Effetti aritmogeni della penetrazione transmurale del fat secretome nel tessuto atriale: uno studio computazionale

Healthy epicardial adipose tissue (EAT) performs cardioprotective functions, such as serving as a local energy reserve, providing mechanical protection for the coronary arteries, and regulating heart temperature. In addition to its role as an energy store, it acts as a highly active endocrine and paracrine organ, capable of releasing a complex array of bioactive molecules known as the fat secretome (FS). However, obesity, aging, and cardiovascular diseases promote its expansion and phenotypic remodeling, transforming it into a source of pro-inflammatory and pro-fibrotic signals. The EAT is well known to be associated with atrial fibrillation (AF), directly contributing to the formation of an arrhythmogenic substrate through atrial remodeling processes. The objective of this thesis was to study the role of transmural penetration of FS effects in the development and maintenance of AF through computational simulations of atrial electrical activity using a multiscale modeling approach, including cellular model (0D), tissue model (1D), and three-dimensional model (3D) simulations. The 3D model consists of a biatrial model representative of a male subject, characterized by regional electrophysiological heterogeneity and the inclusion of myocardial fiber orientation. Epicardial adipose tissue patches from two patients in the PERSUADE project (P001 and P018) were reconstructed on this anatomy; these patients were selected because they had, respectively, the lowest and highest percentages of EAT relative to the total atrial epicardial surface area. For each reconstruction, three different levels of transmural penetration of FS effects were then defined (levels 1, 2, and 3). In the 0D model, the ionic currents were calibrated based on experimental data from the literature. Specifically, in the presence of fat, the IK1 and INa currents were reduced by 40%, and the IKs and IKr currents were increased by 20%. To model the electrical remodeling caused by AF, the Ito, ICaL, and IKur currents were reduced by 50%, 70%, and 50%, respectively. Thus, the four cases analyzed were Control and Fat, both with and without electrical remodeling. Through these modifications, it was possible to reproduce the experimental results at the action potential (AP) level almost faithfully: prolongation of APD90, reduction in upstroke velocity, reduction in amplitude, and elevation of resting membrane potential (RMP), with the sole exception of APD20 and APD50, which showed a greater percentage increase than that reported in the literature. For the 1D model, the calibration of tissue conductivity allowed us to obtain conduction velocity (CV) values consistent with experimental data. In particular, FS causes a reduction in CV, which is reproduced in the model through a combination of the electrophysiological changes induced by fat and the reduction in electrical coupling between cells. The effective refractory period (ERP) was then calculated using an S1-S2 premature stimulation protocol. In the Fat cases, the ERP was longer than in the corresponding Control cases, both in the presence and absence of electrical remodeling. Conversely, remodeling led to a reduction in the ERP. Using a dynamic recovery protocol, it was possible to assess the dependence of action potential duration (APD) on stimulation frequency. For the Control cases and for the Fat case in the absence of electrical remodeling, the APD increased as BCL increased, in accordance with expected behavior. In the Fat case with electrical remodeling, however, a different response was observed, characterized by a reduced ability of the APD to adapt to changes in stimulation frequency, suggesting a slowed electrophysiological recovery of the tissue. For the 3D model, using an S1-S2 premature stimulation protocol designed to induce reentry circuits, the vulnerability windows were calculated for the Control cases and the three levels of FS infiltration for each patient analyzed. The presence of electrical remodeling in the Control case resulted in a slight increase in the vulnerability window. In the presence of FS, however, no consistent pattern emerged. In patient P001, an increase in the vulnerability window was observed as FS infiltration increased, particularly evident in the absence of electrical remodeling. Conversely, no specific trend was identified in patient P018. In the absence of electrical remodeling, a wide vulnerability window was observed for infiltration level 2, which then narrowed as FS infiltration increased. For the case with electrical remodeling, sustained reentries were observed exclusively at infiltration level 3. In general, cases with electrical remodeling showed more sustained and persistent reentry circuits, suggesting increased arrhythmogenicity of the substrate. In FAT cases, however, no specific pattern emerged, suggesting that the interaction between electrical remodeling and FS is complex and highly dependent on the specific anatomical and structural characteristics of the substrate. The analysis of the dominant frequency in the most sustained reentry cases revealed a slight increase in cases with electrical remodeling, while the effect of FD was not uniform across patients and different levels of infiltration, with some conditions showing lower values. Overall, the frequencies remain within a narrow range, between approximately 4 and 6 Hz, with limited variations among the different cases. Overall, this study represents a preliminary investigation into the combined effects of FS and electrical remodeling in AF and suggests that the interaction between these factors is complex and dependent on the specific characteristics of the atrial tissue.

Il tessuto adiposo epicardico (EAT) sano svolge funzioni cardioprotettive, come riserva energetica locale, protezione meccanica per le arterie coronarie, e termoregolazione. Oltre alla sua funzione di deposito energetico, esso rappresenta un organo endocrino e paracrino altamente attivo, in grado di rilasciare un insieme complesso di molecole bioattive, definito fat secretome (FS). Tuttavia, obesità, invecchiamento e malattie cardiovascolari ne promuovono l’espansione e il rimodellamento fenotipico, trasformandolo in una sorgente di segnali pro-infiammatori e pro-fibrotici. L’EAT è notoriamente associato alla fibrillazione atriale (atrial fibrillation, AF), contribuendo direttamente alla formazione di un substrato aritmogeno, attraverso processi di rimodellamento atriale. L’obiettivo di questa tesi è stato quello di studiare il ruolo della penetrazione transmurale degli effetti del FS nello sviluppo e nel mantenimento dell’AF mediante simulazioni computazionali dell’attività elettrica atriale attraverso un approccio di modellazione multiscala, comprendente simulazioni cellulari (0D), tissutali (1D) e tridimensionali (3D). Il modello 3D consiste in un modello biatriale rappresentativo di un soggetto maschile, caratterizzato da eterogeneità elettrofisiologiche regionali e dall'inclusione dell'orientamento delle fibre miocardiche. Su tale anatomia sono state ricostruite le patches di tessuto adiposo epicardico di due pazienti del progetto PERSUADE (P001 e P018), selezionati in quanto caratterizzati rispettivamente dalla minima e dalla massima percentuale di EAT rispetto alla superficie epicardica atriale totale. Per ciascuna ricostruzione sono stati quindi definiti tre diversi livelli di penetrazione transmurale degli effetti del FS (livelli 1, 2 e 3). Nel modello 0D, a partire da dati sperimentali presenti in letteratura, sono state calibrate le correnti ioniche. In particolare, in presenza di grasso sono state ridotte del 40% le correnti IK1 e INa, e sono state incrementate del 20% le correnti IKs e IKr. Per modellizzare il rimodellamento elettrico determinato dall’AF, sono state ridotte le correnti Ito, ICaL e IKur del 50%, 70% e 50%, rispettivamente. Quindi i quattro casi analizzati sono stati Control e Fat, entrambi con e senza rimodellamento elettrico. Tramite queste modifiche è stato possibile riprodurre quasi fedelmente i risultati sperimentali a livello di potenziale d’azione (action potential, AP): allungamento APD90, riduzione upstroke velocity, riduzione ampiezza, innalzamento resting membrane potential (RMP), con l’unica eccezione dell’APD20 e dell’APD50 che hanno mostrato un incremento percentuale maggiore rispetto a quello riportato in letteratura. Per il modello 1D, la calibrazione della conducibilità dei tessuti ha permesso di ottenere valori di velocità di conduzione (conduction velocity, CV) in linea con i dati sperimentali. In particolare, il FS determina una riduzione della CV, riprodotta nel modello mediante la combinazione delle modifiche elettrofisiologiche indotte dal grasso e della riduzione dell’accoppiamento elettrico tra cellule. È stato poi calcolato l’effective refractory period (ERP) tramite un protocollo di stimolazione prematura S1-S2. Nei casi Fat, l’ERP è risultato maggiore rispetto ai corrispondenti casi Control, sia in presenza sia in assenza di rimodellamento elettrico. Al contrario, il rimodellamento ha portato a una riduzione dell’ERP. Attraverso un protocollo di restituzione dinamico è stato possibile valutare la dipendenza della durata del potenziale d’azione (APD) dalla frequenza di stimolazione. Per i casi Control e per il caso Fat in assenza di rimodellamento elettrico, l’APD è aumentato all’aumentare del BCL, in accordo con il comportamento atteso. Nel caso Fat in presenza di rimodellamento elettrico, invece, è stata osservata una risposta differente, caratterizzata da una ridotta capacità di adattamento dell’APD alle variazioni della frequenza di stimolazione, suggerendo un recupero elettrofisiologico rallentato del tessuto. Per il modello 3D, tramite un protocollo di stimolazione prematura S1-S2 finalizzato all’induzione di circuiti di reentry, sono state calcolate le finestre di vulnerabilità dei casi Control e dei tre livelli di infiltrazione del FS per ciascun paziente analizzato. La presenza di rimodellamento elettrico nel caso Control ha determinato un lieve aumento della finestra di vulnerabilità. In presenza di FS, invece, non è emerso un comportamento univoco. Nel paziente P001 si è riscontrato un aumento della finestra di vulnerabilità all’aumentare dell’infiltrazione di FS, particolarmente evidente in assenza di rimodellamento elettrico. Al contrario, nel paziente P018 non è stato identificato un trend specifico. In assenza di rimodellamento elettrico, è stata osservata una finestra di vulnerabilità ampia per il livello 2 di infiltrazione, andandosi poi ad assottigliare con un aumento dell’infiltrazione di FS. Per il caso con rimodellamento elettrico, sono state osservate delle reentry sostenute esclusivamente per il livello 3 di infiltrazione. In generale, i casi con rimodellamento elettrico hanno mostrato circuiti di reentry più sostenuti e persistenti, suggerendo un aumento dell’aritmogenicità del substrato. Nei casi Fat, invece, non è emerso un comportamento specifico, suggerendo che l’interazione tra rimodellamento elettrico e FS sia complessa e fortemente dipendente dalle caratteristiche anatomiche e strutturali specifiche del substrato. L’analisi delle frequenze di attivazione dominanti dei casi di reentry più sostenute ha evidenziato un lieve incremento nei casi con rimodellamento elettrico, mentre l’effetto del FS non è risultato uniforme tra i pazienti e i diversi livelli di infiltrazione, con condizioni in cui si osservano frequenze maggiori rispetto al Control e altre in cui si registrano valori inferiori. Complessivamente, le frequenze si mantengono in un intervallo ristretto, compreso tra circa 4 e 6 Hz, con variazioni limitate tra i diversi casi. Nel complesso, il presente lavoro costituisce uno studio preliminare sugli effetti combinati del FS e del rimodellamento elettrico nell’AF e suggerisce che l’interazione tra questi fattori sia complessa e dipendente dalle caratteristiche del tessuto atriale specifico.