ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITÀ DI BOLOGNA SEDE DI CESENA SECONDA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CON SEDE A CESENA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA BIOMEDICA Analisi computazionale dell’effetto della stimolazione β-adrenergica sulla corrente IKs e sul potenziale d’azione Presentata da Federica Canella Relatore Prof. Severi Stefano Correlatore Prof. Zaza Antonio

Introduzione Una perdita di funzionalità di IKs è associata ad un allungamento del tratto QT

Potenziale d’azione

La Corrente IKs Corrente di potassio associata ai canali caratterizzati da una lenta attivazione Partecipa alla ripolarizzazione finale, fondamentale per la durata del plateau Aumento della frequenza cardiaca Necessità di accorciare l’AP Aumento della corrente di ripolarizzazione

Canale ionico della IKs Subunit Protein Gene Alpha (pore) KvLQT1 KCNQ1 Beta (auxiliary) MinK KCNE1

Obiettivi Confronto tra modelli della corrente IKs Simulazione del potenziale d’azione in condizioni di stimolazione β-adrenergica

Modello Silva-Rudy IKs= GKs*P0*(Vm – E)

Modello Terrenoire-Clancy Modello Imredy Modello alla Hodgkin-Huxely del primo ordine: Modello alla Hodgkin-Huxley del secondo ordine: IKs= gKs* xa3 * (Vm – E) IKs= gKs* n1*n2 * (Vm – E) 3 variabili di gating: -indipendenti tra loro; -dipendenti dal tempo; -dipendenti dal potenziale. 2 variabili di gating: -differenti tra loro; -dipendenti dal tempo; -dipendenti dal potenziale.

Modello Terrenoire-Clancy IKs= gKs* xa3 * (Vm – E) xa ∞= α /(α + β) α rateo verso lo stato aperto β rateo verso lo stato chiuso n frazione canali fosforilati IKs = IKs0 (1-n) + IKs* (n)

Modello Imredy IKs= gKs* n1*n2 * (Vm – E) n∞ = α /(α + β) α rateo verso lo stato aperto β rateo verso lo stato chiuso Istep = IKs_amp (1-exp (-t/τA1)(1-exp (-t/τA2)) + Iconst

Metodi Implementazione Simulink dei tre modelli di corrente IKs

Metodi Verifica del corretto comportamento del modello implementato Modello Terrenoire-Clancy

Metodi Verifica del corretto comportamento del modello implementato Modello Imredy

Metodi Modello Severi-Zaza Modello Terrenoire-Clancy Modello Imredy Tipo di coltura cellulare Miociti ventricolari di guinea pig Cellule ovariche di criceti cinesi HEK-293 cells Temperatura 36 °C Temp. Ambiente 37 °C

Metodi Simulazione della cinetica della corrente IKs: tre protocolli voltage-clamp 20 -80 (mV) S1 S2 Protocollo di deattivazione Protocollo di riattivazione Protocollo di attivazione

Confronto tra Modelli Tail Current Severi-Zaza (2009) Terrenoire-Clancy (2005) Imredy (2008)

Confronto tra Modelli Costante di tempo di attivazione Modello Severi-Zaza Modello Imredy Modello Terrenoire-Clancy

Confronto tra Modelli Costante di tempo di deattivazione Modello Severi-Zaza Modello Imredy Modello Terrenoire-Clancy

Modello Terrenoire-Clancy Costante di tempo di deattivazione Gradino di depolarizzazione a +20 mV per 3 secondi

Modello Terrenoire-Clancy Costante di tempo di deattivazione Valori sperimentali riportati nell’articolo Terrenoire-Clancy (2005) Costante di tempo descritta dalle equazioni riportarte nell’articolo Terrenoire-Clancy (2005)

Confronto tra Modelli Costante di tempo di riattivazione S1 S2 20 -80 (mV) S1 S2 Modello Severi-Zaza Modello Terrenoire-Clancy Modello Imredy

Confronto tra Modelli IKs(t) ≈ (x(0) + (x∞-x(0))*(1-e-t/τ))3 IKs(t) ≈ (x1(0) + (x1∞-x1(0))*(1-e-t/τ1))* (x2(0) + (x2∞-x2(0))*(1-e-t/τ2))

Simulazione del potenziale d’azione Abbiamo incorporato il modello della corrente IKs nel modello del potenziale d’azione di Luo-Rudy Abbiamo modificato le correnti ICa, Irel, Iup, INaK