文摘

与心力衰竭通常表现为心肌细胞损伤的Ca^{2 +}处理小SR Ca^{2 +}存储和触发活动的高风险。在这项研究中,我们开发了一个耦合模型通过整合时空的Ca^{2 +}反应扩散系统的细胞电生理模型。与耦合模型,亚细胞Ca^{2 +}动力学和全球细胞电生理学可以同时跟踪。然后提出了耦合模型应用于研究流氓RyRs的影响在Ca^{2 +}骑自行车和膜电位在失败的心里。仿真结果表明,在流氓RyRs, Ca^{2 +}动力学不稳定和Ca^{2 +}波容易自发地开始。这些版本的事件将大幅提升膜电位可能诱发延迟afterdepolarizations或引发动作电位。此外,膜电位去极化的变化表示是依赖流氓RyR渠道的分布密度。这项研究提供了一种新的可能arrhythmogenic心力衰竭的机制从亚细胞到细胞水平。

1。介绍

钙离子被认为是关键在调节心脏兴奋收缩的过程耦合(英汉耦合)。自从发现Ca^{2 +}火花在1993年(1),^{2 +}火花已被广泛接受的是刻板的初级Ca^{2 +}释放事件的完整的肌细胞。火花出现通过集群的阿诺定受体(RyRs)本地化交界SR (jSR)在接近原生横小管(TTs) (2]。舒张期肌细胞,自发的Ca^{2 +}火花发生随机以非常低的频率,即使没有Ca^{2 +}涌入。在一个肌肉颤搐,Ca^{2 +}通过流入sarcolemmal l型^{2 +}渠道将触发同步发生的成千上万的火花,求和的在时间和空间上引起Ca的全球急剧上升^{2 +}浓度为Ca^{2 +}瞬态。然而在某些病理条件下,连续招聘的Ca^{2 +}火花往往演变成Ca^{2 +}电波传播整个细胞,可能引发室性心律失常(3]。

用光学方法的改进和创新技术,微观Ca^{2 +}亚细胞信号都进行了广泛的调查和特点。除了Ca^{2 +}通过集群RyRs火花,nonspark Ca^{2 +}释放事件,名叫Ca夸克,激活低强度光解的Ca^{2 +}关在笼子里的化合物(4)或向内Na⁺目前,(5),可能引起空间均匀但小Ca^{2 +}瞬态。这些夸克可能介导通过一个或几个RyR渠道叫做流氓RyRs [6]。不同于RyR集群主导火花,流氓RyRs被认为是彼此分开的方式和行为更像单一RyR渠道的特点(7]。虽然检测这些小流氓RyR渠道很难通过传统的工具,一些研究人员提出,除了火花,nonspark通路通过流氓RyRs解释SR Ca的一部分^{2 +}泄漏(8,9]。定量,光学超限分辨技术,·巴德利等人指出,有更多的流氓RyR组比大RyR集群(10]。一个Ca的实验研究^{2 +}波抑制而不影响Ca^{2 +}火花,钌红表明nonspark生产RyR Ca的传播渠道是重要的^{2 +}波(11]。直接可视化的小地方释放事件已经被最近的技术创新成为可能。布罗谢等人宣称他们已经直接可视化quark-like或“quarky”Ca^{2 +}释放事件可能取决于的流氓RyRs(或小群RyRs)在兔心室细胞(12]。

SR Ca^{2 +}泄漏是由两个部分组成的:RyR-dependent泄漏和RyR-independent泄漏8]。前者被认为是由spark-mediated泄漏(可见泄漏)和non-spark-mediated泄漏(看不见的泄漏)。SR Ca升高^{2 +}泄漏会导致延迟afterdepolarizations(爸爸),因此心律失常在心力衰竭(HF) [13]。除了spark-mediated泄漏,额外的Ca^{2 +}通过流氓RyRs泄漏可能令人不安的Ca的一个重要因素^{2 +}动力学和触发Ca^{2 +}波(11,14]。然而,这些异常如何Ca^{2 +}释放事件影响细胞电生理学性质?流氓RyRs和Ca的确切性质之间的关系^{2 +}处理以及细胞电生理学在失败的心并不完全清楚。

在本文中,我们开发了一种耦合数学模型包括Ca^{2 +}循环过程从亚细胞到细胞水平和心室肌细胞电生理学。然后提出了耦合模型应用于研究Ca的影响^{2 +}释放通过流氓RyRs亚细胞的时空^{2 +}骑自行车和失败的可能的膜电位变化的心。

2。方法

亚细胞Ca^{2 +}发布事件和细胞Ca^{2 +}骑自行车以及相应的膜电位模拟同步的耦合模型。该模型包括两个部分:一个二维(2 d)空间Ca^{2 +}反应扩散模型和心室肌细胞的电生理模型。

2.1。亚细胞Ca^{2 +}反应扩散模型

心脏肌细胞的形状模型中表示为一个圆筒100米长,10米半径。然而,由于准各向同性扩散的Ca^{2 +}在横截面15),2 d模型用于模拟工作(图1),x轴表示细胞的纵向方向y轴是沿着Z流程。它仍然可以描述的关键属性^{2 +}波,但需要更少的计算工作比一个3 d模型。二维时空的Ca^{2 +}反应扩散模型是描述基于反应扩散系统提出的伊豆等。16]。图1显示的亚细胞结构表示RyRs网络。的x设在表示细胞的纵向方向和y设在是沿着Z流程。蓝色的点代表RyR集群占Ca^{2 +}火花。小红点是流氓RyR渠道提高Ca^{2 +}夸克。流氓RyRs分布以随机的方式。被称为分布密度单位流氓的流氓RyRs RyR /米²。

免费的Ca^{2 +}浓度在反应扩散微分方程描述如下: 在哪里和扩散系数;和由于荧光指示剂染料和内源性Ca吗^{2 +}缓冲区,分别;泵送率SR Ca的吗^{2 +}腺苷三磷酸酶;被定义为RyR-independent泄漏流量很小,看不见的和持续的RyR抑制(8];是Ca的总和^{2 +}释放通量的2 d亚细胞Ca模型,该模型包含两种类型的流程如下: 在哪里 是Ca^{2 +}通过集群的RyRs位于释放通量,是最大的电导相当于女士⁻¹, 是Ca^{2 +}通过一个流氓RyR通道位于释放通量,相当于pmol /女士。

解雇RyR两种类型的通道被认为是随机过程和治疗的蒙特卡罗模拟我们的工作。评估的影响老腔的Ca^{2 +}浓度([Ca^{2 +}]_老在SR Ca)^{2 +}版本中,我们将一个新的参数成的Ca的概率^{2 +}火花或夸克(=集群RyR集群,j=流氓流氓RyRs)如下: 在哪里= 2.0,希尔系数,/事件/女士,,更少的耦合控制的流氓RyRs比RyR集群。是鲁米那敏感性参数释放事件,是胞质敏感性参数RyR集群或流氓RyR频道。在我们的仿真工作,总是设置为相同的值作为吗;因此被用来代表的价值和。

在这项研究中,亚细胞Ca的模拟^{2 +}处理执行的纵切面心脏肌细胞的大小μ沿着细胞纵向方向(x设在)和Z流程(y分别设在)。RyR集群的数量沿着x和y轴,分别和流氓RyRs的总数 米²。扩散偏微分方程近似的有限差分法(FDM)和时间步大小为0.01 ms和网格大小为0.1m。

因为开放的特性转化RyR集群和流氓RyRs, Ca的属性^{2 +}信号被描述由统计结果进行重复的蒙特卡罗模拟。所有平均数据被表示为。单向方差分析(方差分析)是用于比较和被送往显示统计学意义。

2.2。细胞电生理模型

心肌细胞的电生理行为建模是基于一个心脏动作电位模型提出的十Tusscher Panfilov [17]。通过细胞膜的电压可以用下列微分方程描述: 在哪里膜电容,是一个刺激电流,表示各种各样的肌纤维膜离子电流。

然而,不同于Ca^{2 +}动力系统由十Tusscher et al .,全球SR Ca^{2 +}释放电流在细胞水平上由当地Ca的总和计算^{2 +}在2 d亚细胞释放通量模型: 在哪里是一个常数乘数相当于22.25在我们的耦合模型。

2.3。心力衰竭模型

Ca的变化^{2 +}骑自行车以及其他离子电流已观察到失败的心;因此我们修改了参数耦合模型来模拟异常的Ca^{2 +}从亚细胞动力学和电生理特性在心力衰竭细胞水平。

2.3.1。Ca^{2 +}处理

(一)老发布渠道
在高频,RyR渠道将成为不稳定由于磷酸化蛋白激酶A (PKA) (18]或/ calmodulin-dependent-protein-kinase-I - (CaMKI)诱导hyperphosphorylation [19和细胞质过于敏感和老鲁米那(20.]。在我们的模拟研究中,是7.5吗M和是2.5毫米的情况下心脏衰竭,而15M和3.25毫米,分别控制条件。

(b)老泵
老抽的活动腺苷三磷酸酶在减少失败的心所示实验研究[21]。减少了45%失败的肌细胞的纳入我们的高频模型。

(c)老泄漏
自发的开口RyR集群和流氓RyRs舒张是主要的贡献者SR泄漏的形式火花和夸克。因为不稳定的RyR渠道,RyR-mediated泄漏的SR增加高频肌细胞。然而,RyR-independent泄漏是一成不变的高频模型。

2.3.2。肌纤维膜的离子电流

(一)内向整流钾电流:
在心力衰竭,被证明是减少在许多研究[22,23]。在我们的高频模型的电流密度被认为降低了20%。

(b)缓慢激活延迟整流钾电流:
是慢慢地激活组件的延迟整流钾电流。没有狗的心已被证明是下调了近半(24]。因此,最大传导是改变值的50%用于nonfailing细胞。

(c)瞬时外向钾电流:
根据实验结果,当前的密度在高频拒绝64%的价值控制心肌细胞(25),所以在我们的模拟在失败的细胞减少到64%。

(d)快钠电流:
据报道,峰值密度显著降低心力衰竭(26]。因此,最大电导将8.902 nS / pF失败的细胞,而相当于14.838 nS / pF nonfailing细胞。

(e) Na-Ca变换器电流:
活动和/或基因表达的Na / Ca规则被发现明显增加,在许多实验(27,28]。因此我们调节65%没有细胞。

(f) Na-K泵电流:
如图所示在实验研究中,钠/钾atp酶的浓度在心脏衰竭的降低了42%29日),以便减少同样的比例纳入我们的高频模型。

(g) Ca背景电流:
向内被认为是平衡通过Na / Ca换热器和sarcolemmal挤压泵在休息的潜力。在我们的高频模型的电导增加是由于增加的。

参数的不同值nonfailing和失败的肌细胞模型如表所示1。

3所示。结果

3.1。Ca^{2 +}骑自行车和在高频

该耦合模型,首先我们模拟了动作电位和钙循环运用刺激1赫兹的频率,持续时间1 ms, 7 pA的振幅。图2仿真结果显示膜电位,细胞质Ca^{2 +}浓度,^{2 +}集中在老腔和Na⁺/ Ca^{2 +}目前换热器后10日刺激。而蓝色曲线在图2得到了在生理条件下,红色曲线是在病理条件下,也就是说,心力衰竭。的高原的价格相比nonfailing细胞动作电位(AP)显示了一个更大的幅度和持续时间长,导致AP持续时间显著增加(~ 45%超过在正常条件)在心脏衰竭。与此同时,最大电导率的降低在心力衰竭使静态电位提高2 ~ 3 mV。然而,美联社打捞筒的振幅较小的心力衰竭,这是由于减少快速内向电流。早期的快速复极化,削弱切口观察心力衰竭美联社,减少造成的。此外,长期高原主要是因为死亡最大电导率。

钙处理的心脏衰竭,主要特点是一个重要的全球Ca的损害^{2 +}瞬态和钙离子浓度的衰减慢得多。此外,SR Ca^{2 +}小商店在心力衰竭,(Ca^{2 +}]_老~ 15%低静息细胞,恢复率SR钙低于控制条件。由于美联社形态的变化和钙瞬态曲线一起增加活动的Na / Ca换热器,曲线在心力衰竭有很大区别,在正常条件下。这个图中可以看到2 (d);在心力衰竭,出入口的电流是增加了。然而,它需要更长的时间来达到内心的峰值电流,和内心的振幅在休息阶段控制条件下相比也更大。

3.2。爸爸的流氓RyR的依赖

在心力衰竭细胞,RyR渠道变得非常不稳定,更容易打开相同的值和[Ca^{2 +}]_老在正常情况下。然而,钙释放电流通过RyR集群减少SR钙存储部分卸载,这是观察到的振幅和面积的减少钙火花。事实上,通过使用我们的耦合模型的仿真结果表明,虽然更多的自发钙火花出现在失败的细胞,传播^{2 +}波很少发现当没有流氓RyRs 2 d亚细胞的空间没有任何刺激。这些自发钙火花将略微提高全球在细胞水平上( = (1.16±0.06)10⁻⁴毫米,小振幅)和去偏光跨膜电位(= 4.21±0.23 mV,)如图3(一个)。

然而,如何Ca^{2 +}失败的肌细胞的动力学和电生理特性变化的流氓RyR渠道?我们流氓RyR渠道集成到2 d RyR网格和改变他们的分布密度调查的确切影响流氓RyR频道Ca^{2 +}处理和膜电位。当流氓RyRs的密度相对较低,例如,= 0.25流氓RyR /米²,自发地发生钙火花经常观察亚细胞的地区的高频在静息状态的细胞。偶尔Ca^{2 +}波形成,尽管在一个小区域,通过招聘几个相邻的Ca^{2 +}火花。那些小Ca^{2 +}波不能传播在整个肌细胞,但self-abort在很短的时间内。类似于条件没有流氓RyRs,全球和膜电位不受影响严重的Ca^{2 +}释放事件与低密度条件下的流氓RyRs如图3(一个)(=10⁻⁴毫米, mV,)。

扩大和增加的速度和应该是两组主要参数评价流氓RyRs在Ca的影响^{2 +}动力学和电生理特性。除了和两个新参数和是用于我们的模拟。代表同时到达的顶峰从静止期的结束,到达峰值的时间吗。增加Ca的速度^{2 +}浓度和去极化速度可以间接估计的两个参数,如图所示3 (b)。模拟显著降低时调节从0到0.25流氓RyR /米²(= 418±19.7女士和女士325±15.2 (),分别地。)。然而,减少是轻微的从0到0.25流氓RyR /μ米²(= 406±38.5和340±25.1女士,女士职责。)。在图3 (c)三个蓝色曲线时间> 1000 ms代表重复仿真结果没有任何刺激时= 0.25流氓RyR /米²。结果表明一个平滑的变化没有显著峰值膜电位形态。

当增加到0.5流氓RyR /米²上面,类似于小自发钙波不能长距离传播,并迅速衰减。膜电位的去极化引起的钙释放事件相比,当有更大的振幅= 0.25流氓RyR /米²(),但也相对较弱的平均7.48±0.25 mV。膜电位的形态是光滑的。

然而,随着进一步增加,特别是当吗流氓RyR /米²、大型钙波可以自发发起的2 d亚细胞区。此外,我们的蒙特卡罗仿真结果表明,这些大型钙释放事件引起相当大的钙瞬变的完整的细胞水平和随后去偏光膜电位在更大程度上时是增加了一个步骤0.25流氓RyR /米²()如图3。图4显示了典型的仿真结果时= 1.0流氓RyR /米²。3动作电位节奏后1000毫秒的周期长度,相对较大^{2 +}瞬态观测,以及向内因此爸爸没有外部刺激心脏衰竭细胞。行扫描图像如图4表明底层微观Ca^{2 +}骑自行车在亚细胞水平上。

此外,增加到一个更大的价值,Ca吗^{2 +}引发的瞬态自发的Ca^{2 +}释放和膜电位去极化的进一步扩大(),的值和降低显著((如图)3)。所有这些结果表明流氓RyRs和爸爸之间的密切关系。

3.3。引发动作电位

如上所述,自发的Ca^{2 +}老释放引起Ca^{2 +}瞬态在细胞质和随后去偏光膜电位即使在静止期没有任何刺激。此外,钙瞬态的振幅和去极化的程度是成正比的分布密度流氓RyR频道。因此,一旦流氓RyRs密度足够大,可以去偏光膜电位达到阈值,将触发一个动作电位。

图5显示了模拟膜电位的时间进程:细胞质Ca^{2 +}浓度,老^{2 +}存储、钠/钙交换电流以及Ca^{2 +}动力学在亚细胞水平。从扫描图片我们可以看到,沿着细胞纵向方向,许多自发的Ca^{2 +}波几乎是同时启动。这些Ca^{2 +}波可以传播和扩散,最终形成一个巨大的浪潮。这些Ca^{2 +}版本增加的很快,开一个强大的内在组成部分导致的膜电位去极化。当膜电位去极化的达到激活快Na的门槛⁺渠道,大生产速度非常快,引起膜电位的一击。然后,l型^{2 +}渠道将随后激活和通量的细胞外钙离子通过l型钙通道突然细胞质。Ca的流入^{2 +}与以前公布的Ca^{2 +}从可用RyR SR可以激活其他渠道和引出一个更大的Ca^{2 +}瞬态在细胞质中。其他离子通道在膜先后开了,一起确定美联社的形态。特别是,,向外弱电流开关在高原阶段,但内变成一个强大的电流在美联社的复极化阶段,Ca^{2 +}喷射到细胞外空间。

当= 1.5流氓RyR /μ米²,引发了APs在11模拟(完全22 Monte Carlo模拟法),也就是说,引发了美联社的概率是50%。此外,当= 1.75流氓RyR /米²引发了APs在18日的21蒙特卡罗模拟,即引发了美联社的概率上升到87.5%。相反,当< 1.5流氓RyR /米²,没有触发美联社看到在我们的模拟。

定量调查高密集的流氓RyRs Ca的效果^{2 +}处理,我们也记录的变化和膜电位(和)以及和。然而,引起由密集的Ca^{2 +}释放事件通常是足够大的激活。因此,电压引起的一击将重叠原。然后, 通过Ca^{2 +}释放事件也由以下inward-flowing重叠在引发了美联社。在这些条件下,测量和以及和变得非常困难。因此,在我们的模拟, 1.5流氓RyR /米²,我们设置了删除外部刺激后为零。通过这样做,美联社将不会触发即使爸爸使膜电位形成更积极的门槛。因此,我们可以计算这些参数。实际上,我们的仿真结果如图3的箭头,从中我们可以得出结论,,从1.5增加到1.75流氓RyR /米²的振幅(Ca^{2 +}]_我扩大(),而不改变时间达到峰值明显()。然而,爸爸的振幅增加显著(),而时间观察爸爸减少()。

4所示。讨论

4.1。在高频的Ca机制处理

心脏衰竭,心脏功能综合症引起的重大障碍,已成为人类的最大杀手之一,预后不良(30.]。Ca^{2 +}处理心衰时心肌细胞的总是以减少振幅的衰减放缓以及Ca^{2 +}瞬态(31日]。Ca的振幅下降的主要原因^{2 +}瞬态部分卸载Ca^{2 +}老商店主要三个因素占较小的商店增加钙^{2 +}泄漏在静息肌细胞,SR Ca活性下降^{2 +}泵,(3)的表达和/或活动增加Na⁺ca^{2 +}换热器。

尽管Na / Ca换热器,增加活动的早期阶段腐烂,Na / Ca换热器的净电流可能向外电流(即。、钙^{2 +}涌入)或弱内向电流,由于不再美联社高原和高高原失败的肌细胞的潜能。因此,减缓衰变的Ca^{2 +}瞬态主要是由于减少了SR Ca^{2 +}泵,它消除了Ca的主要量^{2 +}的早期阶段衰变。只有当膜电位是一个相对负电压和再极化仍然很高,变成一个强大的内心Ca的当前和加速衰变^{2 +}瞬态的后期阶段衰变。

4.2。Arrhythmogenic流氓RyRs的效果

除了泵衰竭、严重心力衰竭患者心脏性猝死高危通常引发的致命的心律失常(23,32]。父亲被认为是失败的心(心律失常的主要机制33]。在我们的仿真工作,虽然发射RyR集群的概率增加休息没有注意到,自发的Ca^{2 +}火花不能引起足够的振幅的Ca^{2 +}瞬态诱发一个明显缺席的父亲流氓RyRs。流氓RyR渠道的存在是重要的自发的Ca的萌生和扩展^{2 +}波与心力衰竭心室细胞(14]。

在这项工作中,我们提出一个耦合的数学模型通过整合时空的Ca^{2 +}反应扩散系统的细胞电生理模型。流氓RyR渠道纳入耦合模型来模拟亚细胞Ca^{2 +}动力学和全球细胞电生理学同时在心力衰竭的条件下。我们的模拟结果表明,在流氓RyRs, Ca^{2 +}力学是更多的不稳定和Ca^{2 +}波更容易比条件没有流氓RyRs发起的。不同于零星的火花在休息没有Ca的肌细胞^{2 +}波,SR Ca^{2 +}释放事件发生过程中集中自发发生的Ca^{2 +}波。这些发布事件可以提高Ca的振幅^{2 +}瞬态有效,从而引起Ca^{2 +}当前端依赖进口(主要是通过Na / Ca换热器)去偏光肌纤维膜和借给一个爸爸,有时或触发美联社。对于一个给定水平的Ca^{2 +}释放没有细胞,向内去极化电流变大,由于增加钠/钙换热器的活动。由于减少和增加膜阻力使相同的内向电流产生更大的去极化。一次爸爸提升膜电位活化的阈值然后形成,引发了美联社。爸爸和触发美联社心律失常的主要触发活动会计在心力衰竭。

4.3。的依赖关系流氓RyRs密度

没有流氓RyR渠道或分布密度较低,发生自发的Ca^{2 +}火花和/或夸克是独立的时间和空间,这是不太可能演变成传播Ca^{2 +}波与部分卸载SR Ca^{2 +}商店。变化引起的Ca^{2 +}释放事件是轻微的。在我们的模拟,= 0或0.25流氓RyR /米²膜电位去极化的振幅很小,只有几个mV,平均水平是大的和广泛的大型SEM。膜电位的形态很光滑没有明显的峰值,所以这种类型的去极化不能称为真正的爸爸。

然而,随着越来越多的流氓RyRs分布在二维平面上,逐渐增加,而的价值减少但越来越密集。时的值是提升到1.5流氓RyR /米²或更大,大的膜电位去极化会唤起一个美联社触发,触发APs的发生概率与更大的增加。原因是大量的流氓RyRs将增加振幅和爸爸发起更多的Ca^{2 +}波更同步发生。因此,去极化表示是依赖流氓RyR渠道的分布密度。

4.4。局限性和进一步的工作

因为流氓RyR仍然是一个假想的通道,而不是一个确定的概念,实验参数的流氓RyRs缺乏。一些假设是关于密度、分布和动态的流氓RyR频道。在我们的工作中,使用一个常数来表示Ca^{2 +}通过流氓RyR通道释放通量,而Ca^{2 +}释放通量通过一群RyRs依赖全球腔的Ca^{2 +}浓度([Ca^{2 +}]_老Ca)和地方^{2 +}浓度()。此外,不同的值被用来评估流氓RyR对Ca的影响^{2 +}骑自行车和膜电位在失败的心里。

许多关键调控蛋白,蛋白激酶A (PKA)等Calstalin, CaMKII,磷酸酶,RyR绑定,从而形成了连接复合体。RyR渠道将通过不同的信号通路调节(34]。例如,深受PKA磷酸化FKBP12.6从RyR从而使RyR通道不稳定在失败的心35]。这些调节过程不能由法线贴图我们目前的模型。此外,有缺陷的Ca^{2 +}处理也出现在许多心脏疾病,如心肌梗死、心房颤动和各种arrhythmogenic范例。耦合模型计划改进,更相关的参数应该添加调查Ca的潜在机制^{2 +}动力学的各种心脏疾病。

5。总结

通过整合时空的Ca^{2 +}反应扩散模型到细胞电生理模型、亚细胞Ca^{2 +}发布事件和波的演化与动力学的离子浓度和膜电位在细胞水平上可以同时被监控。通过使用耦合模型,我们调查的影响,流氓RyRs Ca^{2 +}处理从亚细胞到细胞水平以及电生理属性失败的心。仿真结果表明,与小流氓RyR Ca^{2 +}释放通量应引发心律失常的一个重要因素,没有心脏细胞。我们的工作表明起始的流氓RyRs Ca的重要性^{2 +}释放事件(特别是Ca^{2 +}波),因此父亲或APs触发。我们的研究表明流氓RyRs arrhythmogenic效应,有助于阐明心脏心律失常机制可能失败。

确认

这个项目是由973个国家支持基础研究和发展项目(2007 cb512100)和中国国家自然科学基金(81171421)。