Fully coupled multiscale models of cardiac electromechanics

Computational models are a promising complementary tool to clinical trials in medicine, as they allow testing of hypotheses that may be difficult to control in real-life scenarios, or which may pose risks to the patient. For a computational model to be valid, it should be capable of reproducing significant biomarkers matching experimental medical data. This requires a detailed mechanistic mathematical model of the underlying pathophysiological processes. Cardiac electromechanics, driven by the excitation-contraction coupling, is regulated by a complex interplay of physical processes at different scales. One of the features we are interested in is the so-called mechano-calcium feedback, that is, the effect of the mechanical deformation on the calcium-troponin buffering rate. This thesis aims at presenting two bidirectionally coupled cellular electromechanical models, by introducing a feedback from a force generation model to a ionic model. The proposed cellular electromechanical models are validated on experimental data. The mechano-calcium feedback is then integrated into a multiscale left-ventricular electromechanics model in order to simulate a heartbeat.

I modelli computazionali sono un promettente strumento complementare alla sperimentazione clinica nella medicina, siccome permettono di verificare ipotesi che potrebbero essere difficili da controllare nella vita reale, oppure che possono porre il paziente a rischio. Affinché un modello computazionale sia valido, deve essere in grado di riprodurre biomarker significativi replicando dati medici sperimentali. Questo richiede un modello meccanicistico e dettagliato dei processi fisiopatologici sottostanti. L'elettromeccanica cardiaca, guidata dall'accoppiamento eccitazione-contrazione è regolata da un'interazione complessa di processi fisici attraverso varie scale. Una delle caratteristiche a cui siamo interessati è il cosidetto mechano-calcium feedback, cioè, l'effetto che la deformazione meccanica induce sulla capacità della troponina di legarsi al calcio. Lo scopo di questa tesi è introdurre due modelli bidirezionalmente accoppiati di elettromeccanica a livello cellulare tramite l'introduzione del feedback da un modello di generazione di forza a un modello ionico. I modelli di elettromeccanica cellulare proposti sono validati rispetto a dati sperimentali. Il mechano-calcium feedback è inserito in un modello di elettromeccanica del ventricolo sinistro multiscala con l'obiettivo di simulare un battito.