Mathematical model of action potential and Ca2+ transport in ventricular myocytes of neonatal rats

Orientadores: José Wilson Magalhães Bassani, Rosana Almada BassaniTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: O potencial de ação (PA), variação do potencial elétrico através da membrana (Em), é gerado por fluxos iônicos através de canais e transportadores, cuja função e expressão pode ser alterada por hormônios, neurotransmissores, drogas e toxinas. Trata-se de um sistema complexo, para o qual os modelos computacionais constituem ferramenta importante de estudo. No presente trabalho, foi desenvolvido um modelo de PA e transporte de Ca2+ em células ventriculares de ratos neonatos, para o que foi necessário medir a concentração intracelular de Na+ ([Na+]i) e a corrente de Na+ (INa) em cardiomiócitos isolados, sobre as quais há pouca informação na literatura, e as correntes de Ca2+ (ICa), transiente de saída (Ito) e retificadora tardia (IK) de K+, além do próprio PA para melhorar a precisão do modelo. Medições em miócitos de ratos adultos foram realizadas para comparação. Foi observada menor excitabilidade das células de ratos neonatos, o que poderia ser explicado por um deslocamento da curva de ativação de INa de ~10 mV para a direita, i.e., a ativação dos canais de Na+ ocorreu em Em menos negativos e numa faixa mais ampla de Em em miócitos de neonatos do que em células de adultos. Outra diferença encontrada foi com relação à densidade de INa, ~2 vezes maior em células de neonatos. O maior influxo de Na+ poderia causar um aumento da [Na+]i durante a atividade em células de recém-nascidos, que foi confirmado pela medição de [Na+]i. No entanto, não houve aumento significativo quando ICa e o trocador Na+/Ca2+ (NCX) foram inibidos, o que indica que o aumento da [Na+]i se deve mais ao efluxo de Ca2+ via NCX do que ao influxo pelos canais de Na+ do sarcolema. Além disso, observou- se maior duração do PA em miócitos de neonatos, que poderia ser explicada pela menor densidade observada de correntes repolarizantes (Ito e IK). No entanto, não foi detectada diferença entre idades na densidade de ICa. Dados de simulações mostraram que o retículo sarcoplasmático (RS) é a principal fonte do Ca2+ ativador da contração e que a liberação fracional de Ca2+ do RS nos ratos neonatos é menor que nos adultos, confirmando dados experimentais deste laboratório. Portanto, o modelo poderá ser utilizado para predizer possíveis alterações eletrofisiológicas dos cardiomiócitos de ratos neonatos em diferentes condições.Abstract: The action potential (AP), a change in electrical potential across the membrane (Em), is generated by ionic fluxes through channels and transporters, of which function and expression may be affected by hormones, neurotransmitters, drugs and toxins. Computational models constitute an important tool for the study of this highly non-linear and complex system. In this work, a model of AP and Ca2+ transport in ventricular cells of neonatal rats was developed. It was necessary to measure the intracellular Na+ concentration ([Na+]i) and the Na+ current (INa), for which information in the literature is scarce, and the Ca2+ current (ICa), as well as the outward transient (Ito) and delayed rectifier (IK) K+ currents, in addition to the AP itself, to improve the accuracy of the model. Measurements from adult rat myocytes were also made in order to compare these developmental phases. It was observed that neonatal rat cells are less excitable, which could be explained by a ~10 mV shift to the right of the channel activation curve, i.e., Na+ channels activation occured at less negative Em value and over a higher range of Em compared to adult cells. On the other hand, INa density was twice as great as that in adults. This might promote increase in [Na+]i during activity in cells from newborns, which was confirmed by measurement of [Na+]i. Nonetheless, significant Na+ accumulation was suppressed when ICa and the Na+ / Ca2+ exchanger (NCX) were inhibited, which indicates that the increase in [Na+]i probably depends more on Ca2+ efflux via NCX than on the influx through sarcolemmal Na+ channels. The longer AP duration in neonatal myocytes could be explained by the lower density of the repolarizing currents (Ito and IK). However, age-dependent difference in ICa density was not observed. Simulation data agreed with experimental data from this laboratory regarding the sarcoplasmic reticulum (SR) as the main source of Ca2+ during excitation-contraction coupling and the lower SR fractional release in neonatal than in adult myocytes. In conclusion, the present model may be used to predict possible electrophysiological alterations in developing cardiomyocytes under different conditions.DoutoradoEngenharia BiomedicaDoutora em Engenharia Elétric