文摘

早期afterdepolarization (EAD)在arrhythmogenesis扮演着重要的角色。许多实验研究报道,Ca^{2 +}/ calmodulin-dependent II (CaMKII)和蛋白激酶β肾上腺素的信号通路是两个重要的监管机构。在这项研究中,我们开发了一个修改计算模型的人类心室肌细胞调查CaMKII的联合作用β肾上腺素的信号通路在EADs的发生。我们的模拟结果表明,(EADs) CaMKII超表达促进通过延长晚期钠电流()失活的进展;()CaMKII的综合效应超表达和激活β肾上腺素的信号通路进一步增加EADs的风险,EADs可以发生在短周期长度(2000毫秒对4000毫秒)和较低的快速延迟整流K⁺电流()堵塞(77%和85%)。总之,本研究计算表明CaMKII的联合作用β肾上腺素的信号通路在EADs的发生,这可能有助于寻找治疗策略治疗EADs arrhythmogenesis有关。

1。介绍

早期afterdepolarizations (EADs)触发之前完成复极化(1),与多态关联为长QT综合征患者室性快速性心律失常(2]。延长动作电位持续时间(adp)和l型复苏^{2 +}目前已报告发生的两个重要因素的欧洲航空防务与航天公司(3]。它也知道内电流的增加(例如,和晚期钠电流,)或向外电流的减少(例如,快速延迟整流K⁺目前,而缓慢延迟整流K⁺目前,)在高原膜电压可以增加EADs的概率事件。因此,任何因素都可能改变这些电流的强度和时间序列可能导致EADs的发生(4- - - - - -8]。

Ca^{2 +}/ calmodulin-dependent蛋白激酶2 (CaMKII)是优化的一个关键激酶心脏兴奋收缩偶联。其基板包括离子通道、运输车和辅助蛋白(9]。据报道,CaMKII磷酸化美国,导致振幅增加,延长和促进EADs的发生10,11]。CaMKII也可以改变瞬态向外K电流(老),Ca^{2 +}腺苷三磷酸酶(SERCA的)12),而阿诺定受体(RyR)通道(10]。因此它可能是有用的理解和量化这些监管角色。然而,它是非常困难的实验。计算机模拟方法提供替代方式,允许我们区分最有效的磷酸化arrhythmogenesis的目标,这将最终在寻找antiarrhythmia疗法提供有用的工具。

大家都知道这一点β肾上腺素的信号通路调节Ca^{2 +}骑自行车通过磷酸化的部分和受拉钮)13]。提高细胞内钙^{2 +}((Ca))和增加自发的Ca^{2 +}通过SERCA的释放抑制拉钮。Ca的打破平衡^{2 +}骑自行车可能导致EADs的发生(14- - - - - -16]。论文等人调查配发的离子机制β肾上腺素在EADs犬心室肌细胞的发生和得出结论,细胞Ca^{2 +}过载和自发的SR Ca^{2 +}释放在EADs(扮演重要的角色17]。相反,其他的研究报道β肾上腺素能受体激动剂激活蛋白激酶A (PKA)磷酸化,拉钮RyR SERCA的,,导致延迟afterdepolarization(父亲)18]。这些众多的目标和不同的时态特征的磷酸化作用的机理分析复杂化β肾上腺素能受体激动剂和EADs的关系。最近,不同计算模型被用来研究这些复杂的相互作用。谢等人建立了一个生物物理详细的兔模型,发现时间的越快与增加ISO-induced瞬态EADs (19),强调理解的重要性非稳定动力学在冥想的状态β-adrenergic-induced EADs和心律失常。然而,其他目标包括在他们的模型中没有被彻底调查。指出,尽管EAD机制被广泛的计算研究,这些发表的大多数建模研究开发基于非人类肌细胞。此外,我们所知,没有造型研究考虑到CaMKII的综合效应过度β肾上腺素能受体激动剂在EADs。

本研究旨在开发一个修改计算模型的人类集CaMKII和心室肌细胞β肾上腺素的信号网络变成一个修改奥德的动态模型20.),CaMKII的联合作用β肾上腺素的信号通路在EADs的发生将会调查。

2。方法

2.1。CaMKII的集成

由于缺乏人类的实验测量心室CaMKII通路,奥哈拉等人使用Hund-Decker-Rudy的狗模型来描述CaMKII动力学(21,22]。我们的模型是由O 'Hara-Rudy动态模型(奥德模型)来集成CaMKII通路(20.]。下面的方程描述人类心室的CaMKII动力学:

活动CaMKII的分数在平衡态(CaMK结合位点₀在控件状态)被设置为0.05。CaMK₀0.12被用来模拟CaMKII超表达研究显示Kohlhaas et al。23]。

2.2。集成的β肾上腺素的信号网络

的详细描述β肾上腺素的信号网络能找到Soltis和Saucerman[从发表的研究24]。PKA报道使磷酸化拉钮,肌钙蛋白RyR,肌球蛋白结合蛋白c、蛋白质磷酸盐抑制剂-(25),而(24]。拉钮,是本研究的三个关键因素模型的变力的作用β肾上腺素能与潜在EADs发生有关。尽管Na的PKA磷酸化⁺/ K⁺腺苷三磷酸酶电流()已经被先前所描述的计算模型(19,26),其效果是不包括在本研究部分因为缺乏直接的测量对正常人心室(20.]。磷酸化的PKA三个目标(拉钮,)描述如下:

方程(2)显示代表PKA的影响系数磷酸化。在(3),的价值”转变”从3.94提高应用程序(ISO)到10.0(对于饱和ISO程序),这意味着稳态激活曲线6.06 mV留下感动。离子的渗透性^{2 +}与饱和ISO程序增加了10%。方程(4)描述的增强振幅乘以”“有价值没有PKA磷酸化,这代表PKA调节方式。在(6),激活门的时间常数(与饱和ISO程序)是延长了20%

方程(7)描述了磷酸化的因素PKA,用来改变最大电导(门将)(8)。与此同时,国家稳定激活曲线调整通过因素”价值与时间有关的门“在(9)和(10)。

2.3。CaMKII和β肾上腺素的信号网络

这是受CaMK₀所示(1)会影响在(4通过的分数)渠道磷酸化CaMKII ()。CaMKII serca的磷酸化的分数(12)是影响””和“”,代表PKA, CaMKII serca的影响,分别。所示(13),serca分为nonphosphorylated人口和CaMKII磷酸化的人口。因此,总Ca^{2 +}通过吸收serca的同时被这两个网络调整。

2.4。仿真策略

为了确定CaMKII-induced EADs的潜在目标,CaMKII被分配CaMK仅仅过表达₀0.12(包括具体的目标,,,,),分别β肾上腺素的信号是保持不活跃。接下来,CaMKII超表达与ISO管理应用。1μM ISO是应用于本研究模拟其影响肌细胞动作电位和离子电流。

2000毫秒的周期长度是本研究中使用,因为它更接近正常的人类打节奏比4000 ms实验中使用的长度从郭et al。27]。在郭等人的工作,EADs出现约85%的堵塞(27),在这项研究中用于比较。500个周期进行模拟时达到稳定状态。每个周期长度的上界解算器的步长是2 ms。

3所示。结果

3.1。CaMKII进行靶向治疗对离子电流的影响

3.1.1。晚钠电流()

如表所示1和图1过表达CaMK₀价值0.12,正常CaMK₀值为0.05,其他目标,交替EADs发生从我们的模拟与2000毫秒的周期长度(CL)85%的堵塞。

如图1,振幅与过表达CaMK交替₀。与欧洲航空防务与航天公司垮掉的一代,振幅约小24% (0.19μ一个/μF和0.25μ一个/μ比这些正常CaMK F)₀价值和在没有EADs的节拍,振幅也减少了32% (0.17μ一个/μF和0.25μ一个/μF),在图1(d), EADs发生时,释放,大约168%的正常节拍(1297毫秒对773毫秒)和大约170%的控制情况图1(b)(1297毫秒对761毫秒),表明过表达CaMKII的磷酸化水平降低了其振幅和延长失活过程。此外,结果还表明,延迟失活,而不是它的振幅变化,有助于EADs的形成。

3.1.2。l型钙电流()

同样,如表所示1过表达CaMK₀来0.12,正常CaMK₀值为0.05时其他目标,没有EADs CL 2000 ms和发生堵塞了85%,这表明EADs的概率会小幅度的关系。与增强CaMK₀价值的振幅只增加了4.2% (1.74μ一个/μF和1.67μ一个/μF)。

3.1.3。K⁺通过l型钙电流^{2 +}通道(),钠⁺通过l型钙电流^{2 +}通道(向外),瞬态K⁺电流()

如上所述,CL设置为2000 ms被85%。如表所示1,增强(CaMK CaMKII磷酸化水平₀= 0.12)不同的目标,只增加了6.5% (0.66μ一个/μF和0.62μ一个/μF),8.1% (0.40μ一个/μF和0.37μ一个/μF),3.2% (0.98μ一个/μF和0.95μ一个/μF)。没有EADs在这些条件下发生。

3.2。综合效应CaMKII的过度β肾上腺素能受体激动剂

3.2.1之上。正常CaMKII和1μM ISO

不同的动作电位堵塞程度如图2。固定使用CL = 2000毫秒,CaMKII磷酸化水平一直控制(CaMK所有目标₀= 0.05)。在图2(一个),被85%,稳定的ISO, EADs发生与应用程序说明肾上腺素能受体激动剂促进欧洲宇航防务集团。的堵塞水平从85%逐渐下降,下降到77%时,如图2 (b),这些EADs消失,表明77%的阈值是EADs消失在这个设置。因此,77%是用于模拟与以前公布的85%的水平(20.]。这些结果从行2行3列出在表2。

3.2.2。增强CaMKII和1μM ISO

如图3,增强CaMKII和1μM ISO,当被85%,EADs诱导。EADs还观察到什么时候被77%,暗示磷酸化CaMKII和ISO程序一起EADs的概率增加。这些结果列出在表5行4行2。

3.2.3。增强CaMKII和1μM ISO

如图4,增强CaMKII和1μM ISO,当被85%,EADs诱导,但什么时候堵塞减少到77%,EADs消失了。这些结果从行6行7列出在表2。

4所示。讨论

本研究开发了一种修改计算模型基于奥德人类的人类心室心肌细胞模型集成的监管机制,CaMKII和PKA20.),其对欧洲航空防务与航天公司的影响进行了研究。

EADs期间经常发生心动过缓条件下的复极化储备减少。奥哈拉的小组成功地引起EADs和周期长度减少到4000 ms被85%20.]。在我们的模拟,(2000毫秒)和周期长度减半被85%,EADs交替发生的唯一影响CaMKII超表达,这表明心室心肌细胞与CaMKII超表达更容易受到EADs在正常人力资源范围(CL = 2000 ms)。此外,先前的研究已经表明,扮演着一个重要的角色在EADs的发生6]。我们的模拟表明,CaMKII超表达略有增加振幅,但是这个效果没有诱导EADs, CaMKII没有改变的重叠区域稳态激活和活化曲线。Zaza公司等人报道,(28复极化时,适当放缓,通道激活重叠区域内可能会中断当前余额和支持的可能性autoregenerative去极化。等内部电流Na⁺ca^{2 +}交流电流()可能引发欧洲宇航防务集团中扮演一定的角色如果振幅增强和落在重叠区域。我们的模拟结果表明,CaMKII增强了这些电流但不引起EADs单独通过这种效果。因此,当CaMKII过表达,对EADs主要源于变异。

我们的研究也证明了心室心肌细胞行为的集成CaMKII过度和ISO的应用程序。与ISO程序,环腺苷酸(营)是通过形成的β肾上腺素能调节腺苷酸环化酶的激活,激活PKA,很好的描述中介目标,促进心肌的性能。独立的情况下PKA生效,EADs发生较短周期长度(2000毫秒对4000毫秒),表明EADs是放松的前提。我们的结果不同于从谢et al。”美国年代研究,缩短ISO程序后观察到没有EADs在稳定状态19]。谢等人的结果可能是由于瞬态的仿真恢复和预防自发的SR Ca^{2 +}释放,限制在转发模式。因此,当这些细胞进入稳态小内美国的缩短可能是合理的。在我们的工作中,老Ca^{2 +}释放被增强放大。与集成堵塞,更有可能向内工作电流,导致延长美国和欧洲宇航防务集团的出现。此外,缩短获得的美国也没有堵塞的时候β肾上腺素的途径被激活。仿真结果表明,当选择的周期长度在500毫秒,1000毫秒,1500毫秒,2000毫秒,4000毫秒,相应的APD90缩短为31.6(233.0和201.4)女士,女士30.5毫秒(268.6和238.1 ms), 22.3(282.6和260.3)女士,女士17.3女士女士(289.1和271.8),和18.6(305.6和287.0 ms)女士。这些结果是一致的与论文等配发的实验测量。29日]。如果CaMKII过度行为与ISO程序,EADs和女士出现在CL = 2000堵塞了77%,这表明PKA和CaMKII超表达进一步放松的前提(堵塞的概率分别为77%和85%),增加欧洲宇航防务集团。CaMKII的过表达孤独,PKA诱导EADs发生有85%堵塞,而不是77%堵塞,这表明,ISO程序,由CaMKII磷酸化对EADs比有更多的影响。的稳定状态模拟有无ISO程序当CL = 2000毫秒,及其对应的最大值分别为0.0469和0.0421,分别。这表明,CaMKII激活增加与ISO的应用。

我们的仿真结果表明,提出的模型是有用的探索之间的相互作用β肾上腺素能受体信号和CaMKII EADs的形成;需要处理一些潜在的局限性。首先,CaMKII RyR功能的作用没有被考虑。越来越多的证据表明在调制RyR函数对其的作用。增加钙^{2 +}通过老RyR将限制Ca泄漏^{2 +}加载和打扰Ca^{2 +}骑自行车。这应该被纳入一个改进的模型在未来的研究。其次,CaMKII过度表达下调可能内向整流钾电流(),提高基线振幅(30.]。我们不包括任何CaMKII的影响在我们的模型中。第三,我们的模型只能描述CaMKII的短期效应在不同的当前目标。有人建议,CaMKII的短期和长期影响是不同的30.- - - - - -33]。短期的时间(单位为毫秒)CaMKII过度可能放缓失活和加速复苏,但慢性过度表达下调可能和移植(34]。因此,有一个范围来提高我们的模型考虑到慢性CaMKII的影响在未来。第四,缺乏一个准确测量ISO如何调节钙与动态变化节拍周期期间,尽管它已经出版的高et al。35],ISO规范(当钙增加1.4μ在泵电流(M)或减少钙是0.15μ米)取决于细胞内Ca^{2 +}浓度。在我们的模型中,钙离子浓度为0.12μM和钙浓度峰值为1.1μm .相似的模拟工作他et al。26),通过简单地增加泵电流从17%提高到33%,无显著的变化在触发EADs(这里没有显示结果)已被观察到。然而,当人类心室细胞的连续实验数据是可用的,ISO的规定可以被纳入模型确认这无意义的效应。第五,据报道,当地法规的阵营和底物磷酸化发挥着重要作用β肾上腺素能受体信号(26,36- - - - - -38),所以它可能有助于合并局部控制机制在未来的研究。最后,有四个CaMKII亚型()有不同的分布,动力学和角色在生理和病理的调整。直到现在,这些差异并没有完全理解。开发一个模型与详细CaMKII亚型信息时可能有用的实验数据是可用的。

总之,我们的仿真结果计算表明更好的理解CaMKII的组合效应和ISO刺激EADs的出现在人类的心室肌细胞,这可能提供有用的工具来研究治疗心律失常的治疗方法。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这个项目是由中国国家自然科学基金(61527811)。