Carbon monoxide induces cardiac arrhythmia via induction of the late Na+ current

Our data indicate that the proarrhythmic effects of CO arise from activation of NO synthase, leading to NO-mediated nitrosylation of Na(V)1.5 and to induction of the late Na(+) current. We also show that the antianginal drug ranolazine can abolish CO-induced early after-depolarizations, highlighting a novel approach to the treatment of CO-induced arrhythmias.

A common polymorphism associated with antibiotic-induced cardiac arrhythmia

Drug-induced long QT syndrome (LQTS) is a prevalent disorder of uncertain etiology that predisposes to sudden death. KCNE2 encodes MinK-related peptide 1 (MiRP1), a subunit of the cardiac potassium channel IKr that has been associated previously with inherited LQTS. Here, we examine KCNE2 in 98 patients with drug-induced LQTS, identifying three individuals with sporadic mutations and a patient with sulfamethoxazole-associated LQTS who carried a single-nucleotide polymorphism (SNP) found in ≈1.6% of the general population. While mutant channels showed diminished potassium flux at baseline and wild-type drug sensitivity, channels with the SNP were normal at baseline but inhibited by sulfamethoxazole at therapeutic levels that did not affect wild-type channels. We conclude that allelic variants of MiRP1 contribute to a significant fraction of cases of drug-induced LQTS through multiple mechanisms and that common sequence variations that increase the risk of life-threatening drug reactions can be clinically silent before drug exposure.

Spectrum of HERG K+-channel dysfunction in an inherited cardiac arrhythmia.

Long QT syndrome (LQT) is an autosomal dominant disorder that can cause sudden death from cardiac arrhythmias. We recently discovered that mutations in HERG, a K+-channel gene, cause chromosome 7-linked LQT. Heterologous expression of HERG in Xenopus oocytes revealed that HERG current was similar to a well-characterized cardiac delayed rectifier K+ current, IKr, and led to the hypothesis that mutations in HERG reduced IKr, causing prolonged myocellular action potentials. To define the mechanism of LQT, we injected oocytes with mutant HERG complementary RNAs, either singly or in combination with wild-type complementary RNA. Some mutations caused loss of function, whereas others caused dominant negative suppression of HERG function. These mutations are predicted to cause a spectrum of diminished IKr and delayed ventricular repolarization, consistent with the prolonged QT interval observed in individuals with LQT.

Cardiac state diagnosis using higher order spectra of heart rate variability

Heart rate variability (HRV) refers to the regulation of the sinoatrial node, the natural pacemaker of the heart, by the sympathetic and parasympathetic branches of the autonomic nervous system. Heart rate variability analysis is an important tool to observe the heart's ability to respond to normal regulatory impulses that affect its rhythm. A computer-based intelligent system for analysis of cardiac states is very useful in diagnostics and disease management. Like many bio-signals, HRV signals are nonlinear in nature. Higher order spectral analysis (HOS) is known to be a good tool for the analysis of nonlinear systems and provides good noise immunity. In this work, we studied the HOS of the HRV signals of normal heartbeat and seven classes of arrhythmia. We present some general characteristics for each of these classes of HRV signals in the bispectrum and bicoherence plots. We also extracted features from the HOS and performed an analysis of variance (ANOVA) test. The results are very promising for cardiac arrhythmia classification with a number of features yielding a p-value < 0.02 in the ANOVA test.

Analysis of cardiac and epileptic signals using higher order spectra

The theory of nonlinear dyamic systems provides some new methods to handle complex systems. Chaos theory offers new concepts, algorithms and methods for processing, enhancing and analyzing the measured signals. In recent years, researchers are applying the concepts from this theory to bio-signal analysis. In this work, the complex dynamics of the bio-signals such as electrocardiogram (ECG) and electroencephalogram (EEG) are analyzed using the tools of nonlinear systems theory. In the modern industrialized countries every year several hundred thousands of people die due to sudden cardiac death. The Electrocardiogram (ECG) is an important biosignal representing the sum total of millions of cardiac cell depolarization potentials. It contains important insight into the state of health and nature of the disease afflicting the heart. Heart rate variability (HRV) refers to the regulation of the sinoatrial node, the natural pacemaker of the heart by the sympathetic and parasympathetic branches of the autonomic nervous system. Heart rate variability analysis is an important tool to observe the heart's ability to respond to normal regulatory impulses that affect its rhythm. A computerbased intelligent system for analysis of cardiac states is very useful in diagnostics and disease management. Like many bio-signals, HRV signals are non-linear in nature. Higher order spectral analysis (HOS) is known to be a good tool for the analysis of non-linear systems and provides good noise immunity. In this work, we studied the HOS of the HRV signals of normal heartbeat and four classes of arrhythmia. This thesis presents some general characteristics for each of these classes of HRV signals in the bispectrum and bicoherence plots. Several features were extracted from the HOS and subjected an Analysis of Variance (ANOVA) test. The results are very promising for cardiac arrhythmia classification with a number of features yielding a p-value < 0.02 in the ANOVA test. An automated intelligent system for the identification of cardiac health is very useful in healthcare technology. In this work, seven features were extracted from the heart rate signals using HOS and fed to a support vector machine (SVM) for classification. The performance evaluation protocol in this thesis uses 330 subjects consisting of five different kinds of cardiac disease conditions. The classifier achieved a sensitivity of 90% and a specificity of 89%. This system is ready to run on larger data sets. In EEG analysis, the search for hidden information for identification of seizures has a long history. Epilepsy is a pathological condition characterized by spontaneous and unforeseeable occurrence of seizures, during which the perception or behavior of patients is disturbed. An automatic early detection of the seizure onsets would help the patients and observers to take appropriate precautions. Various methods have been proposed to predict the onset of seizures based on EEG recordings. The use of nonlinear features motivated by the higher order spectra (HOS) has been reported to be a promising approach to differentiate between normal, background (pre-ictal) and epileptic EEG signals. In this work, these features are used to train both a Gaussian mixture model (GMM) classifier and a Support Vector Machine (SVM) classifier. Results show that the classifiers were able to achieve 93.11% and 92.67% classification accuracy, respectively, with selected HOS based features. About 2 hours of EEG recordings from 10 patients were used in this study. This thesis introduces unique bispectrum and bicoherence plots for various cardiac conditions and for normal, background and epileptic EEG signals. These plots reveal distinct patterns. The patterns are useful for visual interpretation by those without a deep understanding of spectral analysis such as medical practitioners. It includes original contributions in extracting features from HRV and EEG signals using HOS and entropy, in analyzing the statistical properties of such features on real data and in automated classification using these features with GMM and SVM classifiers.

Death caused by cardioinhibitory reflex cardiac arrest--a systematic review of cases.

Forensic pathologists often refer to the cardioinhibitory reflex cardiac arrest (CiRCA) following short neck trauma as a mechanism of death. We sought via a systematic review of the literature to identify circumstances under which carotid bifurcation stimulation could lead to death. Two independent reviewers selected case studies or reports from Medline, ISI Web of Knowledge, and Embase. Circumstances and contributory factors were extracted for each case. From the available data, authors independently assessed whether CiRCA was highly probable (no alternative explanation possible), probable (alternative explanation possible), or unlikely (alternative explanation highly probable). A narrative approach was used to define circumstances in which CiRCA remained possible. From the 48 published cases evoking CiRCA as a possible cause of death between 1881 and 2009, 28 were most likely to result of other mechanism of death (i.e., cerebral hypoxia due to carotid compression, mechanical asphyxia, myocardial infarction). CiRCA remained possible for 20 cases (including five based on anecdotal evidence only) with only one case with no alternative explanation other than CiRCA. Our findings support the presumption that reflex cardiac arrhythmia due to carotid bifurcation stimulation cannot provoke death alone. Actual state of knowledge suggests CiRCA might be contributory to death in the presence of drug abuse and/or cardiac pathology, often associated with physical and/or mental excitation.

Digitalis-Like Induced Arrhythmia in a Patient with Rheumatic Mitral Regurgitation Complicated by Preeclampsia

Objective. To report a case of cardiac arrhythmia related to a low dose of endovenous lanatoside C. Case report. A 23-year-old pregnant woman with mitral regurgitation complicated with preeclampsia and pulmonary edema presented 2 episodes of atrial tachycardia induced by a intravenous digitalis (2 mg, IV and 1 mg, IV, respectively). Conclusion. This case calls attention to the need for further studies analysing the security of digoxin use in preeclampsia.

ECG arrhythmia classification based on optimum-path forest

An important tool for the heart disease diagnosis is the analysis of electrocardiogram (ECG) signals, since the non-invasive nature and simplicity of the ECG exam. According to the application, ECG data analysis consists of steps such as preprocessing, segmentation, feature extraction and classification aiming to detect cardiac arrhythmias (i.e.; cardiac rhythm abnormalities). Aiming to made a fast and accurate cardiac arrhythmia signal classification process, we apply and analyze a recent and robust supervised graph-based pattern recognition technique, the optimum-path forest (OPF) classifier. To the best of our knowledge, it is the first time that OPF classifier is used to the ECG heartbeat signal classification task. We then compare the performance (in terms of training and testing time, accuracy, specificity, and sensitivity) of the OPF classifier to the ones of other three well-known expert system classifiers, i.e.; support vector machine (SVM), Bayesian and multilayer artificial neural network (MLP), using features extracted from six main approaches considered in literature for ECG arrhythmia analysis. In our experiments, we use the MIT-BIH Arrhythmia Database and the evaluation protocol recommended by The Association for the Advancement of Medical Instrumentation. A discussion on the obtained results shows that OPF classifier presents a robust performance, i.e.; there is no need for parameter setup, as well as a high accuracy at an extremely low computational cost. Moreover, in average, the OPF classifier yielded greater performance than the MLP and SVM classifiers in terms of classification time and accuracy, and to produce quite similar performance to the Bayesian classifier, showing to be a promising technique for ECG signal analysis. © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Iontophoresis for modulation of cardiac drug delivery in dogs.

Cardiac arrhythmias are a frequent cause of death and morbidity. Conventional antiarrhythmia therapy involving oral or intravenous medication is often ineffective and complicated by drug-associated side effects. Previous studies from our laboratory have demonstrated the advantages of cardiac drug-polymer implants for enhanced efficacy for cardiac arrhythmia therapy compared with conventional administration. However, these studies were based on systems that deliver drugs at a fixed release rate. Modulation of the drug delivery rate has the advantage of regulating the amount of the drug delivered depending upon the disease state of the patient. We hypothesized that iontophoresis could be used to modulate cardiac drug delivery. In this study, we report our investigations of a cardiac drug implant in dogs that is capable of iontophoretic modulation of the administration of the antiarrhythmic agent sotalol. We used a heterogeneous cation-exchange membrane (HCM) as an electrically sensitive and highly efficient rate-limiting barrier on the cardiac-contacting surface of the implant. Thus, electric current is passed only through the HCM and not the myocardium. The iontophoretic cardiac implant demonstrated in vitro drug release rates that were responsive to current modulation. In vivo results in dogs have confirmed that iontophoresis resulted in regional coronary enhancement of sotalol levels with current-responsive increases in drug concentrations. We also observed acute current-dependent changes in ventricular effective refractory periods reflecting sotalol-induced refractoriness due to regional drug administration. In 30-day dog experiments, iontophoretic cardiac implants demonstrated robust sustained function and reproducible modulation of drug delivery kinetics.

Oral health and kidney disease with emphasis on diabetic nephropathy

Chronic kidney disease (CKD) is a worldwide health problem, with adverse outcomes of cardiovascular disease and premature death. The ageing of populations along with the growing prevalence of chronic diseases such as diabetes and hypertension is leading to worldwide increase in the number of CKD patients. It has become evident that inflammation plays an important role in the pathogenesis of atherosclerosis complications. CKD patients also have an increased risk of atherosclerosis complications (including myocardial infarction, sudden death to cardiac arrhythmia, cerebrovascular accidents, and peripheral vascular disease). In line with this, oral and dental problems can be an important source of systemic inflammation. A decline in oral health may potentially act as an early marker of systemic disease progression. This series of studies examined oral health of CKD patients from predialysis, to dialysis and kidney transplantation in a 10-year follow-up study and in a cross-sectional study of predialysis CKD patients. Patients had clinical and radiographic oral and dental examination, resting and stimulated saliva flow rates were measured, whilst the biochemical and microbiological composition of saliva was analyzed. Lifestyle and oral symptoms were recorded using a questionnaire, and blood parameters were collected from the hospital records. The hypothesis was that the oral health status, symptoms, sensations, salivary flow rates and salivary composition vary in different renal failure stages and depend on the etiology of the kidney disease. No statistically significant difference were seen in the longitudinal study in the clinical parameters. However, some saliva parameters after renal transplantation were significantly improved compared to levels at the predialysis stage. The urea concentration of saliva was high in all stages. The salivary and plasma urea concentrations followed a similar trend, showing the lowest values in kidney transplant patients. Levels of immunoglobulin (Ig) A, G and M all decreased significantly after kidney transplantation. Increased concentrations of IgA, IgG and IgM may reflect disintegration of the oral epithelium and are usually markers of poor general oral condition. In the cross-sectional investigation of predialysis CKD patients we compared oral health findings of diabetic nephropathy patients to those with other kidney disease than diabetes. The results showed eg. more dental caries and lower stimulated salivary flow rates in the diabetic patients. HbA1C values of the diabetic patients were significantly higher than those in the other kidney disease group. A statistically significant difference was observed in the number of drugs used daily in the diabetic nephropathy group than in the other kidney disease group. In the logistic regression analyses, age was the principal explanatory factor for high salivary total protein concentration, and for low unstimulated salivary flow. Poor dental health, severity of periodontal disease seemed to be an explanatory factor for high salivary albumin concentrations. Salivary urea levels were significantly linked with diabetic nephropathy and with serum urea concentrations. Contrary to our expectation, however, diabetic nephropathy did not seem to affect periodontal health more severely than the other kidney diseases. Although diabetes is known to associate with xerostomia and other oral symptoms, it did not seem to increase the prevalence of oral discomfort. In summary, this series of studies has provided new information regarding the oral health of CKD patients. As expected, the commencement of renal disease reflects in oral symptoms and signs. Diabetic nephropathy, in particular, appears to impart a requirement for special attention in the oral health care of patients suffering from this disease.

Fibrillation auriculaire et insuffisance cardiaque : une analyse de coût comparant la stratégie de contrôle de la fréquence à celle du contrôle du rythme

Contexte : La fibrillation auriculaire est commune chez les insuffisants cardiaques. L’efficacité des stratégies de contrôle de la fréquence et du rythme s’équivalent. Nous avons comparé l’impact économique des deux stratégies de traitement chez les patients avec fibrillation auriculaire et insuffisance cardiaque. Méthode : Dans cette sous-étude de l’essai Atrial Fibrillation and Congestive Heart Failure, la consommation de soins de santé des patients Québécois ainsi que leurs coûts ont été quantifiés grâce aux banques de données de la Régie de l’assurance-maladie du Québec et de l’Ontario Case Costing Initiative. Résultats : Trois cent quatre patients ont été inclus, âgés de 68±9 ans, fraction d’éjection de 26±6%. Les caractéristiques de base étaient bien réparties entre le contrôle du rythme (N=149) et de la fréquence (N=155). Les patients soumis au contrôle de la fréquence ont eu moins de procédures cardiovasculaires (146 versus 238, P<0.001) en raison du plus faible nombre de cardioversions et de moindres coûts reliés aux antiarythmiques (48 $±203 versus 1319 $±1058 par patient, P<0.001). Ces différences ont été compensées par un surplus de dépenses dues aux hospitalisations non-cardiovasculaires, aux dispositifs cardiaques implantables et aux médicaments non-cardiovasculaires dans le groupe du contrôle de la fréquence. Au total, les coûts par patient avec les stratégies du contrôle de la fréquence et du rythme s’élèvent à 78 767 $±79 568 et 72 764 $±72 800 (P=0.49). Interprétation : Chez les patients avec fibrillation auriculaire et insuffisance cardiaque, le contrôle de la fréquence est associé avec moins de procédures cardiovasculaires et une pharmacothérapie cardiovasculaire moins coûteuse. Toutefois, les coûts associés aux arythmies représentent moins de la moitié des dépenses de santé et le total des coûts s’équilibre entre les 2 stratégies.

Mechanism and Prediction of Post-Operative Atrial Fibrillation Based on Atrial Electrograms

La fibrillation auriculaire (FA) est une arythmie touchant les oreillettes. En FA, la contraction auriculaire est rapide et irrégulière. Le remplissage des ventricules devient incomplet, ce qui réduit le débit cardiaque. La FA peut entraîner des palpitations, des évanouissements, des douleurs thoraciques ou l’insuffisance cardiaque. Elle augmente aussi le risque d'accident vasculaire. Le pontage coronarien est une intervention chirurgicale réalisée pour restaurer le flux sanguin dans les cas de maladie coronarienne sévère. 10% à 65% des patients qui n'ont jamais subi de FA, en sont victime le plus souvent lors du deuxième ou troisième jour postopératoire. La FA est particulièrement fréquente après une chirurgie de la valve mitrale, survenant alors dans environ 64% des patients. L'apparition de la FA postopératoire est associée à une augmentation de la morbidité, de la durée et des coûts d'hospitalisation. Les mécanismes responsables de la FA postopératoire ne sont pas bien compris. L'identification des patients à haut risque de FA après un pontage coronarien serait utile pour sa prévention. Le présent projet est basé sur l'analyse d’électrogrammes cardiaques enregistrées chez les patients après pontage un aorte-coronaire. Le premier objectif de la recherche est d'étudier si les enregistrements affichent des changements typiques avant l'apparition de la FA. Le deuxième objectif est d'identifier des facteurs prédictifs permettant d’identifier les patients qui vont développer une FA. Les enregistrements ont été réalisés par l'équipe du Dr Pierre Pagé sur 137 patients traités par pontage coronarien. Trois électrodes unipolaires ont été suturées sur l'épicarde des oreillettes pour enregistrer en continu pendant les 4 premiers jours postopératoires. La première tâche était de développer un algorithme pour détecter et distinguer les activations auriculaires et ventriculaires sur chaque canal, et pour combiner les activations des trois canaux appartenant à un même événement cardiaque. L'algorithme a été développé et optimisé sur un premier ensemble de marqueurs, et sa performance évaluée sur un second ensemble. Un logiciel de validation a été développé pour préparer ces deux ensembles et pour corriger les détections sur tous les enregistrements qui ont été utilisés plus tard dans les analyses. Il a été complété par des outils pour former, étiqueter et valider les battements sinusaux normaux, les activations auriculaires et ventriculaires prématurées (PAA, PVA), ainsi que les épisodes d'arythmie. Les données cliniques préopératoires ont ensuite été analysées pour établir le risque préopératoire de FA. L’âge, le niveau de créatinine sérique et un diagnostic d'infarctus du myocarde se sont révélés être les plus importants facteurs de prédiction. Bien que le niveau du risque préopératoire puisse dans une certaine mesure prédire qui développera la FA, il n'était pas corrélé avec le temps de l'apparition de la FA postopératoire. Pour l'ensemble des patients ayant eu au moins un épisode de FA d’une durée de 10 minutes ou plus, les deux heures précédant la première FA prolongée ont été analysées. Cette première FA prolongée était toujours déclenchée par un PAA dont l’origine était le plus souvent sur l'oreillette gauche. Cependant, au cours des deux heures pré-FA, la distribution des PAA et de la fraction de ceux-ci provenant de l'oreillette gauche était large et inhomogène parmi les patients. Le nombre de PAA, la durée des arythmies transitoires, le rythme cardiaque sinusal, la portion basse fréquence de la variabilité du rythme cardiaque (LF portion) montraient des changements significatifs dans la dernière heure avant le début de la FA. La dernière étape consistait à comparer les patients avec et sans FA prolongée pour trouver des facteurs permettant de discriminer les deux groupes. Cinq types de modèles de régression logistique ont été comparés. Ils avaient une sensibilité, une spécificité et une courbe opérateur-receveur similaires, et tous avaient un niveau de prédiction des patients sans FA très faible. Une méthode de moyenne glissante a été proposée pour améliorer la discrimination, surtout pour les patients sans FA. Deux modèles ont été retenus, sélectionnés sur les critères de robustesse, de précision, et d’applicabilité. Autour 70% patients sans FA et 75% de patients avec FA ont été correctement identifiés dans la dernière heure avant la FA. Le taux de PAA, la fraction des PAA initiés dans l'oreillette gauche, le pNN50, le temps de conduction auriculo-ventriculaire, et la corrélation entre ce dernier et le rythme cardiaque étaient les variables de prédiction communes à ces deux modèles.

Étude des œstrogènes sur la repolarisation cardiaque et de la grossesse sur l’électrocardiographie chez la souris

Le tamoxifène, un modulateur sélectif des récepteurs oestrogéniques, est un médicament largement utilisé depuis plus de vingt ans pour le traitement et la prévention du cancer du sein. Plusieurs études ont rapporté que l’administration aiguë du tamoxifène pouvait réduire certains courants K+ cardiaques. Cette observation suggère que les femmes traitées de façon chronique avec le tamoxifène risquent d’avoir une prolongation de leur intervalle QT, favorisant ainsi le développement de torsades de pointes. Puisque in vivo, le tamoxifène est largement métabolisé et son effet est attribué à celui du 4hydroxy-tamoxifène (4OH-tamoxifène), nous avons d'abord vérifié si les effets du tamoxifène sur la repolarisation pouvaient être dus au 4OH-tamoxifène. À l'aide de la méthode de patch-clamp, nous avons étudié l’effet aigu du 4OH-tamoxifène sur les courants K+ présents au niveau ventriculaire chez la souris femelle. En premier lieu, nous avons démontré que les souris traitées avec le 4OH-tamoxifène présentaient une diminution des courants K+ comparativement aux souris intactes. Fait intéressant, le prétraitement des myocytes avec l’antagoniste des récepteurs oestrogéniques, le ICI 182,780, ou l’inhibiteur de la synthèse protéique, l'actinomycine D, n’a pas modifié les effets du 4OH-tamoxifène. Ces résultats suggéraient que les effets du 4OH-tamoxifène sur les courants potassiques ne soient pas liés à la transcription génomique et n’implique pas les récepteurs aux œstrogènes. Bien que l’administration aiguë du 4OH-tamoxifène diminue les courants K+ cardiaques, l’absence de troubles au niveau du rythme cardiaque chez les femmes traitées à long terme exclu la possibilité de conclure que le traitement chronique avec le tamoxifène augmente la durée de l’intervalle QT. L'accès à des souris femelles et des cobayes nous a permis de démontrer que contrairement au traitement en aigu, les courants et les canaux K+ cardiaques sont augmentés en chronique. Les oestrogènes associés à une diminution des courants K+ d’une part et nos résultats obtenus avec le tamoxifène d’autre part suggèrent qu’en bloquant les récepteurs oestrogéniques, le tamoxifène puisse prévenir les effets inhibiteurs des oestrogènes sur les courants K+. Cette association œstrogènes- tamoxifène- récepteurs oestrogéniques et courants K+ nous a encouragées à approfondir encore nos études et vérifier l’influence des hormones sexuelles féminines sur la repolarisation ventriculaire. Une troisième étude a été ainsi réalisée chez des souris femelles ovariectomisées et des souris déficientes en récepteurs oestrogéniques α ou β afin de vérifier le rôle des oestrogènes et des récepteurs oestrogéniques sur la repolarisation ventriculaire. Nos résultats ont révélé clairement que l’absence des oestrogènes entraîne une augmentation de la densité du courant K+ transitoire indépendant du Ca2+ (Ito) et de l’expression du canal Kv4.3 et ces effets sont médiés par les REα. Ces données soutiennent davantage notre conclusion que l’inhibition des récepteurs oestrogéniques est responsable de l’augmentation des courants/canaux K+ et suggèrent fortement qu’ils jouent un rôle dans la régulation de la repolarisation ventriculaire. Elles soulignent aussi l'importance de vérifier le statut hormonal des animaux utilisés pour des études touchant l'électrophysiologie cardiaque. Dans la dernière partie de cette thèse nous avons vérifié les effets de la grossesse et du système nerveux autonome sur les différents paramètres électrocardiographiques et plus particulièrement sur le rythme cardiaque chez la souris. Nos données ont montré que, comme chez la femme enceinte, la grossesse est associée à une augmentation du rythme cardiaque. De plus, l'augmentation des niveaux des hormones féminines pourrait affecter l’automatisme et l’activité électrique cardiaque. Ces différentes études ont augmenté les connaissances sur la régulation hormonale de l'électrophysiologie cardiaque et aideront aux avancements des recherches chez les femmes.

Estudo clínico e laboratorial da pneumonia de bezerros induzida pela inoculação intrabronquial de Mannheimia haemolytica

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)