Introduzione alla modellistica del
potenziale d’azione cardiaco
Stefano Severi
C3MIG 11dicembre 2008
Cos’è un modello
• Modello = rappresentazione di un
“sistema” reale
• Tipi di modelli
– Fisico
– Iconico
–…
– Matematico
FIMH
2007
ECC:
The processes
that start when
the cell
membrane is
depolarized,
ending when the
cell contracts
Excitation – Contraction Coupling
(ECC)
3Na Na
Na
Sarcolemma
NCX
ATP
Na
RyR
Ca
Ca
2K
ATP
3Na
PLB
ATP
ICa
SR
T-Tubule
Ca
by D.M. Bers
Ca
[Ca]i
NCX
3Na
AP
(Em)
Contraction
Cyt
Na
3Na Na
Na
Sarcolemma
NCX
ATP
Na
RyR
Ca
Ca
2K
ATP
3Na
PLB
ATP
ICa
SR
T-Tubule
Ca
by D.M. Bers
Ca
[Ca]i
NCX
3Na
AP
(Em)
Contraction
Cyt
Na
3Na Na
Na
Sarcolemma
NCX
ATP
Na
RyR
Ca
Ca
2K
ATP
3Na
PLB
ATP
ICa
SR
T-Tubule
Ca
by D.M. Bers
Ca
[Ca]i
NCX
3Na
AP
(Em)
Contraction
Cyt
Na
Cos’è un modello
• Modello = rappresentazione di un
“sistema” reale
• Tipi di modelli
– Fisico
– Iconico
–…
– Matematico
Modello matematico
• Grandezze che descrivono il comportamento del
sistema
• Insieme delle relazioni matematiche che legano
fra loro tali grandezze e ne descrivono
l’evoluzione nel tempo
– Il modello è sempre una (povera!) approssimazione
della realtà
– Gli aspetti da includere nel modello vanno scelti in
base all’obiettivo che ci si pone
– ‘Things should be made as simple as possible, but
not any simpler. ’ Albert Einstein
A cosa serve un modello
• fare ipotesi, definire, esplorare, capire, simulare, predire,
progettare o comunicare qualche aspetto del sistema
reale
• I modelli solitamente sono più facili da studiare rispetto
al sistema a cui si riferiscono. E' più facile implementare
cambiamenti nella struttura di un modello, ed è più facile
isolare, uno dei suoi componenti.
• Integrare dati sperimentali che si possono ottenere solo
“separatamente”
• Il modello è “trasparente”
Evoluzione dei modelli di AP
ventricolare (Noble and Rudy 2001)
• 1952: Hodgkin and Huxley model
• 1960: FitzHugh-Noble models: energy conservation
during the plateau
• 1975: McAllister-Noble-Tsien model: the If/IK2 controversy
• 1977: Beeler-Reuter model of the ventricular action
potential
• 1985: DiFrancesco-Noble model, pumps and
exchangers
• 1987: Hilgemann-Noble model, Ca2+ balance
• 1991-1994: Luo-Rudy models of the ventricular cell:
pathology, heterogeneity and genetic abnormalities
Denis Noble
Evoluzione dei modelli di AP
ventricolare (Noble and Rudy 2001)
• 1952: Hodgkin and Huxley model
• 1960: FitzHugh-Noble models: energy conservation
during the plateau
• 1975: McAllister-Noble-Tsien model: the If/IK2 controversy
• 1977: Beeler-Reuter model of the ventricular action
potential
• 1985: DiFrancesco-Noble model, pumps and
exchangers
• 1987: Hilgemann-Noble model, Ca2+ balance
• 1991-1994: Luo-Rudy models of the ventricular cell:
pathology, heterogeneity and genetic abnormalities
Evoluzione dei modelli di AP
ventricolare
• 1960—1988 Early cardiac cell models
(“first generation”)
• 1989—
Detailed cardiac cell models
(“second generation”)
• Luo-Rudy
• …
“Second-generation”
models
•
•
•
•
•
•
•
Markov models
Species-specificity
Human models
Local control
Mutations…
Heterogeneity
…
Il modello di Hodgkin-Huxley
Il modello di Hodgkin-Huxley
Il modello di Hodgkin-Huxley
• “Ionic current”:
• Ionic conductances:
dn n  n

dt
m
Il modello di Hodgkin-Huxley
Il modello di Hodgkin-Huxley
Il modello di Hodgkin-Huxley
• Gates di attivazione/inattivazione
• Diversa velocità ()
Il modello di Hodgkin-Huxley
• AP generation
• Conduction
• Refractory
period
• …
1960: FitzHugh-Noble models
1960: FitzHugh-Noble i primi
modelli di AP cardiaco
• Novità
– IK1 e IK
• Scopo
– Riprodurre il plateau dell’AP cardiaco
• Successi
– plateau
• Limiti
– INa unica corrente depolarizzante
AP modeling
INa
IbNa
IPCa
IbCa
Sarcoplasmic Reticulum
SS
ICaL
INaCa
Irel
[Ca2+]SS
[Ca2+]SR
Calsequestrin
IXfer
ILeak
Troponin
Calmodulin
[Ca2+]i
[Na+]i
Istim
IKr
IKs
IUP
IK1
IpK
INaK
Ito
[K+]i
Modelli markoviani
•
One astounding aspect of the Hodgkin–Huxley K+ channel model is the
correspondence between the four hypothetical activation gates, n, and the
four a-subunits that form the tetrameric channel. Each subunit contains a
voltage sensor, and all four sensors must be in the activated position for the
channel to open. Therefore, each activation gate can be thought of as
simulating the activation of an individual subunit. Of course, the channel
structure and the correspondence between abstract model ‘ gates ’ and
movement of voltage sensors of the channel protein were completely
unknown to Hodgkin and Huxley when they constructed their model.
•
Molti aspetti della cinetica del canali ionici non sono rappresentabili
mediante lo schema HH (e.g. inattivazione Ina)
•
Necessità di legare lo “stato” fisico del canale alla sua descrizione
matematica
Modelli markoviani
•
Markov-type models are based
on the assumption that
transitions between channel
states depend on the present
conformation of the channel,
but not on previous behavior.
Modelli markoviani
Genotype-Phenotype
5. Cardiac AP & Heterogeneity
3. INa Model
Figure 1
Gal, N=15
CaMKIIc, N=18
CaMKIIc+KN93, N=16
CaMKIIc+AIP, N=9
0
20 ms
-20
-20 mV
SCN5A
-30
-120 mV
-140 mV
Current (pA/pF)
-10
500 ms
-40
-50
-80
-60
-40
-20
-120 -100
ane Potential (mV)
-30 mV
-80
-60
-40
-20
Membrane Potential (mV)
Gal
-50 mV
-80 mV
6. Cardiac Arrhtythmias
-90 mV
-40 mV
mV
-30 mV
-30 mV
-80 mV
CaMKIIc
2. INa functional
alterations
-50 mV
mV
-40 mV
-30 mV
1. Genetic Mutation
5 ms
10 pA/pF
-90 mV
4. AP Model
Clancy & Rudy
Nature, 1999
Circulation, 2002
Modelli deterministici vs stocastici
•
Il singolo canale viene solitamente descritto in termini stocastici, con una
probabilità di apertura ed una corrente di tipo on off
•
I modelli markoviani sono invece deterministici, la P(O) rappresenta in realtà
la frazione di canali che in un dato istante sono nello stato aperto
•
Si può invece implementare la descrizione di n-mila canali stocastici ed
ottenere la corrente totale dalla somma dei singoli contributi discreti
MarkoLab
Modelli matematici  Simulatori
numerici
• Implementazione delle equazioni in un
linguaggio di programmazione
• Integrazione numerica delle equazioni
differenziali
• Necessità di standardizzazione, database
condivisi di modelli etc
•  COR (Cellular Open Resource)
Scarica

Introduzione alla modellistica del potenziale d`azione cardiaco