Comparison of models to estimate the maximal transmembrane electrical potential variation induced by electrical fields in isolated cardiomyocytes of rats of different ages

Orientadores: José Wilson Magalhães Bassani, Rosana Almada BassaniDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Tendo em vista que a estimulação com campos elétricos externos (E) é utilizada na prática clínica para tratamento de arritmias cardíacas, é necessário um melhor entendimento do fenômeno de polarização da membrana plasmática de cardiomiócitos por E. O disparo de potencial de ação, e subsequente contração celular, induzido por E em cardiomiócitos depende da indução de variação do potencial elétrico transmembrana (?Vm) que leve este potencial ao valor limiar. Devido às limitações dos métodos atualmente disponíveis para medir ?Vm e seu valor máximo, ?Vmax, os modelos eletromagnéticos representam uma importante ferramenta para sua estimativa. Porém, os valores calculados dependem de como o fenômeno de polarização da membrana é modelado. Os modelos eletromagnéticos encontrados na literatura aproximam a forma irregular do cardiomiócito a formas geométricas regulares. Entretanto, até o momento, não se sabe qual destes modelos é o mais adequado para se estimar ?Vm. As células miocárdicas apresentam irregularidades em sua forma e, tanto a forma quanto as dimensões das células alteram-se com o desenvolvimento pós-natal. Neste trabalho, foi desenvolvido um modelo numérico tridimensional (MN3D) da forma irregular da célula, e comparou-se as estimativas de ?Vm induzida por E limiar (?VL) feitas com este modelo e com modelos simplificados, entre estes o modelo numérico bidimensional (MN2D) e os modelos analíticos para cilindro (MACil), esfera (MAEsf), esferóide prolato (MAEsPr) e elipsóide (MAElip). Para estimar ?VL, E limiar e as dimensões celulares foram medidos em células cardíacas isoladas de ratos neonatos (5-7 dias), infantes (28-32 dias) e adultos (4-6 meses), em 6 faixas de ângulos entre a direção de aplicação do campo e o eixo maior da célula. Os modelos foram calibrados do ponto de vista eletromagnético, o que mostrou que, MN2D e MACil são inadequados para estimar ?Vmax. Enquanto as estimativas de ?VL com MN3D e MAEsPr não variaram com o ângulo, mas sim com a idade, o oposto ocorreu com as estimativas feitas com o MAElip. Dentro de certas condições, as estimativas de ?VL feitas com MAEsPr foram as mais próximas daquelas feitas com MN3D. Conclui-se que o MAEsPr, menos complexo tecnicamente, pode fornecer estimativas confiáveis de ?VL, desde que o ângulo de aplicação de E seja pequeno (até 30º)Abstract: Considering that stimulation with external electrical fields (E) is clinically used for arrhythmia treatment, it is important to understand the phenomenon of membrane polarization by E. Action potential and contraction triggering by E in cardiomyocytes depends on the induction of a transmembrane potential variation (?Vm) sufficient for the attainment of the excitation threshold. Due to the limitations of the methods currently available for measurement of ?Vm and its maximum value, ?Vmax, electromagnetic models represent an important tool for this purpose. However, the calculated values depend on how the membrane polarization phenomenon is modeled. The electromagnetic models available in the literature approximate the cardiomyocyte irregular shape to regular geometries. Nevertheless, it has not been ascertained yet which model is the most appropriated to estimate ?Vmax in these cells, of which both dimensions and shape vary markedly during postnatal development, and often present geometric irregularities. Thus, approximation of the cell shape to regular geometries may result in a considerable error in the ?Vm estimation. The aim of this study was to develop a three-dimensional numerical model (MN3D) based on the irregular cell shape and to compare the values of ?Vmax induced by the threshold E (?VL) estimated with this model with those calculated with simplified models, such as the twodimensional numerical model (MN2D) and the analytical models for cylinder (MACil), sphere (MAEsf), prolate spheroid (MAEsPr), and ellipsoid (MAElip). To estimate ?VL, the threshold E and cell dimensions were measured in cardiomyocytes isolated from neonatal (5-7 days), weaning (28-32 days) and adult (4-6 months) rats, for 6 ranges of the angle between the directions of E and the cell major axis. Electromagnetic calibration of the models showed that MN2D and MACil were not suitable for ?Vmax estimation in these cells. While ?VL estimated with MN3D and MAEsPr were angle-independent, but dependent on the animal's age, the opposite was observed regarding the estimates made with MAElip. Under certain conditions, ?VL values estimated with MAEsPr were the closest to those obtained with MN3D. It is concluded that MAEsPr, a less technically complex model, can provide reliable ?VL estimates provided that the angle between the directions of E and the cell major axis is small (up to 30º)MestradoEngenharia BiomedicaMestre em Engenharia Elétric