Background: Virtual evaluation of medical therapy through human-based modelling and simulation can accelerate and augment clinical investigations. Treatment of the most common cardiac arrhythmia, atrial fibrillation (AF), requires novel approaches. Objectives: To prospectively evaluate and mechanistically explain novel pharmacological therapies for atrial fibrillation through in-silico trials, considering single and combined SK and K2P channel block. Methods: A large cohort of 1000 virtual patients was developed for simulations of AF and pharmacological action. Extensive calibration and validation with experimental and clinical data support their credibility. Results: Sustained AF was observed in 654 (65%) virtual patients. In this cohort, cardioversion efficacy increased to 82% (534 of 654) through combined SK+K2P channel block, from 33% (213 of 654) and 43% (278 of 654) for single SK and K2P blocks, respectively. Drug-induced prolongation of tissue refractoriness, dependent on the virtual patient ionic current profile, explained cardioversion efficacy (atrial refractory period increase: 133.0+48.4 ms for combined vs. 45.2+43.0 and 71.0+55.3 for single SK and K2P block, respectively). Virtual patients cardioverted by SK channel block presented lower K2P densities, while lower SK densities favoured the success of K2P channel inhibition. Both ionic currents had a crucial role on atrial repolarization, and thus, a synergism resulted from the polypharmacological approach. All three strategies, including the multi-channel block, preserved atrial electrophysiological function (i.e., conduction velocity and calcium transient dynamics) and thus, its contractile properties (safety). Conclusion: In-silico trials identify key factors determining efficacy of single vs combined SK+K2P channel block as effective and safe strategies for AF management.

Human-based modelling and simulation offer an ideal testbed for novel medical therapies to guide experimental and clinical studies. Myocardial infarction (MI) is a common cause of heart failure and mortality, for which novel therapies are urgently needed. Although cell therapy offers promise, electrophysiological heterogeneity raises pro-arrhythmic safety concerns, where underlying complex spatio-temporal dynamics cannot be investigated experimentally. After demonstrating credibility of the modelling and simulation framework, we investigate cell therapy in acute versus chronic MI, and the role of cell heterogeneity, scar size and the Purkinje system. Simulations agreed with experimental and clinical recordings from ionic to ECG dynamics in acute and chronic infarction. Following cell delivery, spontaneous beats were facilitated by heterogeneity in cell populations, chronic MI due to tissue depolarisation, and slow sinus rhythm. Subsequent re-entrant arrhythmias occurred, in some instances with Purkinje involvement, and their susceptibility was enhanced by impaired Purkinje-myocardium coupling, large scars, and acute infarction. We conclude that homogeneity in injected cell populations minimises their spontaneous beating, which is enhanced by chronic MI, whereas a healthy Purkinje-myocardium coupling is key to prevent subsequent re-entrant arrhythmias, particularly for large scars.