiac tissue. We show that, in a large range of parameters that account for the conductance of major inward and outward ionic currents of the model fast inward Na+ current (INa), L-type slow inward Ca2+ current (I-CaL), slow delayed-rectifier current (I-Ks), rapid delayed-rectifier current (I-Kr), inward rectifier K+ current (I-K1)], the critical period necessary for spiral formation is close to the period of a spiral wave rotating in the same tissue. We also show that there is a minimal size of the obstacle for which formation of spirals is possible; this size is similar to 2.5 cm and decreases with a decrease in the excitability of cardiac tissue. We show that other factors, such as the obstacle thickness and direction of wave propagation in relation to the obstacle, are of secondary importance and affect the conditions for spiral wave initiation only slightly. We also perform studies for obstacle shapes derived from experimental measurements of infarction scars and show that the formation of spiral waves there is facilitated by tissue remodeling around it. Overall, we demonstrate that the formation of reentrant sources around inexcitable obstacles is a potential mechanism for the onset of cardiac arrhythmias in the presence of a fast heart rate.

A Model of Ischemia-Induced Neuroblast Activation in the Adult Subventricular Zone

12 p.

Neuroprotective Effect of Melatonin: A Novel Therapy against Perinatal Hypoxia-Ischemia

17 p.

Apaf-1 Inhibitors Protect from Unwanted Cell Death in In Vivo Models of Kidney Ischemia and Chemotherapy Induced Ototoxicity

Background: Excessive apoptosis induces unwanted cell death and promotes pathological conditions. Drug discovery efforts aimed at decreasing apoptotic damage initially targeted the inhibition of effector caspases. Although such inhibitors were effective, safety problems led to slow pharmacological development. Therefore, apoptosis inhibition is still considered an unmet medical need. Methodology and Principal Findings: The interaction between Apaf-1 and the inhibitors was confirmed by NMR. Target specificity was evaluated in cellular models by siRNa based approaches. Cell recovery was confirmed by MTT, clonogenicity and flow cytometry assays. The efficiency of the compounds as antiapoptotic agents was tested in cellular and in vivo models of protection upon cisplatin induced ototoxicity in a zebrafish model and from hypoxia and reperfusion kidney damage in a rat model of hot ischemia. Conclusions: Apaf-1 inhibitors decreased Cytc release and apoptosome-mediated activation of procaspase-9 preventing cell and tissue damage in ex vivo experiments and in vivo animal models of apoptotic damage. Our results provide evidence that Apaf-1 pharmacological inhibition has therapeutic potential for the treatment of apoptosis-related diseases.

Pretreatment with Resveratrol Prevents Neuronal Injury and Cognitive Deficits Induced by Perinatal Hypoxia-Ischemia in Rats

Despite advances in neonatal care, hypoxic-ischemic brain injury is still a serious clinical problem, which is responsible for many cases of perinatal mortality, cerebral palsy, motor impairment and cognitive deficits. Resveratrol, a natural polyphenol with important anti-oxidant and anti-inflammatory properties, is present in grapevines, peanuts and pomegranates. The aim of the present work was to evaluate the possible neuroprotective effect of resveratrol when administered before or immediately after a hypoxic-ischemic brain event in neonatal rats by analyzing brain damage, the mitochondrial status and long-term cognitive impairment. Our results indicate that pretreatment with resveratrol protects against brain damage, reducing infarct volume, preserving myelination and minimizing the astroglial reactive response. Moreover its neuroprotective effect was found to be long lasting, as behavioral outcomes were significantly improved at adulthood. We speculate that one of the mechanisms for this neuroprotection may be related to the maintenance of the mitochondrial inner membrane integrity and potential, and to the reduction of reactive oxygen species. Curiously, none of these protective features was observed when resveratrol was administered immediately after hypoxia-ischemia.

Hemodinâmica cardíaca e o metabolismo energético mitocondrial de camundongos adultos hiperalimentados na lactação

O desequilíbrio nutricional no início da vida leva ao desenvolvimento da obesidade, diabetes e doenças cardiovasculares na idade adulta. Este estudo teve como objetivo analisar os efeitos a longo prazo da hiperalimentação na lactação por meio do modelo de redução da ninhada na hemodinâmica e bioenergética cardíaca. Vinte e quatro camundongos machos Swiss adultos foram divididos em dois grupos (controle e hiperalimentado) submetidos a duas condições (linha de base e isquemia/reperfusão) formando quatro grupos no total: grupo controle linha de base (GCLB), grupo controle isquemia/reperfusão (GCIR), grupo hiperalimentado linha de base (GHLB) e o grupo hiperalimentado isquemia/reperfusão (GHIR), todos com seis camundongos/grupo. As alterações cardíacas foram analisadas por meio da hemodinâmica cardíaca, da respiração mitocondrial e da biologia molecular. Os parâmetros hemodinâmicos analisados foram a velocidade de contração (Max dP/dt), a velocidade de relaxamento (Min dP/dt), o tempo de relaxamento cardíaco isovolumétrico (Tau) e os batimentos por minuto (BPM). A respiração mitocondrial foi avaliada por meio da razão do controle respiratório (RCR) na oxidação de carboidratos e ácidos gordos, e finalmente, a biologia molecular, através de proteínas-chave como a proteína quinase B (AKT), a proteína quinase ativada por adenosina monofosfato (AMPK), a carnitina palmitoil transferase 1 (CPT-1), a proteína desacopladora 2 (UCP2), o 4-hidroxinonenal (4-HNE) e a gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase (GAPDH). Os camundongos do GH desenvolveram maior peso corporal (30,95%, P<0,001), gordura epididimal (68,64%, P<0,001), gordura retroperitoneal (109,38%, P<0,01) e glicemia de jejum (19,52%, P<0,05) comparados aos do GC. Os parâmetros Max dP/dt e BPM apresentaram diminuição no GHIR quando comparado ao GHLB (P<0,001 e P<0,05). O parâmetro Min dP/dt apresentou-se reduzido no GCIR e GHIR quando comparado aos grupos GCLB e GCLB (P<0,05; P<0,0001 respectivamente). Camundongos do GHIR apresentaram redução do Tau quando comparado aos grupos GCIR e GHLB (P<0,0001). Estes desequilíbrios na hemodinâmica cardíaca foram associados a função mitocondrial, uma vez que, o GHLB apresenta a RCR reduzida para oxidação de ácidos graxos e carboidratos (P<0,05 e P<0,01, respectivamente) e o GHIR apenas na oxidação dos ácidos graxos (P<0,01). Além disso, o GHIR apresentou diversas alterações nas proteínas-chave do metabolismo energético cardíaco, como diminuição do conteúdo de AKT (P<0,05) e aumento do conteúdo de CPT-1 (P<0,05), 4-HNE (P<0,05) e GAPDH (P<0,05) quando comparado ao CGIR. Finalmente, a expressão do mRNA para CPT1, GAPDH e UCP2 foi aumentada no GHIR quando comparado aos GCIR (P<0,05) e GHLB (P<0,05). A expressão de mRNA para UCP2 e CPT-1 foi reduzida no GCIR quando comparado ao GCLB (P<0,01 e P<0,05, respectivamente). O estudo apresenta resultados consistentes, demonstrando efeitos deletérios sobre o metabolismo cardíaco adulto resultante de alterações nutricionais durante a lactação.

Ação concomitante da irradiação e quimioterapia no coração de ratas Wistar

O Câncer de mama (CM) é hoje o tipo de câncer mais incidente entre as mulheres, com a estimativa de 53 mil novos casos para o ano de 2013, segundo o Instituto Nacional do Câncer (INCA). É considerada uma doença de bom prognóstico, principalmente quando diagnosticada na sua fase mais precoce. A evolução no diagnóstico, e nas técnicas de tratamento para o CM, que incluem a quimioterapia e/ou radioterapia, aumentaram a expectativa de sobrevida para este tipo de câncer. Uma das complicações tardias induzidas pelo tratamento desta doença é a cardiotoxicidade. O termo cardiotoxicidade abrange uma série de efeitos colaterais, que incluem arritmias, alterações na pressão arterial, isquemia do miocárdio, trombose ou insuficiência cardíaca. É, por isso, fundamental entender os mecanismos envolvidos no desenvolvimento da toxicidade cardíaca para o sucesso do tratamento dos pacientes com CM. Este trabalho teve como objetivo avaliar os efeitos cardíacos tardios induzidos pela irradiação e quimioterapia, simulando um tratamento para o CM, em ratas Wistar. Ratas Wistar, com aproximadamente 3 meses de idade, foram divididas em: grupo controle, grupo que recebeu quimioterapia + irradiação (TC+IR), e grupo que recebeu apenas irradiação (IR). A quimioterapia foi administrada em 4 ciclos, com intervalo de 1 semana entre eles. A irradiação na região do coração foi realizada em dose única, de 20Gy, em um campo de 2x2 cm2. Os ratos foram submetidos à eutanásia 5 meses após o término dos tratamentos, para que os efeitos tardios pudessem ser avaliados. Vários estudos foram conduzidos: ecocardiografia para observar as alterações funcionais do coração; PCR em tempo real para detectar alterações no nível mRNA de procolágeno tipo I, TGF-β1, angiotensinogênio, renina, ECA, AT1, VEGF e razão Bax/;bcl2, no tecido do ventrículo esquerdo (VE); Além de ensaios histológicos para avaliar o aspecto do tecido cardíaco do VE. Resultados e discussão Os resultados obtidos indicam um processo de remodelamento cardíaco após os tratamentos para o CM. Sugere-se que este remodelamento inicie-se com a diminuição de vasos no VE, causada pelos tratamentos, conforme os resultados da estereologia e do PCR para VEGF. Em seguida mostrou-se hipertrofia dos cardiomiócitos, o aumento da expressão de procolágeno e TGF-β1 e de tecido conjuntivo neste tecido. E associado a estes resultados, mostrou-se a participação dos sistema renina angiotensina cardíaco neste processo de remodelamento. Porém, apesar de todas estas alterações terem ocorrido em ambos os grupos tratados, apenas o grupo que recebeu irradiação e quimioterapia concomitantemente apresentou alteração da função cardíaca, na ecocardiografia. Sugere-se, desta forma, que a associação destas terapias seja mais lesiva ao coração, do que a irradiação aplicada exclusivamente. Conclusão Os objetivos do trabalho foram alcançados, e pode-se entender melhor as vias envolvidas na cardiotoxicidade. Este é um estudo inédito, o assunto abordado é recente, e de sumo importância para o desenvolvimento de novas estratégias de tratamento para o CM, onde sejam consideradas as complicações cardíacas tardias envolvidas.

Prolonged cardiac allograft survival in presensitized rats after a high activity Yunnan-cobra venom factor therapy

Complement-dependent antibody-mediated acute humoral rejection is the major obstacle of clinical transplantation across ABO incompatibility and human leukocyte antigen presensitization. We previously demonstrated that Yunnan-cobra venom factor (Y-CVF) cou

Prolonged cardiac xenograft survival in guinea pig-to-rat model by a highly active cobra venom factor

A highly active cobra venom factor (CVF) was isolated from the venom of Naja kaouthia by sequential column chromatography. It displays strong anticomplementary activity, and has 1515 U of anti complementary activity per mg protein. A single dose of 0.1 mg/kg CVF given i.v. to rats completely abrogated complement activity for nearly 5 days. Given 0.02 mg/kg of CVF. the complement activity of rats was reduced by more than 96.5% in 6 It. In guinea pig-to-rat heart transplant model, rats treated with a single dose of 0.05 mg/kg CVF had significantly prolonged xenograft survival (56.12 +/- 6.27 h in CVF-treated rats vs. 0.19 +/- 0.07 h in control rats, P < 0.001). (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.