Modelování v buněčné elektrofyziologii jako metoda zkoumání arytmogenního působení farmak

KULA, Roman, Jordi HEIJMAN and Markéta BÉBAROVÁ. Modelování v buněčné elektrofyziologii jako metoda zkoumání arytmogenního působení farmak (Modelling in cellular electrophysiology as a method to investigate arrhythmogenic effects of drugs). In 50. pracovní konference Komise experimentální kardiologie. 2023.

Basic information

• Original name: Modelování v buněčné elektrofyziologii jako metoda zkoumání arytmogenního působení farmak
• Name (in English): Modelling in cellular electrophysiology as a method to investigate arrhythmogenic effects of drugs
• Authors: KULA, Roman (203 Czech Republic, belonging to the institution), Jordi HEIJMAN (528 Netherlands) and Markéta BÉBAROVÁ (203 Czech Republic, guarantor, belonging to the institution).
• Edition: 50. pracovní konference Komise experimentální kardiologie, 2023.

Other information

• Original language: Czech
• Type of outcome: Conference abstract
• Field of Study: 30201 Cardiac and Cardiovascular systems
• Country of publisher: Czech Republic
• Confidentiality degree: is not subject to a state or trade secret
• RIV identification code: RIV/00216224:14110/23:00134664
• Organization unit: Faculty of Medicine
• Keywords (in Czech): matematické modelování; srdeční buněčná elektrofyziologie; arytmie; aminofylin
• Keywords in English: mathematical modelling; cardiac cell electrophysiology; arrhythmia; aminophylline

Abstract

Úvod: Experimentální přístup je základním nástrojem buněčné elektrofyziologie pro studium arytmogenního potenciálu farmak. Pro úplné pochopení arytmogenního vlivu vybraného farmaka je však zapotřebí časově náročný a mnohdy obtížně proveditelný zisk experimentálních dat za různorodých podmínek, což představuje limitující faktor výzkumu. Z těchto důvodů byla vyvinuta široká paleta buněčných modelů, detailně zachycujících membránové elektrofyziologické děje, pomocí kterých lze blíže vysvětlit experimentálně zachycené efekty farmaka. Změny v chování iontových kanálů pod vlivem farmaka pak mohou být dále extrapolovány do modelů kardiomyocytů z jiných srdečních oddílů či dokonce jiných živočišných druhů, což zásadním způsobem zpřesní a doplní klasický experimentální přístup. Jako příklad uvádíme objasnění arytmogenního efektu aminofylinu, který je v klinické praxi známý jako bronchodilatátor schopný vyvolat nežádoucí fibrilaci síní. Metodika: Získaná experimentální data byla využita ke kalibraci Bondarenkova modelu myšího komorového kardiomyocytu. Pro nalezení takových hodnot parametrů modelu, při kterých velikost odchylky modelu od experimentálně získaných dat nabývá nejnižší možné hodnoty, byla použita Nelderova-Meadova simplexní metoda. Získané parametry byly následně využity v Courtemanchově modelu lidského síňového kardiomyocytu k dalšímu studiu arytmogenního působení aminofylinu. Veškeré modelování bylo provedeno v softwaru Myokit (www.myokit. org). Výsledky: Dle výsledků experimentu má působení aminofylinu na IK1 duální charakter, s maximální pozorovanou aktivací o 33 % a inhibicí o 47 % při napětí -50 mV, kterých bylo dosaženo po aplikaci klinicky relevantní koncentrace aminofylinu 10 μM. V průměru byl u zvoleného napětí efekt ve všech testovaných koncentracích inhibiční. U buněk s pozorovanou inhibicí aminofylinem došlo ke zrušení efektu při inhibici protein kinázy A. Pro potřeby modelu byl duální efekt vysvětlen existencí minimálně dvou subpopulací iontových kanálů typu Kir2.x, z nichž jedna reaguje na přítomnost aminofylinu aktivací a druhá inhibicí. Dalšího zpřesnění modelu se podařilo dosáhnout vnesením nepřímého inhibičního působení aminofylinu na IK1 prostřednictvím protein kinázy A, která fyziologicky IK1 inhibuje a jejíž aktivita je v přítomnosti aminofylinu, coby inhibitoru fosfodiesterázy, zvýšená. Pro matematický popis zmíněných efektů byly využity tři sigmoidální funkce. Průměrný inhibiční efekt všech testovaných koncentrací vedl k prodloužení trvání akčního napětí u Courtemanchova modelu lidského síňového kardiomyocytu. Maximální pozorovaná aktivace IK1 o 33 % pak zkrátila akční napětí o 13 % a maximální pozorovaná inhibice IK1 o 47 % vedla k prodloužení akčního napětí o 38 %. Závěr: Model komorového kardiomyocytu odpovídal experimentálním výsledkům s velkou přesností, byl-li efekt aminofylinu na IK1 rozdělen na přímý a nepřímý (skrze aktivaci protein kinázy A). Pro vysvětlení přímého efektu je potřeba nejméně dvou subpopulací kanálů Kir2.x, z nichž jedna reaguje na přítomnost aminofylinu aktivací a druhá inhibicí. Výsledný efekt pak může být buď aktivační nebo inhibiční a závisí na procentuálním zastoupení subpopulací u dané buňky, což je v souladu s duálním efektem aminofylinu pozorovaným v experimentu. Jelikož představuje IK1 významný repolarizační proud u síňových kardiomyocytů, může aminofylin pravděpodobně vyvolat fibrilaci síní souběžným prodloužením a zkrácením doby trvání akčního napětí u různých kardiomyocytů, čímž naruší elektrickou homogenitu síňového myokardu.

Abstract (in English)

The experimental approach is an essential tool of cellular electrophysiology for studying the arrhythmogenic potential of drugs. However, to fully understand the arrhythmogenic effect of a selected pharmaceutical, time-consuming and often difficult to perform experimental data acquisition under heterogeneous conditions is a limiting factor of research. For these reasons, a wide variety of cellular models have been developed, detailing membrane electrophysiological events, which can be used to further explain the experimentally captured effects of a pharmaceutical. Changes in ion channel behavior under the influence of the pharmacokinetics can then be further extrapolated to cardiomyocyte models from other cardiac compartments or even other species, which will substantially refine and complement the classical experimental approach. As an example, we present the elucidation of the arrhythmogenic effect of aminophylline, which is known in clinical practice as a bronchodilator capable of inducing undesirable atrial fibrillation.

Links

• MUNI/A/1343/2022, interní kód MU: Name: Zátěže kardiovaskulárního systému od A po Z

Investor: Masaryk University, Loads on the cardiovascular system from A to Z

• NU22-02-00348, research and development project: Name: Funkční hodnocení genetických variant u případů klinicky „skutečné“ idiopatické fibrilace komor: in vitro a in silico modelování s cílem odhalit arytmogenní mechanismus

Investor: Ministry of Health of the CR, Subprogram 1 - standard