Моделювання та аналіз позаклітинних потенціалів серцевих клітин
| dc.contributor.advisor | Іванушкіна, Наталія Георгіївна | |
| dc.contributor.author | Шпотак, Михайло Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2024-06-03T09:16:27Z | |
| dc.date.available | 2024-06-03T09:16:27Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | Шпотак М. О. Моделювання та аналіз позаклітинних потенціалів серцевих клітин. ⸻ Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 153 «Мікро- та наносистемна техніка». ⸻ Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2024. Дисертація присвячена розробці та дослідженню методів моделювання та обробки сигналів електричної активності серцевих клітин та спрямована на вдосконалення методичного та алгоритмічного забезпечення мікроелектродних систем. Основною задачею дисертаційного дослідження є розробка методу реконструкції потенціалів дії з позаклітинних потенціалів серцевих клітин для оцінювання кардіотоксичності лікарських препаратів на основі аналізу характеристик сигналів електричної активності кардіоміоцитів. Дослідження обумовлене потребою в одночасному записі та аналізі позаклітинних потенціалів та потенціалів дії серцевих клітин в мікроелектродних системах. Математична реконструкція є альтернативою інвазивним рішенням, що можуть пошкодити клітини, та дозволяє розширити інформаційно-алгоритмічне забезпечення мікроелектродних систем для оцінювання кардіотоксичності препаратів. У першому розділі проведено огляд наукових джерел стосовно дослідження електрофізіології кардіоміоцитів та оцінювання кардіотоксичності за допомогою сучасних технологій. Було встановлено, що метод локальної фіксації потенціалу клітинної мембрани (patch-clamp) є золотим стандартом для дослідження впливу препаратів на клітини. Проте, його використання може бути неоптимальним у разі тривалих досліджень та потреби у високій пропускній здатності. Системи з мікроелектродними решітками, хоча і простіші у використанні та мають високу пропускну здатність, але теж не позбавлені обмежень. По-перше, записи позаклітинних потенціалів в системах з мікроелектродними решітками є низькоамплітудними (мкВ) та змішуються з шумом від різних джерел. Це робить необхідним процес видалення шуму, який може включати в себе використання фільтрів для видалення небажаних частот, а також використання статистичних методів для ідентифікації та видалення аномальних значень. По-друге, нездатність систем з мікроелектродними решітками записувати потенціали дії клітин без значних модифікацій пристрою обмежує можливості для досліджень клітин серця, а модифіковані системи, які здатні записувати локальні потенціали дії, мають свої проблеми. Системи, що обладнані лазером для оптопорації, можуть викликати фототоксичність, а системи, що використовують електропорацію, можуть пошкодити клітину внаслідок інтенсивної стимуляція. Обидва методи вимагають додаткових модифікацій системи, що збільшує технологічну складність приладу та підвищує його вартість. Також було обґрунтовано, що математична реконструкція потенціалів дії з позаклітинних потенціалів може бути використана як безпечна альтернатива, яка дозволяє отримувати інформацію про потенціали дії без фізичного втручання в клітинну структуру, що може сприяти більш точній оцінці ризику кардіотоксичності. Таким чином, основними напрямками розвитку методичного та алгоритмічного забезпечення мікроелектродних систем для оцінювання кардіотоксичності лікарських препаратів є вдосконалення стандартних та створення нових методів обробки та моделювання сигналів електричної активності серцевих клітин. У другому розділі проведено огляд математичних моделей потенціалів дії та підходів до отримання позаклітинних потенціалів. Сучасні високодеталізовані моделі клітин намагаються враховувати всі іонні канали, транспортери та динаміку іонних концентрацій, що дозволяє отримати реалістичні симуляції потенціалів дії та біоелектричних процесів. З метою полегшення процесу ідентифікації параметрів та спрощення розрахунків для моделювання електричної активності великої популяції клітин було проведено роботу над вдосконаленням моделі паралельних провідностей із струмами K, Na і Ca. Струми високодеталізованої моделі електричної активності синоатріального вузла людини було об’єднано у групи трьох загальних струмів. Параметри вдосконаленої моделі були підібрані таким чином, щоб морфології її струмів відповідали узагальненим струмам високодеталізованої моделі. В результаті, була отримана модель, яка має значно менше диференціальних рівнянь та параметрів, але здатна симулювати потенціали дії з морфологією, наближеною до високодеталізованої моделі. Доповнення моделі паралельних провідностей рівняннями позаклітинних потенціалів на основі теорії поля дало змогу отримати бідоменну модель, а використання бідоменного підходу дозволило моделювати позаклітинні потенціали синоатріальних серцевих клітин людини. У третьому розділі розроблено методику реконструкції потенціалів дії N серцевих клітин з їхніх позаклітинних потенціалів для систем з багатьма електродами. Ця методика була адаптована для різних випадків, включаючи синхронні та асинхронні потенціали дії, однакові та різні потенціали дії, а також групи клітин з синхронними та однаковими потенціалами дії. Для N клітин з різними потенціалами дії було розроблено підхід, який дозволяє проводити реконструкцію з N+1 позаклітинних потенціалів. Цей підхід передбачає, що потенціали дії можуть бути синхронними або асинхронними, а також однаковими або різними. Для випадку з N клітинами з синхронними та однаковими потенціалами дії, було розроблено підхід реконструкції усередненого потенціалу дії з будь-яких 2-х з N+1 позаклітинних потенціалів. Також було розглянуто сценарій, коли потенціали дії є однаковими, але асинхронними. В цьому випадку, реконструйований усереднений потенціал дії матиме порушену морфологію, тому необхідно реконструювати N потенціалів дії окремо, використовуючи N+1 позаклітинних потенціалів. Аналогічна проблема присутня і для синхронних, але різних потенціалів дії. Щоб вирішити проблему, коли кількість клітин перевищує кількість електродів, було розроблено підхід з поділом клітин на групи, в яких потенціали дії вважаються синхронними та однаковими. Таким чином, для реконструкції потенціалів дії N клітин, об’єднаних в M груп, достатньо мати M+1 позаклітинних потенціалів. Описано методику визначення синхронності потенціалів дії на основі методу реконструкції потенціалів дії для багатьох клітин. Розв’язано задачу ідентифікації відстаней між клітинами та електродами на основі запропонованого бідоменного підходу та геометрії мікроелектродних решіток. Отримано аналітичний розв’язок для визначення відстаней від електродів до клітини в 1-вимірному та 2-вимірному випадках для реалізації методу реконструкції потенціалів дії з позаклітинних потенціалів в системах з мікроелектродними решітками. У четвертому розділі проведено порівняльний аналіз різних методів знешумлення позаклітинних потенціалів, включаючи вейвлет перетворення, метод власних підпросторів та комплексний метод знешумлення. Дослідження виявило, що підхід з комплексним методом показав найкращі результати. Було проаналізовано ризик кардіотоксичності лікарських препаратів, використовуючи реконструйовані потенціали дії. Запропоновано підхід розширення набору даних для машинного навчання і проведено класифікацію позаклітинних потенціалів за групами ризику кардіотоксичності та концентраціями препарату використовуючи метод k-найближчих сусідів. Оцінено ефективність параметрів, що використовуються для класифікації, і виявлено, що додаткові параметри, отримані з реконструйованих потенціалів дії, можуть підвищувати точність класифікації. Наукова новизна отриманих результатів: 1. На основі теорії поля та схемотехнічної моделі клітинної мембрани розроблено метод реконструкції потенціалів дії серцевих клітин з позаклітинних потенціалів, що дозволяє визначати додаткові характеристики електричної активності кардіоміоцитів для оцінювання кардіотоксичності лікарських препаратів в мікроелектродних системах. 2. Розроблено методику визначення синхронних та асинхронних потенціалів дії популяцій клітин для систем з багатьма електродами, особливістю якої є використання позаклітинних потенціалів з різних електродів для перевірки синхронності електричної активності кардіоміоцитів. 3. Вдосконалено модель паралельних провідностей серцевих клітин синоатріального вузла людини шляхом узагальнення основних іонних струмів, що скорочує кількість параметрів моделі, але зберігає складність морфології основних фаз потенціалу дії та автоматизм в генерації ПД. Практичне значення отриманих результатів: 1. На основі запропонованого методу реконструкції розроблено програмне забезпечення, що дозволяє відновлювати потенціали дії кардіоміоцитів з позаклітинних потенціалів, записаних мікроелектродними системами у відповідності з параметрами модельного або лабораторного експерименту. 2. Запропонований метод аналізу та обробки позаклітинних потенціалів дає змогу підвищити відношення амплітуди сигналу до шуму та проводити оцінку ризику кардіотоксичності препаратів в мікроелектродних системах. 3. Вдосконалена модель паралельних провідностей серцевих клітин синоатріального вузла людини на основі загальних струмів K, Na та Ca дозволяє за рахунок зменшення кількості диференціальних рівнянь спростити процес ідентифікації параметрів та моделювання електричної активності популяцій клітин для досліджень з реконструкції потенціалів дії в мікроелектродних системах. 4. Вдосконалено алгоритм класифікації позаклітинних потенціалів за групами ризику кардіотоксичності та концентраціями препарату, який дозволяє розширювати набір даних для машинного навчання за допомогою використання ознак реконструйованих потенціалів дії. 5. Розроблено комплекс програм обробки, аналізу та класифікації сигналів електричної активності кардіоміоцитів, що розширює інформаційно-алгоритмічне забезпечення мікроелектродних систем для автоматизованого оцінювання кардіотоксичності серцевих препаратів. | |
| dc.description.abstractother | Shpotak M. O. Modelling and analysis of extracellular potentials of cardiac cells. ⸻ Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 153 "Micro- and nanosystem engineering". ⸻ National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", MES of Ukraine, Kyiv, 2024. The dissertation is devoted to the development and research of methods for modelling and processing of signals of heart cells’ electrical activity and aimed at improvement of methodical and algorithmic support of microelectrode systems. The main task of the dissertation research is to develop a method of reconstructing the action potentials from extracellular potentials of cardiac cells for the drug cardiotoxicity evaluation based on the analysis of the characteristics of the electrical activity signals of cardiomyocytes. The study is due to the need for simultaneous recording and analysis of extracellular potentials and action potentials of heart cells in microelectrode systems. The mathematical reconstruction is proposed as an alternative to invasive solutions that can damage cells, and allows expanding the informational and algorithmic support of microelectrode systems for evaluating the cardiotoxicity of drugs. In the first chapter, a review of scientific sources was conducted regarding the study of electrophysiology of cardiomyocytes and assessment of cardiotoxicity using modern technologies. It has been established that the patch-clamp method is the gold standard for studying the effects of drugs on cells. However, its use may not be optimal for long experiments or when high throughput is required. Although systems with microelectrode arrays are easier to use and have high throughput, they also have critical limitations. First, the recordings of extracellular potentials in microelectrode array systems have low amplitude and are often mixed with noise from various sources. This necessitates a denoising process, which can include the use of filters to remove unwanted frequencies, as well as the use of statistical methods to identify and remove outliers. Second, the inability of microelectrode array systems to record cell action potentials without significant device modifications limits the possibilities for cardiac cell research. Modified microelectrode array systems that are capable of recording local action potentials have their own challenges. Systems equipped with a laser for optoporation can cause phototoxicity, and systems using electroporation can cause damage the cell with stimulation. Both methods also require additional microelectrode array system modifications, which increases the technological complexity of the device and its cost. Mathematical reconstruction of action potentials from field potentials can be used as a safe alternative that allows obtaining information about action potentials without physically interfering with the cellular structure, which can contribute to a more accurate assessment of the risk of drug cardiotoxicity. Thus, the main directions of the development of methodical and algorithmic support of microelectrode systems for evaluating the cardiotoxicity of drugs are the improvement and development of methods for processing and modelling of signals of heart cells’ electrical activity. The second chapter reviews the mathematical models of action potentials and approaches to obtaining extracellular potentials. Modern cardiac cell models are highly detailed and try to incorporate all discovered ion channels, transporters and dynamics of ion concentrations. This approach allows to obtain realistic simulations of action potentials and bioelectrical processes. To streamline the process of model parameter identification and minimize the computational load of simulating the electrical activity of a large population of cells, a modified model of parallel conductances with K, Na, and Ca currents has been proposed. The currents of the highly detailed model of the electrical activity of the human sinoatrial node cell were integrated into groups of three general currents. The parameters of the modified model were finetuned in such a way that the waveforms of its currents corresponded to the generalized currents of the highly detailed model. As a result, the obtained model has significantly fewer differential equations and parameters, but is able to simulate action potentials with a morphology similar to that of a highly detailed model. Supplementing the model of parallel conductions with the equations of extracellular potentials based on the field theory made it possible to obtain a two-domain model. The use of a two-domain approach allowed to model the extracellular potentials of human sinoatrial heart cells for further study and analysis. In the third chapter, a technique for reconstructing the action potentials of N cardiac cells from their extracellular potentials for multielectrode systems was developed. This technique has been adapted for different cases, including synchronous and asynchronous action potentials, identical and different action potentials, and groups of cells with synchronous and identical action potentials. For N cells with different action potentials, an approach was developed, that allows reconstruction from N+1 extracellular potentials. This approach is general, so the action potentials can be synchronous or asynchronous, as well as the identical or different. For the case of N cells with synchronous and identical action potentials, an approach was developed to reconstruct the averaged action potential from any 2 of N+1 extracellular potentials. A case with identical but asynchronous action potentials has also been considered. If the action potential is reconstructed with an averaged approach, it will have a distorted morphology. In order to avoid this, it is necessary to reconstruct N action potentials separately using N+1 extracellular potentials. The same issue is present for synchronous but different action potentials. To solve the problem when the number of cells exceeds the number of electrodes, an approach was developed to divide the cells into groups in which the action potentials are assumed to be synchronous and identical. Thus, to reconstruct the action potentials of N cells united in M groups, it is sufficient to have M+1 extracellular potentials. The method of determining the synchronicity of action potentials based on the proposed reconstruction approach is described. An analytical solution was derived to calculate the distances from the electrodes to the cell in 1-dimensional and 2-dimensional cases based on the proposed two-domain approach and the geometry of the microelectrode array. This solution was designed to address the problem of parameter identification for the implementation of the method of action potential reconstruction from extracellular potentials in systems with microelectrode arrays. In the fourth chapter, a comparative analysis of field potential denoising methods was carried out, including wavelet transform, the method of eigen subspaces and the complex denoising method. The study found that the complex method showed the best results. The cardiotoxicity risk of drugs was analysed using reconstructed action potentials. An approach to expanding the data set for machine learning was proposed and the classification of extracellular potentials by cardiotoxicity risk groups and drug concentrations using the k-nearest neighbours method was performed. An evaluation of the parameters used for classification revealed that incorporating additional parameters, derived from reconstructed action potentials, could enhance the accuracy of classification. Scientific novelty of the obtained results: 1. On the basis of the field theory and the schematic model of the cell membrane, a method of reconstructing the action potentials of heart cells from extracellular potentials has been developed, which allows determining additional characteristics of the electrical activity of cardiomyocytes for evaluating the cardiotoxicity of drugs in microelectrode systems. 2. A technique for determining synchronous and asynchronous action potentials of cell populations for systems with many electrodes has been developed, the feature of which is the use of extracellular potentials from different electrodes to check the synchrony of the electrical activity of cardiomyocytes. 3. The model of parallel conduction of cardiac cells of the human sinoatrial node has been improved by generalizing the main ion currents, which reduces the number of model parameters and differential equations, but preserves the morphological complexity of the action potential. Practical significance of the obtained results: 1. On the basis of the proposed method of reconstruction, software was developed that allows to restore the action potentials of cardiomyocytes from extracellular potentials recorded by microelectrode systems in accordance with the parameters of a model or laboratory experiment. 2. The proposed method of analysis and processing of extracellular potentials makes it possible to increase the ratio of the amplitude of the signal to the noise and assess of the risk of cardiotoxicity of drugs in microelectrode systems. 3. The improved model of parallel conduction of cardiac cells of the human sinoatrial node based on the total currents of K, Na and Ca allows to reduce the number of differential equations and simplify the process of identifying model parameters to simulate the electrical activity of cell populations for action potential reconstruction research in microelectrode systems. 4. The proposed algorithm for the classification of extracellular potentials by cardiotoxicity risk groups and drug concentrations allows to expand the dataset for machine learning by using the features of the reconstructed action potentials. 5. A complex of programs for processing, analysing, and classifying of signals of cardiomyocytes’ electrical activity has been developed, which expands the informational and algorithm support of microelectrode systems for automated assessment of drug cardiotoxicity. | |
| dc.format.extent | 116 с. | |
| dc.identifier.citation | Шпотак, М. О. Моделювання та аналіз позаклітинних потенціалів серцевих клітин : дис. ... доктора філософії : 153 – Мікро- та наносистемна техніка / Шпотак Михайло Олександрович. - Київ, 2024. - 116 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/67028 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | математичне моделювання | |
| dc.subject | мікроелектродні системи | |
| dc.subject | потенціали дії | |
| dc.subject | позаклітинні потенціали | |
| dc.subject | серцеві клітини | |
| dc.subject | реконструкція | |
| dc.subject | обробка сигналів | |
| dc.subject | знешумлення | |
| dc.subject | машинне навчання | |
| dc.subject | k-найближчих сусідів | |
| dc.subject | кардіотоксичність препаратів | |
| dc.subject | mathematical modelling | |
| dc.subject | microelectrode systems | |
| dc.subject | action potentials | |
| dc.subject | extracellular potentials | |
| dc.subject | cardiac cells | |
| dc.subject | reconstruction | |
| dc.subject | signal processing | |
| dc.subject | denoising | |
| dc.subject | machine learning | |
| dc.subject | k-nearest neighbours | |
| dc.subject | drug cardiotoxicity | |
| dc.subject.udc | 612.014.42:612.174 | |
| dc.title | Моделювання та аналіз позаклітинних потенціалів серцевих клітин | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: