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Type: Tese
Title: Multiscale modelling for the calcium dynamics in cardiac electrophysiology
Author: Novaes, Gustavo Montes
First Advisor: Santos, Rodrigo Weber dos
Co-Advisor: Alvarez-Lacalle, Enric
Co-Advisor: Muñoz, Sergio Alonso
Referee Member: Rocha, Bernardo Martins
Referee Member: Lobosco, Marcelo
Referee Member: Domínguez, Blas Echebarria
Referee Member: Campos, Fernando Otaviano
Resumo: Um componente crítico para que as células cardíacas desempenhem sua função primária, contração do órgão cardíaco, é a regulação da concentração intracelular de cálcio. O íon cálcio é o elemento chave na contratilidade das células cardíacas e sua dinâmica intracelular envolve diversas atividades físico-química. Todo o processo é denominado processo de Liberação de Cálcio Induzida por Cálcio (Calcium Induced Calcium Release - CICR). As atividades que compõem o processo CICR são de alta complexidade e envolvem fenômenos espaciais e temporais em multiescala. Dessa forma, um modelo computacional capaz de reproduzir esse processo crucial para o correto funcionamento do coração nessas diferentes escalas poderá contribuir para a compreensão da relação entre as atividades em microescala e os efeitos que elas causam no comportamento de todo o órgão. Assim, esta tese propõe um novo modelo computacional espaço-temporal para o miócito do ventrículo esquerdo humano capaz de reproduzir a estocasticidade presente na natureza microescala da célula e determinar os efeitos desses fenômenos locais no comportamento celular em macroescala. O desenvolvimento deste modelo multiescala foi baseado em um modelo celular consolidado. Este modelo base foi modificado incorporando Variáveis Aleatórias em sua formulação. Isso permitiu que a versão atualizada do modelo replicasse fenômenos que ocorrem em nível subcelular, como o comportamento estocástico de canais iônicos e liberações espontâneas de cálcio. Além disso, a característica multiescala do modelo foi implementada através da introdução de dois parâmetros nas formulações do CICR que permitem a utilização do modelo para reproduzir os resultados em escalas subcelulares e celulares. O modelo proposto apresentou resultados satisfatórios; simulados sob a condição de microescala, o modelo foi capaz de reproduzir as liberações espontâneas de cálcio enquanto que, sob uma visão de macroescala, reproduziu também os resultados determinísticos esperados. Além disso, este novo modelo poderá possibilitar novos estudos na compreensão de patologias cardíacas e sua associação com as estruturas subcelulares.
Abstract: A critical component for the cardiac cells to perform its primary function, the shortening of the cardiac organ, is regulating the intracellular calcium concentration. The calcium ion is the key element in the cardiac cells’ contractility, and its intracellular dynamics involve several physical and chemical activities. The whole process is named the Calcium-Induced Calcium Release (CICR) process. The activities composing the CICR process are of high-order complexity and involve spatial and temporal multiscale phenomena. In this way, a computational model capable of reproducing this crucial process for the correct cardiac function in these scales might contribute to understanding the relation between the micro scale activities and the effects they cause on a whole organ behavior. So, this thesis proposes a novel spatial-temporal computational model for the human left ventricle myocyte capable of reproducing the stochasticity present in the micro scale nature of the cell and determining the effects of these local phenomena in the macro scale cellular behavior. The development of this multiscale model was based on a well-accepted cellular model. This base model was modified by incorporating random variables in its formulation. It enabled the updated version of the model to replicate phenomena occurring at a subcellular level, such as the stochastic behavior of ionic channels and spontaneous calcium sparks. Besides, the multiscale feature was implemented by introducing two parameters in the CICR formulations that allow the usage of the model to reproduce the outputs in both subcellular and cellular scales. The proposed model presented satisfactory results; simulated under the micro scale condition, the model were capable of reproducing the spontaneous calcium sparks while that, under a macro scale viewing, it reproduced the deterministic expected outputs. Furthermore, this new proposition might enable further studies in understanding heart pathologies and their association with the subcellular structure.
Keywords: Modelagem cardíaca
Dinâmica de cálcio
Multiescala
Cardiac modeling
Calcium dynamics
Multiscale
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
DOI: https://doi.org/10.34019/ufjf/te/2023/00123
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16323
Issue Date: 11-Sep-2023
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