On the electrophysiology of a 72 hpf zebrafish embryo : a finite elements analysis

Over the last few decades, the zebrafish was acknowledged as one of the best electrophysiological animal models for studying cardiovascular diseases due to particular dysfunctions in the mechanisms underlying the electrical conduction of heart tissue due to its excellent ability to replicate the human electrophysiological features from the very first larval stages, including the action potential (AP) morphology and the electrocardiographic signal (ECG). In order to obtain point-wise and time-saving the zebrafish electrophysiological quantities, an in silico 3D finite element (FE) model of a 72 hours-post-fertilization (hpf) zebrafish embryo was built. The 3D geometry of the model was composed of the 72 hpf zebrafish body, modeled as a homogeneous and conductive volume, and heart, which was split into different regions according to their electrical properties. The Bueno-Orovio ionic currents model was assigned to the heart regions, and its constitutive parameters were distinguished based on the native characteristics of the in vivo action potential features of each cardiac region. In addition, the body and the cardiac regions were endowed with a monodomain electrical model, which was able to replicate the experimental electrical conductances of the tissues and, as a consequence, the differences in the signal conduction velocity (CV) within the various zebrafish cardiac regions. An entire cardiac cycle was simulated, to observe the computational results related to the most relevant electrophysiological quantities, such as the action potential morphology, the propagation of the electrical signal through the heart walls, and the monopolar and bipolar ECG signals, obtained through electrodes located on the zebrafish external body surface. The 72 hpf zebrafish 3D model was able to produce results in agreement with the experimental data available in literature and, specifically, the bipolar ECG signal was featured with all the ECG characteristic peaks (i.e., P wave, R wave, T wave), whose polarities were consistent with the electrical signal propagation through the heart walls. Future developments would allow the study of the in silico evolution of the zebrafish electrical quantities related to different embryonic developmental stages.

Nel corso degli ultimi decenni, il pesce zebra è stato riconosciuto come uno dei migliori modelli elettrofisiologici animali per lo studio delle malattie cardiovascolari, dovute a particolari disfunzioni nei meccanismi di conduzione elettrica del tessuto cardiaco, grazie alle sue ottime capacità già a partire dai primi stadi larvali di replicare le caratteristiche elettrofisiologiche dell’uomo, tra cui la forma del potenziale d’azione (AP) e del tracciato elettrocardiografico (ECG). Al fine di ricavare le grandezze elettrofisiologiche in maniera puntuale e rapida, è stato sviluppato in silico un modello 3D agli elementi finiti (FE) di un embrione di pesce zebra a 72 ore dalla fertilizzazione (hpf). La geometria 3D del modello era composta dal corpo del pesce zebra, modellizzato con un volume omogeneo e conduttivo, e dal suo cuore, suddiviso in diverse regioni a seconda delle proprietà elettriche. Il modello delle correnti ioniche di Bueno-Orovio è stato assegnato alle regioni del cuore, differenziando i suoi parametri costitutivi in funzione delle caratteristiche native dei potenziali d’azione in vivo di ciascuna regione cardiaca. In aggiunta, il corpo e le regioni cardiache sono state dotate di un modello elettrico monodominio, con cui è stato possibile replicare le proprietà sperimentali di conduttanza elettrica dei tessuti e, di conseguenza, le differenze di velocità di conduzione (CV) del segnale nelle varie regioni del cuore di pesce zebra. Un intero ciclo cardiaco è stato simulato, con lo scopo di osservare i risultati computazionali relativi alle più rilevanti grandezze elettrofisiologiche, quali la forma e le caratteristiche dei potenziali d’azione, la propagazione del segnale elettrico attraverso il tessuto delle pareti cardiache, e i tracciati ECG monopolari e bipolare, ricavati a partire da elettrodi posti sulla superficie esterna del corpo del pesce zebra. Il modello 3D di pesce zebra a 72 hpf è stato capace di produrre risultati in linea con i dati sperimentali raccolti in letteratura e, nello specifico, il tracciato ECG bipolare si è dotato di tutti i picchi caratteristici di un ECG (onda P, onda R, onda T), con polarità consone alla propagazione del segnale elettrico attraverso le pareti cardiache. Sviluppi futuri permetterebbero di osservare in silico l’evoluzione delle grandezze elettriche di un pesce zebra nelle fasi evolutive successive dell’embrione.