POTENCIAL DE ACCION Y CONTRACTILIDAD EN MIOCITOS CARDIACOS SOBRECARGADOS CON [NA+]I: UN ESTUDIO DE SIMULACIÓN

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

ASIGNATURA: PRINCIPIOS DE BIOFISICA Y BIOINGENIERIA

Prof. Álvaro Herrera

Alumno: Ing. José Valera

                                                                                  Sartenejas, Julio de 2012

ANÁLISIS: CAMBIOS DE POTENCIAL DE ACCIÓN Y CONTRACTILIDAD EN MIOCITOS CARDIACOS SOBRECARGADOS CON [NA+]I: UN ESTUDIO DE SIMULACIÓN

Elaborado por: Gregory M. Faber y Yoram Rudy

Centro de Investigación y Enseñanza de Bioelectricidad Cardiaca y Departamento de Ingeniería Biomédica. Universidad Case Western Reserve, Cleveland, Ohio, USA

INTRODUCCION

Según los autores de esta investigación en el tejido cardiaco los desbalances  iónicos pueden ser causantes de arritmias que pueden degenerar en fibrilación y en una súbita muerte cardiaca. Por investigaciones anteriores se observó que las concentraciones anormales de sodio y calcio intracelular en los miocitos pueden generarse durante condiciones de compromiso metabólico, isquemia (obstrucción del riego arterial al musculo cardiaco) y toxicidad digitalica (producida por digitoxinas inhibidoras de la bomba Na-K-ATPasa). La acumulación de sodio intracelular también puede producirse cuando la inactivación de los canales de sodio voltaje-dependientes no son normales o están incompletos permitiendo una entrada sostenida de la corriente de sodio. Se puede reproducir esta misma situación con la inactivación de los canales con drogas. El entender como se generan los desbalances iónicos y sus consecuencias permitirán  el avance de los tratamientos médicos o crear estrategias preventivas para atacar estas alteraciones.

Como se expresa en este artículo la bomba sodio-potasio y el intercambiador sodio-calcio son los dos reguladores iónicos más importantes y juegan un papel principal en mantener el balance iónico a través de la membrana del miocito cardiaco. Se establece también que un ritmo rápido y altas velocidades de latidos durante una taquiarritmia incrementa las cantidades de sodio y calcio que entran a la célula impidiendo que la bomba sodio-potasio y el intercambiador sodio-calcio puedan restaurar las concentraciones iónicas a los niveles normales.

El estudio descrito utiliza un modelo teórico de un miocito cardiaco elaborado por Luo and Rudy, 1994a; Zeng et al., 1995; Viswanathan et al., 1999 con la finalidad de investigar los efectos de la sobrecarga de sodio intracelular en el comportamiento electrofisiológico celular y en la actuación del calcio. El uso de este modelo observar las corrientes transmembrana y el flujo de iones continuamente durante el Potencial de Acción, esto se puede realizar evaluando diferentes  velocidades de estimulo y condiciones definidas de elevación de sodio.

METODOS

Modelo Celular

El modelo teórico utilizado es el establecido por Rudy, 1994a; Zeng et al., 1995; Viswanathan et al., 1999 de un potencial de acción ventricular en mamíferos que proporciona las bases para la simulación en este estudio e incluye la formulación matemática de las corrientes iónicas de los canales de membrana usando las aproximaciones de Hodgkin-Huxley. El modelo también cuenta con la capacidad de similar los procesos que regulan los cambios de concentración intracelular.

Protocolo de Simulación

Para todas las simulaciones las concentraciones iniciales establecidas son las siguientes: [K+]o = 4.5 mM, [Na+]o = 140 mM, y [Ca2+]o = 1.8 mM. La célula permanece en reposo mientras un estado permanente de concentraciones iónicas intracelulares se logra antes que se aplique el primer estimulo. Para simulaciones donde el sodio necesita estar a una concentración especifica se asigno el, valor antes del siguiente estimulo. Se aplicó un estimulo de —80 ^A/^F por una duración de 0.5 ms.

[pic 1]

Figura 1. Diagrama esquemático del modelo de célula ventricular Luo-Rudy (LRd).

RESULTADOS 

INaCa y INaK incrementan en magnitud al incrementar [Na+]i (Concentración interna de Sodio)

 En la relación  I-V para INaCa (Intercambiador Sodio-Calcio) que se obtiene de la simulación demuestra varias de las propiedades de INaCa e inclusive puede apreciarse la saturación de la corriente las incrementar el voltaje y las  concentraciones [Na+]i, y el cambio de funcionamiento reverso de INaCa cuando existen altas concentraciones de sodio intracelular. En los resultados también se puede observar el salto de los valores de corriente cuando se varia la concentración de 10 Mm a 20Mm.

[pic 2]

Figura 2. Relación corriente-voltaje para INaCa y INaK en función de la concentración de

[Na+]±. Simulado y Medición experimental (adaptado de  Matsuoka y Hilgemann, 1992)

Acumulación de Iones durante la estimulación

Durante la estimulación los iones se acumulan en el interior de la célula y las concentraciones intracelulares de [Na+]i y [Ca2+]i, difieren enormemente de las que existen en un miocito en reposo. La relación entre las concentraciones iónicas y la frecuencia de estimulación se representa en forma de una escalera concentración-frecuencia. La comparación se realiza con los experimentos realizados por Wang et al. (1988) y la simulación terrace con el modelo planteado. Nótese como las frecuencias de estimulación van aumentando cuando la acumulación de iones crece. La acumulación de estos iones es debido a la incapacidad de la bomba Na+-K+ y el intercambiador Na+-Ca2+ de balancear la entrada de iones. El incremento de estos iones intracelulares  afecta varias de las Corrientes dependientes del Na+- y Ca2+ lo cual resulta en la disminución de la duración del potencial de acción.

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