Mathematical modeling of Multielectrode Arrays with Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes

In this work we present a new mathematical and numerical approach for the in silico study of the electrical activity of human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC- CMs) using multi-electrode array (MEA) technology. The mathematical model takes into account the geometry of the MEA and the electrodes’ properties. The electrical activity of the stem cells is modeled using Botti et al. (2024) ionic model, coupled with the bidomain equations. The field potential (FP) measured by MEAs is modeled using the extracellular potential of the bidomain equations. A computational model in MATLAB is presented. Results show that the model successfully simulates complex behaviors specific to atrial-like hiPSC-CMs. From this work, several future applications emerge, such as using the model for simulations of drug efficacy and toxicity or expanding the model to incorporate three-dimensional geometry and mechanical properties of cardiac tissue.

In questo lavoro è proposto un approccio matematico e numerico per lo studio in silico dell’attività elettrica dei cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti indotte (hiPSC-CM) utilizzando i microelectrode arrays (MEA). Il modello tiene conto delle forme e delle caratteristiche degli elettrodi e descrive l’attività elettrica delle cellule utilizzando il modello ionico sviluppato da Botti et al. nel 2024, integrato con le equazioni bidominio. Il field potential (FP) misurato dai MEA è rappresentato dal potenziale extracellulare presente nelle equazioni del modello bidominio. Attraverso l’implementazione in MATLAB, si sono simulati con successo i complessi comportamenti specifici delle hiPSC-CM atriali e del loro potenziale d’azione. A partire da questo lavoro si prospettano diverse applicazioni future, come l’utilizzo del modello per simulazioni riguardanti l’efficacia e la tossicità dei farmaci e l’estensione del modello ad una versione tridimensionale e che coinvolge anche gli aspetti meccanici del tessuto cardiaco.