[論文レビュー] Dynamics of cardiac re-entry in micro-CT and serial histological sections based models of mammalian hearts

Girish Ramlugun, Belvin Thomas+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2018

Cardiac electrophysiology and arrhythmias被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ラット肺静脈壁およびヒツジの心房における高解像度マイクロCTおよび連続組織切片データを用いて、心筋の再進入を模擬した。幾何学的要因と軸性の不均一性（特に約90°の繊維回転）が、電気生理学的不均一性が存在しない状況でも再進入を誘発・安定化させることを示した。主な発見は、壁厚の変動と異方性伝導の併存効果により、平面波がピン留めされた再進入に変換されることであり、微小解剖的再進入の誘発に幾何学的メカニズムが関与することを明らかにした。

ABSTRACT

Cardiac re-entry regime of self-organised abnormal synchronisation underlie dangerous arrhythmias and fatal fibrillation. Recent advances in the theory of dissipative vortices, experimental studies, and anatomically realistic computer simulations, elucidated the role of cardiac re-entry interaction with fine anatomical features in the heart, and anatomy induced drift. The fact that anatomy and structural anisotropy of the heart is consistent within a species suggested its possible functional effect on spontaneous drift of cardiac re-entry. A comparative study of the anatomy induced drift could be used in order to predict evolution of atrial arrhythmia, and improve low-voltage defibrillation protocols and ablation strategies. Here, in micro-CT based model of rat pulmonary vein wall, and in sheep atria models based on high resolution serial histological sections, we demonstrate effects of heart geometry and anisotropy on cardiac re-entry anatomy induced drift, its pinning to fluctuations of thickness in the layer. The data sets of sheep atria and rat pulmonary vein wall are incorporated into the BeatBox High Performance Computing simulation environment. Re-entry is initiated at prescribed locations in the spatially homogeneous mono-domain models of cardiac tissue. Excitation is described by FitzHugh-Nagumo kinetics. In the in-silico models, isotropic and anisotropic conduction show specific anatomy effects and the interplay between anatomy and anisotropy of the heart. The main objectives are to demonstrate the functional role of the species hearts geometry and anisotropy on cardiac re-entry anatomy induced drift. In case of the rat pulmonary vein wall with ~90 degree transmural fibre rotation, it is shown that the joint effect of the PV wall geometry and anisotropy turns a plane excitation wave into a re-entry pinned to a small fluctuation of thickness in the wall.

研究の動機と目的

• 心臓の幾何学的形状と異方性が、解剖学的要因に起因する再進入波の駆動に果たす機能的役割を調査すること。
• 内在的な構造的特徴（繊維の回転や壁厚の変動）が、電気生理学的不均一性が存在しない状況でも再進入を誘発・安定化できるかどうかを評価すること。
• 顕著な解剖的特徴（例：肋骨筋、バッハマン束）が再進入のピン留めおよび安定性に与える影響を評価すること。
• 高解像度の解剖学的データが、HPCシミュレーションに直接統合可能であり、現実的なインシリコ心不全モデル構築に有効であることを示すこと。
• 肺静脈のような薄壁組織における3次元的興奮パターンの違いが、内膜面と外膜面での再進入の発現に与える影響を検討すること。

提案手法

• ラット肺静脈壁およびヒツジの心房から得られた高解像度マイクロCTおよび連続組織切片データセットを用いて、詳細な3次元解剖学的モデルを再構築した。
• BeatBox HPC環境を用いて、解剖学的・生物理的に現実的な心筋電気生理学的シミュレーションを実施した。
• 繊維方向データから導出された等方的および異方性伝導テンソル上に、簡略化されたフィッツフーリュ・ナグumo方程式を用いて興奮伝播をモデル化した。
• 特にラット肺静脈壁における異方性伝導を模擬するため、膜内繊維方向に基づく拡散テンソルを組み込んだ。
• 単一の平面波刺激を用いて再進入を誘発し、漂流、ピン留め、ヘリシティ効果の動態を解析した。
• 異方性伝導と等方的伝導を比較することで、繊維方向および組織の幾何学的形状が再進入の安定性および形態に与える影響を分離して評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気生理学的不均一性が存在しない状況でも、幾何学的形状と異方性が、哺乳類心臓における再進入を誘発・安定化できるか？
• RQ2 ラット肺静脈壁における約90°の膜内繊維回転が、平面波からピン留め再進入回路への移行にどのように寄与するか？
• RQ3 壁厚の変動や肋骨筋などの微細な解剖的特徴が、再進入波前をピン留めするサイトとして果たす程度はどの程度か？
• RQ4 異方性伝導の影響を受ける3次元的興奮パターンの違いにより、同じ再進入回路において内膜面と外膜面での興奮パターンにどのような相違が生じるか？
• RQ5 ヒツジ心房における特徴的な解剖的特徴（例：バッハマン束）が、解剖学的要因に起因する漂流によって安定した再進入を維持できるか？

主な発見

• 約90°の膜内繊維回転を示すラット肺静脈壁において、幾何学的形状と異方性の共同作用により、電気生理学的不均一性が存在しない状況でも、平面興奮波が壁厚にピン留めされた安定した再進入に変換されることを確認した。
• 異なるヘリシティ（手の向き）を示す再進入は、定性的に異なる安定化パターンを示し、波前のはんだん性が複雑な解剖的環境下での安定性に影響を与えることが示された。
• 同じ微小解剖的再進入は、内膜面では「8の字」パターンに、外膜面では2つの焦点的駆動源として観察された。これは、3次元的興奮パターンに顕著な差が生じることを示している。
• ヒツジ心房モデルにおける肋骨筋およびバッハマン束は、正のフィラメント張力を持つ再進入をピン留めする可能性のあるサイトとして同定された。
• 異方性伝導は特定の軸（例：外膜面の垂直y軸、内膜面の水平x軸）に沿った興奮伝播を促進したが、生理的妥当性の検証がなければ、これらの効果は人工的であることが示された。
• 本研究では、高解像度の解剖学的および筋線維データがHPCシミュレーションに直接利用可能であり、従来観察されなかった再進入の誘発・安定化メカニズムを解明できることが確認された。