Summary Diabetic cardiomyopathy is a leading cause of heart failure in diabetes. At the cellular level, diabetic cardiomyopathy leads to altered mitochondrial energy metabolism and cardiomyocyte ultrastructure. We combined electron microscopy and computational modelling to understand the impact of diabetes induced ultrastructural changes on cardiac bioenergetics. We collected transverse micrographs of multiple control and type I diabetic rat cardiomyocytes using electron microscopy. Micrographs were converted to finite element meshes, and bioenergetics was simulated over them using a biophysical model. The simulations also incorporated depressed mitochondrial capacity for oxidative phosphorylation and creatine kinase reactions to simulate diabetes induced mitochondrial dysfunction. Analysis of micrographs revealed a 14% decline in mitochondrial area fraction in diabetic cardiomyocytes, and an irregular arrangement of mitochondria and myofibrils. Simulations predicted that this irregular arrangement, coupled with depressed activity of mitochondrial creatine kinase enzymes, leads to large spatial variation in ADP/ATP profile of diabetic cardiomyocytes. However, when spatially averaged, myofibrillar ADP/ATP ratios of a cardiomyocyte do not change with diabetes. Instead, average concentration of inorganic phosphate rises by 40% due to lower mitochondrial area fraction and dysfunction in oxidative phosphorylation. These simulations indicate that a disorganized cellular ultrastructure negatively impacts metabolite transport in diabetic cardiomyopathy.

Recent electron microscopy data have revealed that cardiac mitochondria are not arranged in crystalline columns, but are organised with several mitochondria aggregated into columns of varying sizes often spanning the cell cross-section. This raises the question - how does the mitochondrial arrangement affect the metabolite distributions within cardiomyocytes and their impact on force dynamics? Here we employed finite element modelling of cardiac bioenergetics, using computational meshes derived from electron microscope images, to address this question. Our results indicate that heterogeneous mitochondrial distributions can lead to significant spatial variation across the cell in concentrations of inorganic phosphate, creatine (Cr) and creatine phosphate (PCr). However, our model predicts that sufficient activity of the creatine kinase (CK) system, coupled with rapid diffusion of Cr and PCr, maintains near uniform ATP and ADP ratios across the cell cross sections. This homogenous distribution of ATP and ADP should also evenly distribute force production and twitch duration with contraction. These results suggest that the PCr shuttle, and associated enzymatic reactions, act to maintain uniform force dynamics in the cell despite the heterogeneous mitochondrial organization. However, our model also predicts that under hypoxia - activity of mitochondrial CK enzyme and diffusion of high-energy phosphate compounds may be insufficient to sustain uniform ATP/ADP distribution and hence force generation.

This paper presents a new algorithm to automatically segment the myofibrils, mitochondria and nuclei within single adult cardiac cells that are part of a large serial-block-face scanning electron microscopy (SBF-SEM) dataset. The algorithm only requires a set of manually drawn contours that roughly demarcate the cell boundary at routine slice intervals (every 50th, for example). The algorithm correctly classified pixels within the single cell with 97% accuracy when compared to manual segmentations. One entire cell and the partial volumes of two cells were segmented. Analysis of segmentations within these cells showed that myofibrils and mitochondria occupied 47.5% and 51.6% on average respectively, while the nuclei occupy 0.7% of the cell for which the entire volume was captured in the SBF-SEM dataset. Mitochondria clustering increased at the periphery of the nucleus region and branching points of the cardiac cell. The segmentations also showed high area fraction of mitochondria (up to 70% of the 2D image slice) in the sub- sarcolemmal region, whilst it was closer to 50% in the intermyofibrillar space. We finally demonstrate that our segmentations can be turned into 3D finite element meshes for cardiac cell computational physiology studies. We offer our large dataset and MATLAB implementation of the algorithm for research use at www.github.com/CellSMB/sbfsem-cardiac-cell-segmenter/. We anticipate that this timely tool will be of use to cardiac computational and experimental physiologists alike who study cardiac ultrastructure and its role in heart function.

SUMMARY Mitochondria are the powerhouse of the cell and owing to their unique energetic demands, heart muscles contain a high density of mitochondria. In conditions such as heart failure and diabetes-induced heart disease, changes in the organization of cardiac mitochondria are common. While recent studies have also shown that cardiac mitochondria split and fuse throughout the cell, a mechanistic understanding of how mitochondrial dynamics may affect energy output is lacking. Using a mathematical model that has been fitted to experimental data, we test if briefly altering fission or fusion rates improves ATP production and supply in cardiomyocytes. Unexpectedly, we found that cardiac bioenergetics, e.g., the ADP/ATP ratio, were robust to changes in fusion and fission rates and consequently mitochondria organization. Our study highlights complex nonlinear feedback loops that are at play in the cross-talk between mitochondrial dynamics and bioenergetics. The study motivate further in-silico and experimental investigations to determine the mechanistic basis for new therapies that target mitochondrial dynamics.