The influence of cell dimensions on the vulnerability of ventricular myocytes to lethal injury by high-intensity electrical fields / Influência das dimensões celulares sobre a vulnerabilidade de miócitos ventriculares ao efeito letal de campos elétricos de alta intensidade

ABSTRACT

Application of high intensity electric fields (HIEF) to the myocardium is commonly used for cardiac defibrillation/cardioversion. Although effective at reversing life-threatening arrhythmias, HIEF may cause myocyte damage due to membrane electropermeabilization. In this study, the influence of cell length and width on HIEF-induced lethal injury was analyzed in isolated rat cardiomyocytes in parallel alignment with the field. The field-induced maximum variation of membrane potential (ΔVmax) was estimated with the Klee-Plonsey model. The studied myocyte population was arranged in two group pairs for comparison the longest vs. the shortest cells, and the widest vs. narrowest cells. Threshold field intensity was significantly lower in the longest vs. shortest myocytes, whereas cell width influence was not significant. The threshold ΔVmax was comparable in all groups. Likewise, a significant leftward shift of the lethality curve (i.e., relationship of the probability of lethality vs. field intensity) of the longest cells was observed, evidencing greater sensitivity to HIEF-induced damage. However, the lethality curve as a function of ΔVmax was similar in all groups, confirming a prediction of the Klee-Plonsey model. The similar results for excitation and injury at threshold and HIEF stimulation, respectively, indicate that a) the effect of cell length on the sensitivity to the field would be attributable to differences in field-induced membrane polarization that lead to excitation or lethal electroporation; b) the Klee-Plonsey model seems to be reliable for analysis of cell interaction with HIEF; c) it is possible that increased cell length in hypertrophied hearts enhances myocyte fragility upon defibrillation/cardioversion.

RESUMO

Campos elétricos de alta intensidade (HIEF) são aplicados ao miocárdio durante desfibrilação e cardioversão. Embora eficazes na reversão de arritmias potencialmente letais, HIEF podem lesar cardiomiócitos por eletropermeabilização da membrana. Neste estudo, a influência das dimensões celulares sobre o efeito letal de HIEF foi estudada em cardiomiócitos isolados de rato alinhados paralelamente ao campo. A máxima variação do potencial de membrana induzida pelo campo (ΔVmax) foi calculada com o modelo de Klee-Plonsey. As células estudadas foram distribuídas em dois pares de grupos de acordo com seu comprimento e largura. A intensidade limiar do campo não dependeu da largura celular, mas sim do comprimento (menor nas células mais longas, p < 0.001), enquanto ΔVmax no limiar foi comparável entre os grupos. Nas células mais longas, observou-se desvio à esquerda (p < 0.01) da curva que descreve a relação entre probabilidade de letalidade e a intensidade do campo, evidenciando maior sensibilidade à ação deletéria de HIEF. Porém, a curva de letalidade em função de ΔVmax foi semelhante em todos os grupos, o que confirma a predição pelo modelo de Klee-Plonsey. A similaridade de resultados com estimulação limiar e com HIEF indica que a) o efeito do comprimento celular sobre a sensibilidade ao campo poderia ser atribuído a diferenças no grau de polarização da membrana durante a aplicação do estímulo; b) o modelo de Klee-Plonsey parece ser confiável para a análise da interação espacial da célula com HIEF; c) é possível que o maior comprimento celular em miócitos hipertrofiados os torne mais susceptíveis a lesão durante desfibrilação/cardioversão.