ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITÀ DI BOLOGNA
SEDE DI CESENA
SECONDA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CON SEDE A CESENA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA BIOMEDICA
Analisi computazionale dell’effetto
della stimolazione β-adrenergica
sulla corrente IKs e sul potenziale
d’azione
Relatore
Presentata da
Prof. Severi Stefano
Federica Canella
Correlatore
Prof. Zaza Antonio
Introduzione
Una perdita di funzionalità di IKs è associata ad un
allungamento del tratto QT
Potenziale d’azione
La Corrente IKs
• Corrente di potassio associata ai canali caratterizzati da una
lenta attivazione
• Partecipa alla ripolarizzazione finale, fondamentale per la
durata del plateau
control
IKs in condizioni ISO
0.04
Aumento della
frequenza cardiaca
Membrane Potential (mV)
Necessità di
accorciare l’AP
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
Aumento della corrente di
ripolarizzazione
-0.08
89.9
90
90.1
Time (s)
90.2
90.3
90.4
Canale ionico della IKs
Subunit
Protein
Gene
Alpha
(pore)
Beta
(auxiliary)
KvLQT1
KCNQ1
MinK
KCNE1
Obiettivi
• Confronto tra modelli della corrente IKs
• Simulazione del potenziale d’azione in
condizioni di stimolazione β-adrenergica
Modello Silva-Rudy
IKs= GKs*P0*(Vm – E)
Modello
Terrenoire-Clancy
Modello alla Hodgkin-Huxely
del primo ordine:
IKs= gKs* xa3 * (Vm – E)
Modello
Imredy
Modello alla Hodgkin-Huxley del
secondo ordine:
IKs= gKs* n1*n2 * (Vm – E)
3 variabili di gating:
2 variabili di gating:
-indipendenti tra loro;
-differenti tra loro;
-dipendenti dal tempo;
-dipendenti dal tempo;
-dipendenti dal potenziale.
-dipendenti dal potenziale.
Modello Terrenoire-Clancy
IKs= gKs* xa3 * (Vm – E)
xa ∞= α /(α + β)
α
rateo verso lo
stato aperto
β
rateo verso lo
stato chiuso
IKs = IKs0 (1-n) + IKs* (n)
n
frazione canali
fosforilati
Modello Imredy
IKs= gKs* n1*n2 * (Vm – E)
n∞ = α /(α + β)
α
rateo verso lo
stato aperto
β
rateo verso lo
stato chiuso
Istep = IKs_amp (1-exp (-t/τA1)(1-exp (-t/τA2)) + Iconst
Metodi
• Implementazione Simulink dei tre modelli di
corrente IKs
GKsmax
[xa_inf]
Constant1
Goto
[tau]
f(u)
Goto1
Q
1
s
Gain2
1
xa
Manual Switch2
f(u)
Cai
GKs
To Workspace4
xa
Integrator
f(u)
1
Iks0
EKs
alfa_x
[xa_inf]
To Workspace
2
f(u)
Goto
vm
3
Constant
Ki
f(u)
4
EKs
Manual Switch
Nai
Eks
f(u)
xa_inf
To Workspace5
To Workspace2
f(u)
beta_x
To Workspace1
f(u)
tau
To Workspace3
[tau]
Goto1
Metodi
• Verifica del corretto comportamento del modello
implementato
Modello Terrenoire-Clancy
IKs activation kinetics (Control)
IKs activation kinetics (cAMP/OA)
50
20 mV
Iks
Iks
20 mV
0
3
4
5
6
Time (sec)
7
Iks
3
4
5
6
Time (sec)
80
7
3
4
5
6
Time (sec)
100
Iks
0
60 mV
40
8
40 mV
3
4
5
6
Time (sec)
7
8
60 mV
100
60
7
50
0
8
Iks
Iks
0
8
40 mV
50
50
50
20
0
3
4
5
6
Time (sec)
7
8
0
3
4
5
6
Time (sec)
7
8
Metodi
• Verifica del corretto comportamento del modello
implementato
Modello Imredy
ISO
Control
0.09
0.3
0.08
0.25
0.07
0.06
IKs
IKs
0.2
0.05
0.04
0.03
0.15
0.1
0.02
0.05
0.01
0
2
3
4
5
Time (s)
6
7
8
0
1
2
3
4
5
Time (s)
6
7
8
Metodi
Tipo di
coltura
cellulare
Temperatura
Modello
Severi-Zaza
Modello
TerrenoireClancy
Modello
Imredy
Miociti
ventricolari di
guinea pig
Cellule ovariche
di criceti cinesi
HEK-293
cells
36 °C
Temp. Ambiente
37 °C
Metodi
• Simulazione della cinetica della corrente IKs:
tre protocolli voltage-clamp
V)
1
50
(mV)
20
0.02
(mV)
(mV)
20
0.02
0.02
-0.03
-0.03
0.01
0
- 0.01
- 0.02
- 0.03
-40
- 0.04
-40
- 0.05
-80
-0.08
0
2
4
6
8
2
2
3
4
5
Protocollo di
attivazione
6
7
8
9
Protocollo di
deattivazione
-0.08
10
0
S1
12
13
2
Protocollo di
riattivazione
S2
3
4
54
Confronto tra Modelli
600
Tail Current
50
(mV)
400
Tail current (pA)
mV)
2
300
200
-40
1
Severi-Zaza
(2009)
500
3
4
5
6
7
8
9
s
100
Terrenoire-Clancy
(2005)
0
-40
-30
-20
40
-10
0
10
20
30
Membrane potential (mV)
40
50
Imredy
(2008)
60
0.1
0.09
35
0.08
30
0.07
0.06
25
0.05
20
0.04
0.03
15
0.02
10
0.01
5
-30
-20
-10
0
10
20
Membrane Potential (mV)
30
40
50
0
-50
-40
-30
-20
-10
Membrane Potential (mV)
0
10
20
Confronto tra Modelli
Costante di tempo di attivazione
1
50 (mV)
50
0.05
(mV)
0.9
0
Activation time constant (s)
0.8
-40
0.7
-40
-0.05
0
1
2
4
5
6
7
8
1s
0.6
Modello SeveriZaza
0.5
0.4
Modello Imredy
0.3
Modello TerrenoireClancy
0.2
0.1
0
-20
3
-10
0
10
20
30
Membrane potential (mV)
40
50
60
Confronto tra Modelli
Costante di tempo di deattivazione
0.5
20
0.02
(mV)
0.01
0.45
0
Deactivation time constant (s)
- 0.01
- 0.02
0.4
- 0.03
-40
- 0.04
0.35
- 0.05
0
2
4
6
8
0.3
0.2
Modello SeveriZaza
0.15
Modello Imredy
0.25
Modello TerrenoireClancy
0.1
0.05
0
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
Membrane potential (mV)
-20
-10
0
1
Modello Terrenoire-Clancy
Costante di tempo di deattivazione
1.6
control
ISO
1.4
Gradino di
depolarizzazione a
+20 mV per 3
secondi
Normalized tail current
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
6.5
7
7.5
8
8.5
Time (s)
9
9.5
10
10.5
Modello Terrenoire-Clancy
Costante di tempo di deattivazione
1400
1200
Tau (sec)
1000
800
600
400
200
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
Membrane Potential (V)
0.02
Costante di tempo descritta dalle
equazioni riportarte nell’articolo
Terrenoire-Clancy (2005)
0.04
0.06
Valori sperimentali riportati
nell’articolo Terrenoire-Clancy
(2005)
Confronto tra Modelli
Costante di tempo di riattivazione
(mV)
20
0.02
0.02
-0.03
-0.03
-0.08
-0.08
0.5
0.45
-80
2
Reactivation time constant (s)
0.4
0
13
S1
2
3
4
54
S2
0.35
0.3
Modello SeveriZaza
0.25
Modello TerrenoireClancy
0.2
0.15
Modello Imredy
0.1
0.05
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
S1-S2 interval (s)
0.35
0.4
0.45
0.5
Severi et al. - CTRL
Confronto tra Modelli
Terrenoire et al. - CTRL
Severi et al. - ISO
Terrenoire et al. - ISO
IKs(t) ≈ (x(0) + (x∞-x(0))*(1-e-t/τ))3
Imredy et al. - CTRL
Imredy et al. - FSK
IKs(t) ≈ (x1(0) + (x1∞-x1(0))*(1-e-t/τ1))* (x2(0) + (x2∞-x2(0))*(1-e-t/τ2))
Simulazione del potenziale d’azione
•Abbiamo incorporato
il modello della
corrente IKs nel modello
del potenziale d’azione
di Luo-Rudy
•Abbiamo modificato
le correnti ICa, Irel, Iup,
INaK