Simulation software for a human ventricular myocyte model

Abstract

Kardiyovasküler hastalıklar dünya genelinde önemli sağlık problemleridir ve önde gelen ölüm nedenidir. Kalbin elektrik üretimi ve iletimi ile ilgili olan aritmiler kardiyovasküler hastalıkların önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Kalp ritim bozukluklarına yol açan nedenlerin kapsamlı bir şekilde anlaşılması aritmilerin tanısı ve tedavisi için oldukça önemlidir. Bununla birlikte deneysel verilerin yeterli düzeyde bulunmaması hala ciddi bir sorun teşkil etmektedir. Matematiksel modelleme kalp elektrofizyolojisi alanında deneysel verilere dayalı bilgisayarlı simülasyonlar için temel teşkil ettiğinden dolayı oldukça değerli bir araçtır. Geçerliliği kabul edilmiş matematiksel modeller hücresel ve hücre içi düzeyde kardiyak aritmilerin altında yatan iyonik mekanizmaların ortaya çıkarılmasında yardımcı olabilir. Ayrıca bu modeller ilaç - iyon kanalı etkileşimlerini araştırmada ve kalp hastalıkları ile ilgili yeni tedaviler geliştirmede faydalı olabilir. Öte yandan modern kalp hücresi modelleri yüksek oranda fizyolojik detay içerdiklerinden dolayı karmaşıklıkları oldukça fazladır. Simülasyon gerçekleştirmek için bu modelleri konvansiyonel programlama dilleri ile kodlamak hata yapmaya açık ve zaman alıcı bir süreçtir. Dolayısıyla bu tezde kalp aksiyon potansiyeli simülasyonu için kullanımı kolay bir yazılım ve uygulama tasarlanıp geliştirilmiştir. Ayrıca insan kalbi ventriküler hücre modelleri eklenmiş olup bunlar kullanılarak kalp yetmezliği ve çeşitli kanal bloker ilaçların etkileri simüle edilmiştir.

Cardiovascular diseases (CVDs) are major health problems and the leading cause of death around the world. Cardiac arrhythmias form a significant portion of CVDs which are the electrical production and conduction problems of the heart. Diagnosis and treatment of the cardiac arrhythmias can benefit significantly from a comprehensive understanding of the underlying arrhythmogenic mechanisms. However, the limited availability of experimental data is still a major problem in this field. Computational modeling is a quite valuable tool in cardiac electrophysiology as it constitutes a backbone for in silico simulations based on the existing experimental data. Validated mathematical models can help to uncover the underlying ionic mechanisms of cardiac arrhythmias. Moreover, they can provide benefits to investigate the drug-ion channel interactions and come up with new treatments for cardiac disorders. On the other side, the complexity of the modern cardiac cell models is quite high as they include higher level of physiological details. It can be an error-prone and time-consuming process to code them using conventional programming languages in order to conduct simulations. Thus, an easy-to-use cardiac action potential simulation software and application are designed and developed in this thesis. Furthermore, human ventricular cell models are implemented in order to conduct simulations for heart failure condition and various channel blocker drug effects.