[논문 리뷰] Dynamics of cardiac re-entry in micro-CT and serial histological sections based models of mammalian hearts

Girish Ramlugun, Belvin Thomas외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 04.

Cardiac electrophysiology and arrhythmias인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 미세-CT와 연속 히스토로지 데이터를 사용하여 쥐 폐정맥 벽과 양 심房에서 심장 재입동을 시뮬레이션하며, 기하학적 구조와 전도 이방성(특히 약 90°의 섬유 회전)이 전기생리학적 이질성이 없더라도 재입동을 유도하고 안정화시킬 수 있음을 보여준다. 핵심 발견은 벽 두께의 변동과 이방성 전도의 병합 효과로 평면파가 고정된 재입동으로 전환될 수 있으며, 이는 미세해부적 재입동 유도를 위한 기하학적 메커니즘을 밝혀낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 심장 기하학과 이방성이 재입동 전도파의 해부학적 이동 기능적 역할을 어떻게 수행하는지 조사하기 위해.
• 전기생리학적 이질성이 없더라도 섬유 회전과 벽 두께의 변동성과 같은 내재된 해부학적 특성이 재입동을 유도하고 안정화시킬 수 있는지 평가하기 위해.
• 예를 들어, 페크티네이트 근육과 바흐만의 루프 같은 종별 해부학적 특성이 재입동의 고정 및 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 고해상도 해부학적 데이터가 직접 HPC 시뮬레이션에 통합되어 현실적인 심재생물 모델링을 가능하게 함을 보여주기 위해.
• 폐정맥과 같은 얇은 벽을 가진 조직에서 3차원 전도 패턴으로 인해 심내막과 심외막에서 재입동이 어떻게 다르게 나타나는지 탐구하기 위해.

제안 방법

• 쥐 폐정맥 벽과 양 심장에서의 고해상도 미세-CT 및 연속 히스토로지 섹션 데이터 세트를 사용하여 정밀한 3차원 해부학적 모델을 재구성하였다.
• BeatBox 고성능 컴퓨팅 환경을 사용하여 심장 전기생리학에 대한 해부학적·생리학적으로 현실적인 시뮬레이션을 수행하였다.
• 섬유 방향 데이터에서 유도된 등방성 및 이방성 전도 텐서 위에서 단순화된 피츠휴-나구모 방정식을 사용하여 전도 전파를 모델링하였다.
• 특히 쥐 폐정맥 벽에서 이방성 전도를 시뮬레이션하기 위해 전도 방향에 따라 변형된 확산 텐서를 통합하였다.
• 단일 평면파 자극을 통해 재입동을 유도하고, 이동, 고정, 나비에러 효과를 분석하였다.
• 이sovotropic 대비 이방성 전도를 비교하여 섬유 방향과 조직 기하학이 재입동 안정성 및 형태에 미치는 영향을 분리 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기생리학적 이질성이 없더라도 기하학과 이방성만으로도 유대동물 심장에서 재입동을 유도하고 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 쥐 폐정맥 벽에서 약 90°의 전도 방향 전환은 평면파에서 고정된 재입동 순환으로의 전이에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 벽 두께의 변동성이나 페크티네이트 근육과 같은 미세해부학적 특성이 재입동 전파파면의 고정점으로 작용하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 이방성 전도로 인해 동일한 재입동 순환에서 심내막과 심외막의 전도 패턴이 3차원적으로 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ5 양 심장에서의 바흐만의 루프와 같은 종별 해부학적 특성이 해부학적 이동에 의해 안정된 재입동을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 약 90°의 전도 방향 전환을 보이는 쥐 폐정맥 벽에서, 기하학과 이방성의 상호작용은 전기생리학적 이질성이 전혀 없이도 평면 전도파를 안정된 두께 고정 재입동으로 전환시킬 수 있다.
• 다른 나비에러 성향을 보이는 재입동은 안정화 패턴이 질적으로 다름을 보이며, 이는 파면의 손가락 방향성이 복잡한 해부학적 환경에서 안정성에 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• 동일한 미세해부학적 재입동은 심내막에서는 '8자형' 패턴으로 나타나지만 심외막에서는 두 개의 집중된 소스로 나타나며, 이는 3차원 전도 패턴의 상당한 차이를 보여준다.
• 양 심장 모델에서 페크티네이트 근육과 바흐만의 루프는 양성 필라멘트 긴장력 재입동의 잠재적 고정점으로 확인되었으며, 이는 부정맥을 유지하는 데 기여한다.
• 이방성 전도는 특정 축(예: 심외막의 수직 y축, 심내막의 수평 x축)을 따라 전도를 촉진하지만, 생리학적 검증 없이 섬유 방향만 기반으로 하면 이러한 효과가 인위적임을 입증하였다.
• 본 연구는 고해상도 해부학적 및 근섬유 데이터가 직접 HPC 시뮬레이션에 활용될 수 있으며, 이로써 이전에 관찰되지 않았던 재입동 유도 및 안정화 메커니즘을 밝혀낼 수 있음을 확인한다.