SIMULATION OF A CARDIAC CELL. Part I: AN ELECTRO-CHEMICAL MODEL / Simulación de la Célula Cardiaca. Part I: Un Modelo Electro-Químico

Resumen

A global model of the cardiac muscle cell is formulated, integrating the electrical and chemical dynamical aspects of the different components in the cytosol, the sarcoplasmic reticulum, and the cellular membrane (L-channels, Ryanodine channels, SERCA-pump, ATP-pump, Na+-Ca2+-exchanger, myofibrilles). The model is based on the idealization of the cell as a two-interconnected-stirred-tank-reactor system. It produces the expected time responses of the excitation-contraction (E-C) coupling, i.e. the oscillatory-bell-shaped curve in calcium dynamics and the characteristic plateau phase in membrane potential. Validations of the model with experimental data show that it can be adapted to represent cells of different species. Using sensitivity analysis, the phenomenological structure of the model allows the identification of the cellular sub-systems that are related to specific or altered dynamics, and hence the applications of the model in experiment design, drug-effect analysis and cardiac-pathology treatment.

RESUMEN

En este trabajo, se formula un modelo matemático integral de la célula del músculo cardíaco que toma en cuenta los fenómenos químicos y eléctricos que ocurren en las diversas estructuras que componen los diferentes elementos celulares: el retículo sarcoplásmico (canales de Rianodina, bomba SERCA), la membrana celular (canales L, bomba ATPasa, intercambiador Na+-Ca2+) y citosol (miofibrillas). El modelo está basado en la interpretación de la célula como dos tanques agitados e interconectados donde ocurren reacciones químicas (“two-interconnected-stirred-tank-reactor system”). Este modelo reproduce la duración del proceso de excitación-contracción (“E-C coupling”) esperado, así como las formas características para la curva de la dinámica de calcio (campana asimétrica) y para la curva del potencial de membrana (potencial en forma de meseta). El proceso de validación con datos experimentales mostró que el modelo puede adaptarse para representar el comportamiento de células de diferentes especies de animales. Se realizó un análisis de sensibilidad que mostró que la estructura fenomenológica del modelo permite identificar el comportamiento de los diferentes elementos de la célula y relacionarlos de manera específica con dinámicas alteradas. Esto habilita al modelo para utilizarlo como herramienta en el diseño de protocolos experimentales, análisis de efectos de fármacos y formulación de tratamientos para cardiopatías.Palabras clave: Modelado cardiaco, Célula cardiaca, Contracción-relajación, Dinámica de calcio, Simulación celular.