Initiation von Spiralwellen in einem Elektromechanischen Modell für menschliches Herzgewebe

• Antragsteller: Louis Daniel Weise, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biophysik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246374959

Herzrhythmusstörungen sind eine Haupttodesursache in Industrienationen. Gefährliche Herzarrhythmien werden durch spiralförmige elektrische Anregungswellen im Herzmuskel verursacht. Daher ist es eine wichtige Aufgabe in der Kardiologie, die Mechanismen der Initiation von Spiralwellen im Herzen zu verstehen.Die meisten bisherigen theoretischen Untersuchungen zur Erzeugung von Spiralwellen im Herzen haben allerdings dessen Verformung nicht berücksichtigt, obwohl es bekannt ist, dass die mechanische Aktivität des Herzens großen Einfluss auf dessen elektrischen Prozesse hat.In meiner Doktorarbeit habe ich eine neue Methode für die Untersuchung der elektromechanischen Aktivität von Herzgewebe entwickelt. Die Methode verbindet ein vereinfachtes Modell für Herzerregung mit einem diskret mechanischen Modell für die Elastizität des Herzgewebes. Dieses Modell ist eine effiziente Methode, die es erlaubt allgemeine Eigenschaften von elektromechanischen Prozesse im Herzgewebe mit großer numerischer Genauigkeit zu studieren. Ich wendete das Verfahren an, um grundlegenden Mechanismen der Initiation von Spiralwellen systematisch zu untersuchen, die eine Folge der komplexen Kopplung der elektrischen und mechanischen Vorgänge im Herzen sind. Diese Studie ergab vielversprechende Ergebnisse: Ich fand fünf Mechanismen der Initiation von Spiralwellen, die im Herzen auftreten könnten.Eine Einschränkung dieser früheren Arbeit ist, dass mein Ansatz die Ionenströme der Herzzelle und deren Prozesse der Kraftentwicklung nicht im Detail beschreibt, sondern eine generische Beschreibung verwendet. Deshalb habe ich ein Modell entwickelt, das mein effizientes diskretes Modell für die mechanischen Prozesse mit biophysikalischen Modellen der elektrischen Erregung und Kraftentwicklung verbindet.Das Ziel dieses Projektes ist es, diese neue Methode anzuwenden, um zu bestimmen, welche der zuvor gefundenen Mechanismen der Initiation von Spiralwellen für menschliches Herzgewebe relevant sind. Außerdem sollen neue, bisher nicht identifizierte Mechanismen der Initiation von Spiralwellen gesucht werden. Erste, vorläufige Ergebnisse zeigen, dass es wahrscheinlich ist solche neue Mechanismen zu finden. Meine bisherigen Simulationen zeigten, dass die Verformung des Herzens dynamische Instabilitäten, sogenannte Alternans, fördern kann. Es ist aus experimentellen, theoretischen, und auch klinischen Untersuchungen bekannt, dass Alternans ein Vorzeichen für das Auftreten von Herzarrhythmien ist.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Belgien
• Gastgeber: Professor Alexander Panfilov, Ph.D.