Spiral-wave dynamics in ionically realistic mathematical models for human ventricular tissue: the effects of periodic deformation

We carry out an extensive numerical study of the dynamics of spiral waves of electrical activation, in the presence of periodic deformation (PD) in two-dimensional simulation domains, in the biophysically realistic mathematical models of human ventricular tissue due to (a) ten-Tusscher and Panfilov (the TP06 model) and (b) ten-Tusscher, Noble, Noble, and Panfilov (the TNNPO4 model). We first consider simulations in cable-type domains, in which we calculate the conduction velocity theta and the wavelength lambda of a plane wave; we show that PD leads to a periodic, spatial modulation of theta and a temporally periodic modulation of lambda; both these modulations depend on the amplitude and frequency of the PD. We then examine three types of initial conditions for both TP06 and TNNPO4 models and show that the imposition of PD leads to a rich variety of spatiotemporal patterns in the transmembrane potential including states with a single rotating spiral (RS) wave, a spiral-turbulence (ST) state with a single meandering spiral, an ST state with multiple broken spirals, and a state SA in which all spirals are absorbed at the boundaries of our simulation domain. We find, for both TP06 and TNNPO4 models, that spiral-wave dynamics depends sensitively on the amplitude and frequency of PD and the initial condition. We examine how these different types of spiral-wave states can be eliminated in the presence of PD by the application of low-amplitude pulses by square- and rectangular-mesh suppression techniques. We suggest specific experiments that can test the results of our simulations.

A Comparative Study of Early Afterdepolarization-Mediated Fibrillation in Two Mathematical Models for Human Ventricular Cells

Early afterdepolarizations (EADs), which are abnormal oscillations of the membrane potential at the plateau phase of an action potential, are implicated in the development of cardiac arrhythmias like Torsade de Pointes. We carry out extensive numerical simulations of the TP06 and ORd mathematical models for human ventricular cells with EADs. We investigate the different regimes in both these models, namely, the parameter regimes where they exhibit (1) a normal action potential (AP) with no EADs, (2) an AP with EADs, and (3) an AP with EADs that does not go back to the resting potential. We also study the dependence of EADs on the rate of at which we pace a cell, with the specific goal of elucidating EADs that are induced by slow or fast rate pacing. In our simulations in two-and three-dimensional domains, in the presence of EADs, we find the following wave types: (A) waves driven by the fast sodium current and the L-type calcium current (Na-Ca-mediated waves); (B) waves driven only by the L-type calcium current (Ca-mediated waves); (C) phase waves, which are pseudo-travelling waves. Furthermore, we compare the wave patterns of the various wave-types (Na-Ca-mediated, Ca-mediated, and phase waves) in both these models. We find that the two models produce qualitatively similar results in terms of exhibiting Na-Ca-mediated wave patterns that are more chaotic than those for the Ca-mediated and phase waves. However, there are quantitative differences in the wave patterns of each wave type. The Na-Ca-mediated waves in the ORd model show short-lived spirals but the TP06 model does not. The TP06 model supports more Ca-mediated spirals than those in the ORd model, and the TP06 model exhibits more phase-wave patterns than does the ORd model.

Turbulent states and their transitions in mathematical models for ventricular tissue: The effects of random interstitial fibroblasts

We study the dynamical behaviors of two types of spiral-and scroll-wave turbulence states, respectively, in two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) mathematical models, of human, ventricular, myocyte cells that are attached to randomly distributed interstitial fibroblasts; these turbulence states are promoted by (a) the steep slope of the action-potential-duration-restitution (APDR) plot or (b) early afterdepolarizations (EADs). Our single-cell study shows that (1) the myocyte-fibroblast (MF) coupling G(j) and (2) the number N-f of fibroblasts in an MF unit lower the steepness of the APDR slope and eliminate the EAD behaviors of myocytes; we explore the pacing dependence of such EAD suppression. In our 2D simulations, we observe that a spiral-turbulence (ST) state evolves into a state with a single, rotating spiral (RS) if either (a) G(j) is large or (b) the maximum possible number of fibroblasts per myocyte N-f(max) is large. We also observe that the minimum value of G(j), for the transition from the ST to the RS state, decreases as N-f(max) increases. We find that, for the steep-APDR-induced ST state, once the MF coupling suppresses ST, the rotation period of a spiral in the RS state increases as (1) G(j) increases, with fixed N-f(max), and (2) N-f(max) increases, with fixed G(j). We obtain the boundary between ST and RS stability regions in the N-f(max)-G(j) plane. In particular, for low values of N-f(max), the value of G(j), at the ST-RS boundary, depends on the realization of the randomly distributed fibroblasts; this dependence decreases as N-f(max) increases. Our 3D studies show a similar transition from scroll-wave turbulence to a single, rotating, scroll-wave state because of the MF coupling. We examine the experimental implications of our study and propose that the suppression (a) of the steep slope of the APDR or (b) EADs can eliminate spiral-and scroll-wave turbulence in heterogeneous cardiac tissue, which has randomly distributed fibroblasts.

Correlação da resposta clínica à vardenafila em dois regimes terapêuticos com parâmetros vasculares e escore de risco cardiovascular em hipertensos com disfunção erétil vasculogênica

A disfunção erétil (DE) tem alta prevalência entre hipertensos e tem sido considerada marcador precoce de risco cardiovascular. A presença e gravidade da DE bem como a resposta clínica aos inibidores da fosfodiesterase tipo 5 (PDE5) parecem depender da biodisponibilidade do óxido nítrico (NO) endotelial e da extensão da doença aterosclerótica. O objetivo deste estudo foi avaliar a resposta clínica da vardenafila usada em dois regimes terapêuticos em hipertensos com DE vasculogênica e sem doença cardiovascular maior, correlacionando a gravidade da DE e a eficácia da vardenafila com dados antropométricos, laboratoriais, escore de risco cardiovascular e parâmetros vasculares funcionais e estruturais. A resposta clínica à vardenafila nos dois regimes foi avaliada conforme o percentual de respostas positivas à questão 3 do Perfil do Encontro Sexual (PES3). Os parâmetros vasculares considerados foram a espessura médio-intimal (EMI) da carótida comum, a dilatação mediada pelo fluxo (DMF) da artéria braquial e a dilatação nitrato-mediada (DNM). Foram incluídos 100 homens hipertensos com idade entre 50 e 70 anos, sendo 74 portadores de DE vasculogênica e 26 com função erétil normal que serviram de grupo controle. Nos pacientes com DE, o índice de massa corporal, relação cintura-quadril, EMI da carótida, níveis séricos de triglicerídeos, colesterol total e LDL foram significativamente maiores que no grupo controle. Após o uso de vardenafila on demand (fase 1), os pacientes com mais de 50% de respostas positivas ao PES3 ou 50% de respostas afirmativas e um incremento de 6 pontos ou mais em relação ao Índice Internacional de Função Erétil (IIEF-FE) basal e/ou resposta positiva a Questão de Avaliação Global (QAG), foram considerados respondedores. O escore do IIEF-FE basal se correlacionou negativamente com a EMI da carótida (r=-0,48, P<0,001) e com o escore de Framingham (r= -0,41, P<0,001) no grupo com DE. Houve forte correlação positiva entre a resposta clínica à vardenafila com a DMF (r= 0,70, P<0,001), que não se observou entre o sub-grupo de diabéticos. Os 35 pacientes considerados não-respondedores na fase 1 foram randomizados e, em desenho duplo-cego, receberam vardenafila ou placebo diariamente durante cinco semanas, podendo usar 10 mg de vardenafila uma hora antes da atividade sexual (fase2). Houve resposta clínica positiva em 38,8% dos que receberam a vardenafila na fase 2 e esta resposta se correlacionou com a frequência sexual (r= 0,68, P<0,01) e com o escore de Framingham (r= -0,65, P<0,01), com a EMI da carótida (r= -0,61, P=0,01) e com o LDL-colesterol (r= -0,64, P<0,01). A vardenafila foi bem tolerada em ambos os regimes terapêuticos. Concluímos que nessa amostra de hipertensos, a gravidade da DE foi relacionada a parâmetros vasculares estruturais (EMI), enquanto a resposta clínica à vardenafila on demand foi mais diretamente dependente da função vascular momentânea (DMF). Houve benefício na utilização de vardenafila diariamente com o objetivo de resgatar a eficácia do inibidor quanto à melhora do desempenho sexual. A falta de eficácia clínica ao inibidor da PDE5 em ambos os regimes terapêuticos pode servir como marcador clínico que identifica homens hipertensos com um risco cardiovascular aumentado.

Estudo de prevalência de disfunção tireoidiana em pacientes com diabetes mellitus acompanhados no ambulatório de diabetes do Hospital Universitário Pedro Ernesto

O diabetes mellitus(DM) e as disfunções tireoidianas(DT) são as duas desordens endocrinológicas mais comuns na prática clínica. A DT não reconhecida pode interferir no controle metabólico e adicionar mais risco a um cenário predisponente à doença cardiovascular. O objetivo deste estudo foi avaliar a prevalência da DT em pacientes com diabetes mellitus tipo 1 e tipo 2 (DM1 e DM2) e avaliar o risco cardiovascular em pacientes com DM2 com e sem DT utilizando parâmetros clínicos e laboratoriais. Trata-se de um estudo observacional de corte transversal. Foram avaliados 304 pacientes com DM2 e 82 pacientes com DM1. Os pacientes foram submetidos a um inquérito clínico-demográfico e avaliação laboratorial para determinação do perfil lipídico, glicídico e da função tireoidiana. Os pacientes com DM2 tiveram seus escores de risco cardiovascular em 10 anos determinados pelas equações de Framingham e do UKPDS risk engine. A frequência de disfunção tireoidiana entre os 386 pacientes foi de 14,7%, sendo de 13% nos que não possuíam disfunção prévia. A disfunção mais frequente encontrada foi de hipotireoidismo subclínico, com 13% no DM1 e de 12% no DM2. A prevalência de anticorpos anti-tireoperoxidase (TPO) positivos foi de 10,8%, sendo de14,6% em pacientes com DM1.Foram diagnosticados 44 (11,2%) novos casos de disfunção tireoidiana em pacientes que negavam ou desconheciam terem DT prévia.Destes novos casos, 12,8% em DM1 e 13,1% em DM2.Dos 49 pacientes com DT prévia, 50% dos DM1e 76% dos DM2 estavam compensados. Não foi observada diferença entre as médias do escore de risco de Framingham entre os pacientes DM2 com eutireoidismo e com hipotireoidismo subclínico. Observou-se uma associação entre o hipotireoidismo subclínico e risco cardiovascular nos pacientes com DM2 demonstrado pela diferença estatisticamente significativa entre as médias do escore UKPDS para doença coronariana não-fatal e fatal, acidente vascular cerebral fatal entre os dois grupos (p=0,007; 0,005;0,027 respectivamente). As demais funções tireodianas (hipotireoidismo clínico, hipertireoidismo clínico e subclínico) encontradas não foram analisadas devido ao pequeno número de pacientes em cada grupo.Concluímos que o rastreio da doença tireoidiana entre os pacientes com diabetes mellitus deve ser realizado rotineiramente considerando-se a prevalência de novos casos de DT diagnosticados e o fato de que os pacientes com DM2 e com hipotireoidismo subclínico avaliados possuírem um risco cardiovascular maior. Todavia, concluímos que estudos prospectivos e com maior número de pacientes são necessários para o esclarecimento do impacto da doença tireoidiana no risco cardiovascular do paciente com DM.

Efeito do extrato de Euterpe oleracea Mart.(Açaí) sobre a disfunção endotelial, estresse oxidativo e alterações vasculares e renais associados à hipertensão renovascular dois rins, 1 clip (2R,1C)

Estudos recentes mostram que o açaí é rico em polifenóis e uma dieta rica em polifenóis pode estar envolvida na proteção contra o risco cardiovascular. O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito do tratamento crônico de animais hipertensos 2R,1C com extrato hidroalcoólico do caroço do açaí (ASE) sobre o desenvolvimento da hipertensão e disfunção endotelial; estresse oxidativo e sobre as alterações vasculares e renais. Ratos Wistar machos foram utilizados para obtenção da hipertensão renovascular 2R,1C e ratos controles 2R (sham) foram somente submetidos à laparotomia e receberam tratamento diário com veículo ou ASE (200 mg/Kg/dia) durante 40 dias. A pressão arterial sistólica (PAS) foi aferida por pletismografia de cauda e os efeitos vasodilatadores da acetilcolina (ACh) e nitroglicerina (NG) foram estudados em leito arterial mesentérico (LAM) perfundido e pré-contraído com norepinefrina. A atividade das enzimas SOD, CAT, GPx, os níveis de MDA, a carbonilação de proteínas e os níveis de nitrito foram avaliados por espectrofotometria. As expressões de enzimas pró e antioxidantes foram avaliadas por western blot. A atividade de MMP-2 foi avaliada por zimografia. Os níveis séricos de creatinina foram avaliados através de kit, por espectrofotometria. As alterações vasculares e renais foram avaliadas por microscopia de luz. A PAS foi maior nos animais 2R,1C, e o tratamento com ASE preveniu o desenvolvimento da hipertensão. O efeito vasodilatador reduzido da ACh em animais 2R,1C foi recuperado pelo ASE. O efeito vasodilatador da NG não foi diferente entre os grupos. O dano oxidativo avaliado pela peroxidação lipídica e carbonilação de proteínas foi maior nos animais 2R,1C, e reduzido pelo tratamento com ASE. As atividades da SOD, CAT e GPx foram menores em amostras de mesentério, plasma, rim e coração de animais 2R,1C e o tratamento com ASE aumentou estas atividades. A produção de NO foi menor no plasma, mesentério e rim dos animais 2R,1C, e o tratamento com ASE aumentou a produção de NO somente no rim e mesentério destes animais. A expressão de SOD-1, 2, eNOS e TIMP-1 foram menores nos animais 2R,1C e o tratamento com ASE aumentou a expressão destas enzimas. A expressão de NOX-4 e MMP-2 e a atividade de MMP-2 foram maiores nos animais 2R,1C e o tratamento com ASE reduziu a expressão destas enzimas e a atividade de MMP-2. Os animais 2R,1C apresentaram um aumento na espessura da camada média da aorta e artéria mesentérica e um aumento na relação média/lúmen da aorta, e estas alterações foram prevenidas pelo ASE. Os níveis séricos aumentados de creatinina nos animais 2R,1C foram reduzidos por ASE. As alterações morfológicas renais nos animais 2R,1C foram prevenidas pelo ASE. Portanto, o tratamento com ASE previne o desenvolvimento da hipertensão, melhora a disfunção endotelial e previne as alterações vasculares e renais em ratos 2R,1C. A redução da atividade antioxidante e o aumento na peroxidação lipídica e carbonilação de proteínas sugerem o envolvimento de um mecanismo deficiente da defesa antioxidante e de um dano oxidativo aumentado, os quais foram revertidos pelo ASE.

Estudo do tempo de trânsito colônico em crianças e adolescentes com constipação intestinal crônica e disfunção do trato urinário inferior

A constipação intestinal e a disfunção do trato urinário inferior são condições associadas e bastante prevalentes na infância e adolescência. Existem múltiplas teorias para explicar essa associação, como: o efeito mecânico do reto cheio sobre a parede e o colo vesical; estimulo de reflexos sacrais a partir do reto distendido, e mais recentemente, a associação entre a bexiga e o reto no sistema nervoso central. Muitas destas crianças e adolescentes apresentam constipação refratária. Esse fato chama a atenção para a possibilidade de existência de uma desordem neuromuscular comum envolvendo o cólon e o trato urinário inferior. O objetivo desse estudo foi avaliar o trânsito colônico de crianças e adolescentes com constipação crônica refratária e sintomas do trato urinário inferior. Foi realizado um estudo observacional com análise transversal, no qual foram incluídos 16 indivíduos com constipação refratária e sintomas do trato urinário inferior, com idades entre sete e 14 anos (média de idade de 9,67 anos). Os participantes foram avaliados utilizando anamnese padrão; exame físico; diário miccional e das evacuações; escala de Bristol; Disfunctional Voiding Scoring System com versão validada para o português; ultrassonografia renal, de vias urinárias e medida de diâmetro retal; urodinâmica, estudo de trânsito colônico com marcadores radiopacos e manometria anorretal. O estudo de trânsito foi normal em três (18,75%) crianças, dez (62,5%) apresentaram constipação de trânsito lento e três (18,75%) obstrução de via de saída. A avaliação urodinâmica estava alterada em 14 das 16 crianças estudadas: dez (76,9%) apresentaram hiperatividade detrusora associada à disfunção miccional, três (23,1%) hiperatividade vesical isolada e um (6,25%) disfunção miccional sem hiperatividade vesical. Ao compararmos constipação de trânsito lento e disfunção do trato urinário inferior, dez (100%) sujeitos com constipação de trânsito lento e três (50%) sem constipação de trânsito lento apresentavam hiperatividade vesical (p=0,036). Sete (70%) sujeitos com constipação de trânsito lento e quatro (66,7%) sem constipação de trânsito lento apresentavam disfunção miccional (p=0,65). Ao compararmos constipação de trânsito lento e a presença de incontinência urinária, esta estava presente em nove (90%) participantes com constipação de trânsito lento e em um (16,7%) sem constipação de trânsito lento (p = 0,008). Quanto à urgência urinária, estava presente em 10 (100%) e três (50%) respectivamente (p = 0,036). O escore do Disfunctional Voiding Scoring System variou de 6 a 21. O subgrupo com constipação de trânsito lento mostrou um escore de Disfunctional Voiding Scoring System significativamente maior que o subgrupo sem constipação de trânsito lento. O presente estudo demonstrou alta prevalência de constipação de trânsito lento em crianças e adolescentes com constipação refratária e sintomas do trato urinário inferior. Este estudo foi pioneiro em demonstrar a associação entre hiperatividade vesical e constipação de trânsito lento e coloca em voga a possibilidade de uma desordem neuromuscular comum, responsável pela dismotilidade vesical e colônica. Futuros estudos envolvendo a motilidade intestinal e vesical são necessários para melhor compreensão do tema e desenvolvimento de novas modalidades terapêuticas.

An extended computational model of the circulatory system for designing ventricular assist devices.

An extended computational model of the circulatory system has been developed to predict blood flow in the presence of ventricular assist devices (VADs). A novel VAD, placed in the descending aorta, intended to offload the left ventricle (LV) and augment renal perfusion is being studied. For this application, a better understanding of the global hemodynamic response of the VAD, in essence an electrically driven pump, and the cardiovascular system is necessary. To meet this need, a model has been established as a nonlinear, lumped-parameter electrical analog, and simulated results under different states [healthy, congestive heart failure (CHF), and postinsertion of VAD] are presented. The systemic circulation is separated into five compartments and the descending aorta is composed of three components to accurately yield the system response of each section before and after the insertion of the VAD. Delays in valve closing time and blood inertia in the aorta were introduced to deliver a more realistic model. Pump governing equations and optimization are based on fundamental theories of turbomachines and can serve as a practical initial design point for rotary blood pumps. The model's results closely mimic established parameters for the circulatory system and confirm the feasibility of the intra-aortic VAD concept. This computational model can be linked with models of the pump motor to provide a valuable tool for innovative VAD design.

A controller for a miniature intra-aortic ventricular assist device.

Two control algorithms have been developed for a minimally invasive axial-flow ventricular assist device (VAD) for placement in the descending aorta. The purpose of the device is to offload the left ventricle and to augment lower body perfusion in patients with moderate congestive heart failure. The VAD consists of an intra-aortic impeller with a built-in permanent magnet rotor and an extra-aortic stator. The control algorithms, which use pressure readings upstream and downstream of the VAD to determine the pump status, have been tested in a mock circulatory system under two conditions, namely with or without afterload sensitivity. The results give an insight into controller design for an intra-aortic blood pump working in series with the heart.

Design method of an innovative motor for an intra-aortic ventricular assist device

A permanent-magnet motor has been designed for an innovative axial-flow ventricular assist device (VAD), to be placed in the descending aorta, intended to offload the left ventricle and augment renal perfusion in patients with congestive heart failure (CHF). For this application, an intra-aortic impeller with a built-in permanent magnet rotor is driven by an extraaortic stator working in synchronism with the natural heart. To meet this need, a two-dimensional analytical model has been developed in the MATLAB environment to estimate machine parameters; finite element analysis (FEA) has been used to refine the results. A prototype blood pump equipped with an innovative motor designed from the procedure above has been tested in a mock loop representing the human circulatory system. The performance of VAD incorporating the motor is presented. © 2009 IEEE.

Effects of ginkgo biloba extract on cation currents in rat ventricular myocytes

Ginkgo biloba extract (GBE), a valuable natural product for cerebral and cardiovascular diseases, is mainly composed of two classes of constituents: terpene lactones (e.g., ginkgolide A and B, bilobalide) and flavone glycosides (e.g., quercetin and kaempferol). Its electrophysiological action in heart is yet unclear. In the present study, using whole-cell patch clamp technique, we investigated electrophysiological effects of GBE on cation channel currents in ventricular myocytes isolated from rat hearts. We found that GBE 0.01-0.1% inhibited significantly the sodium current (I-Na), L-type calcium current (I-Ca) and transient outward potassium current (IKto) in a concentration-dependent manner. Surprisingly, its main ingredients, ginkgolide A (GB A), ginkgolide B (GB B) and bilobalide (GB BA) at 0.1 mM did not exhibit any significant effect on these cation channel currents. These results suggested that GBE is a potent non-selective cation channel modulator in cardiaomyocytes. Other constituents (rather than GB A, GB B and GB BA) might be responsible for the observed inhibitory effects of GBE on cation channels. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Limits of ventricular function: from athlete's heart to a failing heart

The interest in the study of ventricular function has grown considerably in the last decades. In this review, we analyse the extreme values of ventricular function as obtained with Doppler echocardiography. We mainly focus on the parameters that have been used throughout the history of Doppler echocardiography to assess left ventricular (LV) systolic and diastolic function. The ‘athlete's heart’ would be the highest expression of ventricular function whereas its lowest expression is represented by the failing heart, independently from the original aetiology leading to this condition. There are, however, morphological similarities (dilation and hypertrophy) between the athlete's and the failing heart, which emerge as physiological and pathophysiological adaptations, respectively. The introduction of new assessment techniques, specifically speckle tracking, may provide new insight into the properties that determine ventricular filling, specifically left ventricular twisting. The concept of ventricular function must be always considered, although it may not be always possible to distinguish the normal heart of sedentary individuals from that of highly trained hearts based solely on echocardiographic or basic studies.

In vivo ventricular gene delivery of a beta-adrenergic receptor kinase inhibitor to the failing heart reverses cardiac dysfunction.

BACKGROUND: Genetic manipulation to reverse molecular abnormalities associated with dysfunctional myocardium may provide novel treatment. This study aimed to determine the feasibility and functional consequences of in vivo beta-adrenergic receptor kinase (betaARK1) inhibition in a model of chronic left ventricular (LV) dysfunction after myocardial infarction (MI). METHODS AND RESULTS: Rabbits underwent ligation of the left circumflex (LCx) marginal artery and implantation of sonomicrometric crystals. Baseline cardiac physiology was studied 3 weeks after MI; 5x10(11) viral particles of adenovirus was percutaneously delivered through the LCx. Animals received transgenes encoding a peptide inhibitor of betaARK1 (Adeno-betaARKct) or an empty virus (EV) as control. One week after gene delivery, global LV and regional systolic function were measured again to assess gene treatment. Adeno-betaARKct delivery to the failing heart through the LCx resulted in chamber-specific expression of the betaARKct. Baseline in vivo LV systolic performance was improved in Adeno-betaARKct-treated animals compared with their individual pre-gene delivery values and compared with EV-treated rabbits. Total beta-AR density and betaARK1 levels were unchanged between treatment groups; however, beta-AR-stimulated adenylyl cyclase activity in the LV was significantly higher in Adeno-betaARKct-treated rabbits compared with EV-treated animals. CONCLUSIONS: In vivo delivery of Adeno-betaARKct is feasible in the infarcted/failing heart by coronary catheterization; expression of betaARKct results in marked reversal of ventricular dysfunction. Thus, inhibition of betaARK1 provides a novel treatment strategy for improving the cardiac performance of the post-MI heart.