Mathematical Modeling to Investigate Antiarrhythmic Drug Side Effects: Rate-Dependence Role in Ionic Currents and Action Potentials Shape in the O’Hara Model

Sudden cardiac death due to ventricular arrhythmia is one of the leading causes of mortality in the world. In the last decades, it has proven that anti-arrhythmic drugs, which prolong the refractory period by means of prolongation of the cardiac action potential duration (APD), play a good role in preventing of relevant human arrhythmias. However, it has long been observed that the “class III antiarrhythmic effect” diminish at faster heart rates and that this phenomenon represent a big weakness, since it is the precise situation when arrhythmias are most prone to occur. It is well known that mathematical modeling is a useful tool for investigating cardiac cell behavior. In the last 60 years, a multitude of cardiac models has been created; from the pioneering work of Hodgkin and Huxley (1952), who first described the ionic currents of the squid giant axon quantitatively, mathematical modeling has made great strides. The O’Hara model, that I employed in this research work, is one of the modern computational models of ventricular myocyte, a new generation began in 1991 with ventricular cell model by Noble et al. Successful of these models is that you can generate novel predictions, suggest experiments and provide a quantitative understanding of underlying mechanism. Obviously, the drawback is that they remain simple models, they don’t represent the real system. The overall goal of this research is to give an additional tool, through mathematical modeling, to understand the behavior of the main ionic currents involved during the action potential (AP), especially underlining the differences between slower and faster heart rates. In particular to evaluate the rate-dependence role on the action potential duration, to implement a new method for interpreting ionic currents behavior after a perturbation effect and to verify the validity of the work proposed by Antonio Zaza using an injected current as a perturbing effect.

The ionic basis of frequency selectivity in hair cells of the bullfrog's sacculus

Hair cells from the bull frog's sacculus, a vestibular organ responding to substrate-borne vibration, possess electrically resonant membrane properties which maximize the sensitivity of each cell to a particular frequency of mechanical input. The electrical resonance of these cells and its underlying ionic basis were studied by applying gigohm-seal recording techniques to solitary hair cells enzymatically dissociated from the sacculus. The contribution of electrical resonance to frequency selectivity was assessed from microelectrode recordings from hair cells in an excised preparation of the sacculus.

Electrical resonance in the hair cell is demonstrated by damped membrane-potential oscillations in response to extrinsic current pulses applied through the recording pipette. This response is analyzed as that of a damped harmonic oscillator. Oscillation frequency rises with membrane depolarization, from 80-160 Hz at resting potential to asymptotic values of 200-250 Hz. The sharpness of electrical tuning, denoted by the electrical quality factor, Q_e, is a bell-shaped function of membrane voltage, reaching a maximum value around eight at a membrane potential slightly positive to the resting potential.

In whole cells, three time-variant ionic currents are activated at voltages more positive than -60 to -50 mV; these are identified as a voltage-dependent, non-inactivating Ca current (I_ca), a voltage-dependent, transient K current (I_a), and a Ca-dependent K current (I_c). The C channel is identified in excised, inside-out membrane patches on the basis of its large conductance (130-200 pS), its selective permeability to Kover Na or Cl, and its activation by internal Ca ions and membrane depolarization. Analysis of open- and closed-lifetime distributions suggests that the C channel can assume at least two open and three closed kinetic states.

Exposing hair cells to external solutions that inhibit the Ca or C conductances degrades the electrical resonance properties measured under current-clamp conditions, while blocking the A conductance has no significant effect, providing evidence that only the Ca and C conductances participate in the resonance mechanism. To test the sufficiency of these two conductances to account for electrical resonance, a mathematical model is developed that describes I_ca, I_c, and intracellular Ca concentration during voltage-clamp steps. I_ca activation is approximated by a third-order Hodgkin-Huxley kinetic scheme. Ca entering the cell is assumed to be confined to a small submembrane compartment which contains an excess of Ca buffer; Ca leaves this space with first-order kinetics. The Ca- and voltage-dependent activation of C channels is described by a five-state kinetic scheme suggested by the results of single-channel observations. Parameter values in the model are adjusted to fit the waveforms of I_ca and I_c evoked by a series of voltage-clamp steps in a single cell. Having been thus constrained, the model correctly predicts the character of voltage oscillations produced by current-clamp steps, including the dependencies of oscillation frequency and Q_e on membrane voltage. The model shows quantitatively how the Ca and C conductances interact, via changes in intracellular Ca concentration, to produce electrical resonance in a vertebrate hair cell.

Voltage-activated currents in cardiac myocytes of the blue mussel, Mytilus edulis

Voltage-sensitive ionic currents were identified and characterised in ventricular myocytes of the bivalve mollusc, Mytilus edulis, using the whole-cell patch-clamp technique. Two outward currents could be distinguished. A potassium A current (I-A) activated at - 30 mV from a holding potential of - 60 mV. This transient current was inactivated by holding the cells at a potential of - 40 mV and was also blocked by applying 4-aminopyridine (3 mM) to the external bath solution. A second current was identified as a delayed rectifier (I-K). This also activated at - 30 mV but exhibited a sustained time course and was still activated at a holding potential of - 40 mV. Both outward currents were reduced in the presence of tetraethylammonium ions (30 mM). A small number of heart cells also showed an inward sodium current (I-Na). This current appeared at potentials more positive than - 50 mV, reached a maximum at - 20 mV, and decreased with further depolarisation. I-Na was inactivated at a holding potential of - 40 mV and was blocked by tetrodotoxin (1 mu M). A second inward current had a sustained time course and was not inactivated by holding the cell at a potential of -40 mV, and was also not abolished by tetrodotoxin. This current peaked at 0 mV, decreasing with further depolarisation. Furthermore, it was enhanced by the addition of barium ions (3 mM) to the bath and was blocked by external cobalt (2 mM) or nifedipine (15 mu M) These findings are consistent with this being an L-type calcium current (I-Ca) The possible physiological roles of these currents in M. edulis heart are discussed. (C) 1999 Elsevier Science Inc. All rights reserved.

Molecular architecture of the human sinus node: insights into the function of the cardiac pacemaker.

BACKGROUND: Although we know much about the molecular makeup of the sinus node (SN) in small mammals, little is known about it in humans. The aims of the present study were to investigate the expression of ion channels in the human SN and to use the data to predict electrical activity. METHODS AND RESULTS: Quantitative polymerase chain reaction, in situ hybridization, and immunofluorescence were used to analyze 6 human tissue samples. Messenger RNA (mRNA) for 120 ion channels (and some related proteins) was measured in the SN, a novel paranodal area, and the right atrium (RA). The results showed, for example, that in the SN compared with the RA, there was a lower expression of Na(v)1.5, K(v)4.3, K(v)1.5, ERG, K(ir)2.1, K(ir)6.2, RyR2, SERCA2a, Cx40, and Cx43 mRNAs but a higher expression of Ca(v)1.3, Ca(v)3.1, HCN1, and HCN4 mRNAs. The expression pattern of many ion channels in the paranodal area was intermediate between that of the SN and RA; however, compared with the SN and RA, the paranodal area showed greater expression of K(v)4.2, K(ir)6.1, TASK1, SK2, and MiRP2. Expression of ion channel proteins was in agreement with expression of the corresponding mRNAs. The levels of mRNA in the SN, as a percentage of those in the RA, were used to estimate conductances of key ionic currents as a percentage of those in a mathematical model of human atrial action potential. The resulting SN model successfully produced pacemaking. CONCLUSIONS: Ion channels show a complex and heterogeneous pattern of expression in the SN, paranodal area, and RA in humans, and the expression pattern is appropriate to explain pacemaking.

Parameter estimation for a phenomenological model of the cardiac action potential

The action potential (ap) of a cardiac cell is made up of a complex balance of ionic currents which flow across the cell membrane in response to electrical excitation of the cell. Biophysically detailed mathematical models of the ap have grown larger in terms of the variables and parameters required to model new findings in subcellular ionic mechanisms. The fitting of parameters to such models has seen a large degree of parameter and module re-use from earlier models. An alternative method for modelling electrically exciteable cardiac tissue is a phenomenological model, which reconstructs tissue level ap wave behaviour without subcellular details. A new parameter estimation technique to fit the morphology of the ap in a four variable phenomenological model is presented. An approximation of a nonlinear ordinary differential equation model is established that corresponds to the given phenomenological model of the cardiac ap. The parameter estimation problem is converted into a minimisation problem for the unknown parameters. A modified hybrid Nelder–Mead simplex search and particle swarm optimization is then used to solve the minimisation problem for the unknown parameters. The successful fitting of data generated from a well known biophysically detailed model is demonstrated. A successful fit to an experimental ap recording that contains both noise and experimental artefacts is also produced. The parameter estimation method’s ability to fit a complex morphology to a model with substantially more parameters than previously used is established.

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.

Le remodelage cardiaque lors de la gestation chez la rate : implication du récepteur aux minéralocorticoïdes et altérations par un supplément sodique

La grossesse induit de profonds changements hémodynamiques et métaboliques de l’organisme maternel qui ont des conséquences sur le cœur. L’adaptation du cœur à cette condition physiologique nécessite un remodelage de sa structure et par conséquent des ajustements de sa fonction. Les mécanismes responsables de ces adaptations sont en grande partie inconnus. Cependant, ces connaissances sont essentielles pour la compréhension des complications cardiovasculaires, telle que l’hypertension gestationnelle (HG), qui constituent un risque pour la santé de la mère et du fœtus. Afin de caractériser les adaptations du cœur lors de la grossesse, l’originalité de notre approche expérimentale consistait à étudier le remodelage à l’échelle des cardiomyocytes du ventricule gauche. Ainsi, notre premier objectif était de déterminer les modifications structurales et fonctionnelles des cardiomyocytes chez la rate en vue d’identifier les altérations lors de l’HG. Chez les rates gestantes, le remodelage structural des cardiomyocytes se caractérise par une hypertrophie cellulaire avec une augmentation proportionnelle des dimensions. L’HG a été induite par un supplément sodique (0.9% NaCl) dans la diète. L’inadaptation structurale lors de l’HG se traduit par une diminution du volume cellulaire. L’étude des modifications fonctionnelles a révélé que lors de la gestation le fonctionnement contractile des cellules est dépendant de l’adaptation du métabolisme maternel. En effet, les substrats énergétiques, lactate et pyruvate, induisent une augmentation de la contractilité des cardiomyocytes. Cet effet est plus faible dans les cellules des rates hypertendues, ce qui suggère des anomalies du couplage excitation-contraction, dans lequel les courants calciques de type L (ICa-L) jouent un rôle important. Paradoxalement, le lactate et le pyruvate ont induit une augmentation de la densité des courants ICa-L seulement chez les rates hypertendues. Le récepteur aux minéralocorticoïdes (RM) est connu pour son implication dans le remodelage structuro-fonctionnel du cœur dans les conditions pathologiques mais pas dans celui induit par la grossesse. Notre deuxième objectif était donc de déterminer le rôle du RM dans l’adaptation de la morphologie et de la contractilité des cardiomyocytes. Des rates gestantes ont été traitées avec le canrénoate de potassium (20 mg/kg/jr), un antagoniste des RM. L’inhibition des RM pendant la gestation empêche l’hypertrophie cellulaire. De plus, l’inhibition des RM bloque l’effet du lactate et du pyruvate sur la contractilité. Chez la femme, la grossesse est associée à des changements des propriétés électriques du cœur. Sur l’électrocardiogramme, l’intervalle QTc est plus long, témoignant de la prolongation de la repolarisation. Les mécanismes régulant cette adaptation restent encore inconnus. Ainsi, notre troisième objectif était de déterminer le rôle du RM dans l’adaptation de la repolarisation. Chez la rate gestante, l’intervalle QTc est prolongé ce qui est corroboré par la diminution des courants potassiques Ito et IK1. L’inhibition des RM pendant la gestation empêche la prolongation de l’intervalle QTc et la diminution des courants Ito. Les travaux exposés dans cette thèse apportent une vision plus précise du remodelage cardiaque induit par la grossesse, qui est permise par l’étude à l’échelle cellulaire. Nos résultats montrent que lors de la gestation et de l’HG les cardiomyocytes subissent des remodelages morphologiques contrastés. Notre étude a aussi révélé que lors de la gestation, la fonction contractile est tributaire des adaptations métaboliques et que cette relation est altérée lors de l’HG. Nos travaux montrent que la régulation de ces adaptations gestationnelles fait intervenir le RM au niveau de la morphologie, de la relation métabolisme/fonctionnement contractile et de la repolarisation. En faisant avancer les connaissances sur l’hypertrophie de la grossesse, ces travaux vont permettre d’améliorer la compréhension des complications cardiovasculaires gestationnelles.

L’effet de la surexpression du récepteur de type 1 à l’angiotensine II sur les courants potassiques et calciques au niveau des oreillettes

Le système rénine-angiotensine est impliqué dans le remodelage structurel et électrique caractérisant la fibrillation auriculaire (FA). L’angiotensine II (ANG II) induit le développement de fibrose et d’hypertrophie au niveau des oreillettes, prédisposant à la FA. Or, les mécanismes électrophysiologiques par lesquels l’ANG II pourrait promouvoir la FA sont peu connus. L’objectif de ce projet de recherche est d’évaluer l’effet de l’ANG II sur les courants potassiques et calciques au niveau auriculaire indépendamment du remodelage structurel. Pour ce faire, nous avons utilisé la technique de patch-clamp avec un modèle de souris surexprimant le récepteur de type 1 à l’angiotensine II (AT1R) spécifiquement au niveau cardiaque. Pour distinguer les effets directs de la surexpression d’AT1R des effets induits par le remodelage cardiaque, nous avons étudié des souris âgées de 180 jours, qui présentent du remodelage structurel, et des souris âgées de 50 jours, qui n’en présentent pas. Des études précédentes sur ce modèle ont montré qu’au niveau des myocytes ventriculaires, l’ANG II réduit le courant potassique global (Ipeak) et rectifiant entrant (IK1) ainsi que le courant calcique de type L (ICaL). Ainsi, notre hypothèse est que l’ANG II modulera aussi ces courants au niveau auriculaire, pouvant ainsi augmenter l’hétérogénéité de repolarisation auriculaire et de ce fait le risque de développer et maintenir la FA. Nous avons observé une diminution significative de la densité d’IK1 dans l’oreillette gauche des souris transgéniques sans changement d’Ipeak. De plus, la densité d’ ICaL n’est pas réduite chez les souris transgéniques âgées de 50 jours. En conclusion, l’effet de l’ANG II sur les courants potassiques et calciques semble dépendre de la chambre cardiaque. En effet, nous savions que l’ANGII réduisait Ipeak, IK1 et ICaL au niveau ventriculaire, mais nos résultats ont montré qu’il ne les affectait pas directement au niveau des oreillettes. Ceci suggère des mécanismes de régulation impliquant des voies de signalisation distinctes selon les chambres cardiaques. Enfin, nos résultats montrant l’absence de l’influence directe de la surexpression d’AT1R sur les canaux K+ et Ca2+ au niveau des myocytes auriculaires renforcent l’importance d’approfondir nos connaissances sur les effets de l’angiotensine II sur le développement de la fibrose, sur le remodelage structurel et sur la conduction électrique cardiaque.

Biopacemaker acceleration without increased synchronization by chronic exposure to phorbol myristate acetate

L'activité électrique du coeur est initiée par la génération spontanée de potentiels d'action venant des cellules pacemaker du noeud sinusal (SN). Toute dysfonction au niveau de cette région entraîne une instabilité électrique du coeur. La majorité des patients souffrant d'un noeud sinusal déficient nécessitent l'implantation chirurgicale d'un pacemaker électronique; cependant, les limitations de cette approche incitent à la recherche d'une alternative thérapeutique. La base moléculaire des courants ioniques jouant un rôle crucial dans l'activité du noeud sinusal sont de plus en plus connues. Une composante importante de l'activité des cellules pacemakers semble être le canal HCN, responsable du courant pacemaker If. Le facteur T-box 3 (Tbx3), un facteur de transcription conservé durant le processus de l'évolution, est nécessaire au développement du système de conduction cardiaque. De précédentes études ont démontré que dans différentes lignées cellulaires le Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) active l'expression du gène codant Tbx3 via des réactions en cascade partant de la protéine kinase C (PKC). L'objectif principal de cette étude est de tester si le PMA peut augmenter la fréquence et la synchronisation de l'activité spontanée du pacemaker biologique en culture. Plus précisément, nous avons étudié les effets de l'exposition chronique au PMA sur l'expression du facteur de transcription Tbx3, sur HCN4 et l'activité spontanée chez des monocouches de culture de myocytes ventriculaires de rats néonataux (MVRN). Nos résultats démontrent que le PMA augmente significativement le facteur transcription de Tbx3 et l'expression ARNm de HCN4, favorisant ainsi l'augmentation du rythme et de la stabilité de l'activité autonome. De plus, une diminution significative de la vitesse de conduction a été relevée et est attribuée à la diminution du couplage intercellulaire. La diminution de la vitesse de conduction pourrait expliquer l'effet négatif du PMA sur la synchronisation de l'activité autonome du pacemaker biologique. Ces résultats ont été confirmés par un modèle mathématique multicellulaire suggérant que des fréquences et résistances intercellulaires plus élevée pourraient induire une activité plus stable et moins synchrone. Cette étude amène de nouvelles connaissances très importantes destinées à la production d'un pacemaker biologique efficient et robuste.

Electrophysiological properties of rostral ventrolateral medulla presympathetic neurons modulated by the respiratory network in rats

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Analysis of ion channel stochastic signals for biosensing

In biological world, life of cells is guaranteed by their ability to sense and to respond to a large variety of internal and external stimuli. In particular, excitable cells, like muscle or nerve cells, produce quick depolarizations in response to electrical, mechanical or chemical stimuli: this means that they can change their internal potential through a quick exchange of ions between cytoplasm and the external environment. This can be done thanks to the presence of ion channels, proteins that span the lipid bilayer and act like switches, allowing ionic current to flow opening and shutting in a stochastic way. For a particular class of ion channels, ligand-gated ion channels, the gating processes is strongly influenced by binding between receptive sites located on the channel surface and specific target molecules. These channels, inserted in biomimetic membranes and in presence of a proper electronic system for acquiring and elaborating the electrical signal, could give us the possibility of detecting and quantifying concentrations of specific molecules in complex mixtures from ionic currents across the membrane; in this thesis work, this possibility is investigated. In particular, it reports a description of experiments focused on the creation and the characterization of artificial lipid membranes, the reconstitution of ion channels and the analysis of their electrical and statistical properties. Moreover, after a chapter about the basis of the modelling of the kinetic behaviour of ligand gated ion channels, a possible approach for the estimation of the target molecule concentration, based on a statistical analysis of the ion channel open probability, is proposed. The fifth chapter contains a description of the kinetic characterisation of a ligand gated ion channel: the homomeric α2 isoform of the glycine receptor. It involved both experimental acquisitions and signal analysis. The last chapter represents the conclusions of this thesis, with some remark on the effective performance that may be achieved using ligand gated ion channels as sensing elements.

Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme an nozizeptiven Spinalganglienneuronen der Ratte

Die freien Endigungen von Spinalganglienneuronen sind für die Detektion schmerzhafter Reize verantwortlich. Dabei rufen thermische, chemische oder mechanische Reize Ionenströme über die Membran und dadurch Membranpotentialänderungen hervor. Diese noxisch induzierten Ströme sind in großem Ausmaß durch chemische Substanzen und andere Reize modulierbar. Der Ionenkanal TRPV1 ist für die Detektion zahlreicher chemischer Reize und zumindest eines Teils der noxischen Hitzereize verantwortlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden einige der Mechanismen geklärt, die zur schnellen Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme führen. Hierfür wurden akut dissoziierte Spinalganglienneurone der Ratte als Modell ihrer peripheren Endigung verwendet und mittels Ganzzellableitung in der patch-clamp-Technik untersucht. Die Verwendung von Trypsin während der Präparation von Spinalganglienneuronen hat keinen funktionellen Einfluss auf hitze- oder capsaicininduzierte Ströme, verbessert aber die Untersuchungsbedingungen für das patch-clamp-Verfahren. Bei 144 akut dissoziierten Spinalganglienneuronen wurden die Stromantworten auf drei im Abstand von 40 s durch Überspülen mit 45,3 bis 46,3°C heißer Extrazellularlösung applizierte einsekündige Hitzereize gemessen. Dabei ließen sich repetitiv reproduzierbare hitzeinduzierte Einwärtsströme von etwa 160 pA erzielen; es konnte keine Tachyphylaxie und nahezu keine Inaktivierung beobachtet werden. Direkt vor dem zweiten Hitzereiz wurden die Neurone für zwei Sekunden mit Extrazellularlösung überspült, die Kontrolllösung, 0,5 μM Capsaicin, 10 μM Natriumnitroprussid oder 10 μM YC-1 enthielt. Es fand sich kein Hinweis, dass Stickstoffmonoxid oder die Guanylatzyklase einen signifikanten Beitrag zur Sensibilisierung von hitzeinduzierten Strömen in Spinalganglienneuronen leisten, wobei ein durch den Versuchsaufbau bedingtes Auswaschen zytosolischer Faktoren, die für den Signalweg notwendig sind, nicht ausgeschlossen werden kann. Bei einer Konzentration von 0,5 μM löst Capsaicin für zwei Sekunden einen sehr kleinen Einwärtsstrom von etwa 33 pA aus und führt innerhalb von zwei Sekunden zu einer schnell reversiblen Sensibilisierung von hitzeinduzierten Einwärtsströmen in Spinalganglienneuronen (p<0,01). Das Ausmaß der Sensibilisierung ist proportional zur Größe des capsaicininduzierten Stromes (r=−0,7, p<0,001). Konstant halten der intrazellulären Calciumkonzentration mittels des Calciumchelators BAPTA verhindert die capsaicininduzierte Sensibilisierung hitzeinduzierter Ströme an Spinalganglienneuronen. Demzufolge beruht die capsaicininduzierte Sensibilisierung trotz der schnellen Kinetik nicht auf einer synergistischen Wirkung der beiden Agonisten Capsaicin und Hitze auf ihren gemeinsamen Rezeptor; vielmehr ist sie von einer Erhöhung der intrazellulären freien Calciumkonzentration abhängig. Funktionelle Änderungen der zellulären Funktion werden häufig durch Proteinkinasen vermittelt. Die zur Gruppe der MAP-Kinasen gehörende ERK (extracellular signal related kinase) wird bei Membrandepolarisation und Calciumeinstrom in die Zelle durch MEK (MAPK/extracellular signal related kinase kinase) aktiviert. Blockade der MEK/ERK-Kaskade durch den spezifischen MEK-Hemmstoff U0126 führt ebenfalls zu einer Aufhebung der Sensibilisierung der Hitzeantworten durch Capsaicin. Applikation von Capsaicin führt innerhalb von zwei Sekunden zu einer schnell reversiblen Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme an nozizeptiven Spinalganglienneuronen. Diese Sensibilisierung wird durch einen Calciumeinstrom in die Zelle und die dadurch eintretende Aktivierung von Proteinkinasen hervorgerufen. Die MEK/ERK-Kaskade ist ein sehr schnell (deutlich unter 2 s) aktivierbares intrazelluläres Signalsystem, welches bei der Regulation der Empfindlichkeit nozizeptiver Spinalganglienneurone eine entscheidende Rolle spielt; die schnelle Kinetik ist dabei nur durch eine membranständige oder zumindest membrannahe Lokalisation dieser Proteinkinasen erklärbar. Durch Applikation zehnsekündiger Hitzereize lässt sich ebenfalls eine Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme auslösen, die ebenso ausgeprägt ist, wie die Sensibilisierung durch 0,5 μM Capsaicin (p<0,005). Durch das immer größere Verständnis der Funktionsweise des nozizeptiven Systems ergeben sich ständig neue Ansätze für die Entwicklung neuer Analgetika. So könnte durch Modulation spezifischer intrazellulärer Proteinkinasen der Phosphorylierungszustand und damit die Aktivierbarkeit von Ionenkanälen, die der Transduktion noxischer Reize dienen, positiv beeinflusst werden. Neuere, noch spezifischere Inhibitoren der MEK können der Forschung und später auch der Therapie neue Möglichkeiten eröffnen.

Closed-loop investigation of the dynamical properties of cardiomyocyte electrophysiology by means of Dynamic clamp and Mathematical modelling

The research field of my PhD concerns mathematical modeling and numerical simulation, applied to the cardiac electrophysiology analysis at a single cell level. This is possible thanks to the development of mathematical descriptions of single cellular components, ionic channels, pumps, exchangers and subcellular compartments. Due to the difficulties of vivo experiments on human cells, most of the measurements are acquired in vitro using animal models (e.g. guinea pig, dog, rabbit). Moreover, to study the cardiac action potential and all its features, it is necessary to acquire more specific knowledge about single ionic currents that contribute to the cardiac activity. Electrophysiological models of the heart have become very accurate in recent years giving rise to extremely complicated systems of differential equations. Although describing the behavior of cardiac cells quite well, the models are computationally demanding for numerical simulations and are very difficult to analyze from a mathematical (dynamical-systems) viewpoint. Simplified mathematical models that capture the underlying dynamics to a certain extent are therefore frequently used. The results presented in this thesis have confirmed that a close integration of computational modeling and experimental recordings in real myocytes, as performed by dynamic clamp, is a useful tool in enhancing our understanding of various components of normal cardiac electrophysiology, but also arrhythmogenic mechanisms in a pathological condition, especially when fully integrated with experimental data.