心肌细胞内钙波地生物力学研究.pdfVIP

第五届中美生物医学工程暨海内外生物力学学术研讨会论文摘要汇编 ｔｈ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ５ ＳｉｎｏＡｍｅｒｉｃａｎＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄＣｈｉｎａＯｖｅｒｓｅａＪｏｉｎｔＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＢｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ 　　　６７ 心肌细胞内钙波的生物力学研究 陈　熹，谭文长 北京大学 工学院，北京１００８７１ Ｅｍａｉｌ：ｔａｎｗｃｈ＠ｍｅｃｈ．ｐｋｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 钙离子作为细胞的第二信使，调节着从激素分泌到肌肉收缩、从神经信号传递到学习记忆、从 基因表达到蛋白磷酸化、从细胞生长分化到死亡等等重要生命活动。钙致钙释放是心肌细胞兴奋 收缩耦联的基本机制，钙火花则是心肌细胞钙致钙释放的基本单位。钙火花能够引起细胞质局部 钙浓度升高，随着钙离子在细胞质内扩散，当高浓度钙传播到邻近的雷诺丁受体时，就有可能激发 新的钙火花，从而形成钙火花的传播，这一连锁式的反应形成自传导性的钙传播，简称钙波。在病 理高钙情况下，可以观察到自发传播的钙波。在很多不同类型的细胞中，都发现了低速传播的有活 力的钙波。在缺少横小管的心房细胞中，细胞内部肌原纤维的生理学激活依赖于从肌纤维膜向细 胞中心传播的钙波。在正常生理状态下的心室细胞中，单个钙火花难以诱发钙波，在病理状态下， 异常的钙火花可能引起钙波的发生和传播，进而触发心率不齐、心颤、心衰等心脏病症。揭示心肌 细胞内钙波的形成、发展和消亡的动力学规律对在细胞层面认识心律不齐、心颤、心衰等心脏疾病 的成因具有重要的科学意义。 目前，关于钙波模型的研究大都基于钙离子在细胞质内遵循 Ｆｉｃｋ扩散的假设，这使得单个钙 火花诱发钙波需要钙释放单元（ＣＲＵ）的电流达到２０Ｐａ，而正常生理状态下钙释放单元的电流一 般只有２Ｐａ，即使在病理条件下，超出正常ＣＲＵ电流１０倍的情况也是很难发生的。因此，在病理 条件下到底多大的ＣＲＵ电流能够诱发钙波一直是备受关注的问题。我们基于钙火花的空间反常 扩散机制，考虑了钙火花的随机点源释放、钙离子与钙荧光剂和钙缓冲器的结合解离反应、钙泵对 钙离子的重吸收等过程，建立了心肌细胞内钙波的随机二维模型，研究了心肌细胞内局部区域钙波 的触发和传播问题。在病理条件下，给出了当通过钙释放单元的电流为５ｐＡ时，单点钙火花能引 发和实验波速相符的钙波，较为合理地回答了单个多大异常的静息钙火花可以诱导钙波；分析了反 常扩散阶数对于钙波的影响，发现波速和振幅的并不是随着反常扩散阶数线性变化的；得到了不同 位置的钙火花诱发钙波的动力学特征，心肌细胞边界虽然对钙波有加强作用，但并不起决定作用； 我们还发现４个相邻的正常钙火花如果同时发生，也可以诱导钙波，这个结论回答了至少多少个钙 火花同时发生可以诱导钙波的问题。 利用钙波的反常扩散传播模型，对局部的钙波相撞现象进行了研究。我们发现两相向而来的 钙波相撞时，钙波并不消失，而是改变方向，沿着垂直于原来的方向开始背向传播，如图１所示，并 通过激光共聚焦系统和荧光技术实验证实了这一现象。局部钙波相撞之后形成新钙波的波速要比 以前明显增大，且相撞点的振幅也稍微增大。三个钙波相撞后依然会沿着另一个未传播到的方向 继续传播，而四个相对的钙波相撞之后，钙波则会消失。钙波相撞的定量研究也表明，钙波的简单 叠加效应并不存在，邻近钙火花的连续点火效应却对钙波在某点的振幅有着一定的影响。当单点 钙火花由于细胞反射边界的影响，发展成为全局钙波时，两个钙波相撞则会消失，而且振幅和相撞 之前几乎完全一样。 在全局钙波的研究方面，发现ＣＲＵ只需要４ｐＡ的电流就能触发与实验波速相符的钙波，这个 医用生物力学　２０１３年８月　第２８卷　增刊 　　　６８ ＪｏｕｍａｌｏｆＭｅｄｉｃａｌＢｌｏｍｅｃｈａｎｌｃｓ，Ｖｏｌ．２８　Ｓｕｐｐｌ，Ａｕｇ．２０１３ 电流与实验得到的钙火花中钙电流的强度相同，更符合实际生理条件。通过研究 ＣＲＵ电流对钙 波性质的影响，得出了在ＣＲＵ电流的生理电流２ｐＡ附近，电流的增大会促进波速的快速升高；在 钙火花电流４ｐＡ附近，反常扩散钙火花的时间性