超極化激活起搏電流對(duì)竇房結(jié)自律性影響的仿真研究

陳大偉，斯小琴，張季謙

竇房結(jié)(sinoatrial node,SAN)是人類及哺乳動(dòng)物心臟最主要的起搏器，是心臟的一級(jí)起搏點(diǎn)，它位于上腔靜脈和右心房的交界處，是主導(dǎo)心臟自律性的細(xì)胞，控制著整個(gè)心臟的興奮和收縮過程[1-3]。

If是具有起搏活動(dòng)的心肌細(xì)胞(如浦肯野纖維及竇房結(jié))特有的陽(yáng)離子流。它是在生理?xiàng)l件下，由Na+及K+介導(dǎo)的內(nèi)向電流。If的最重要作用在于使竇房結(jié)起搏細(xì)胞產(chǎn)生自動(dòng)節(jié)律，保證心臟的節(jié)律性和規(guī)則性跳動(dòng)[6-7]。If異常將導(dǎo)致發(fā)生心律失常等相關(guān)疾病。研究表明可以通過調(diào)控If，達(dá)到對(duì)竇房結(jié)起搏激活和節(jié)律的調(diào)控[9-11]。

本研究利用Zhang等構(gòu)建的兔子完整竇房結(jié)—心房解剖模型[16]，考察超極化激活起搏電流對(duì)竇房結(jié)細(xì)胞自律性的影響，借助于計(jì)算機(jī)仿真模擬，主要討論If異常與竇房結(jié)功能紊亂的關(guān)系以及通過上調(diào)If來緩解竇房結(jié)緩慢性心律失常動(dòng)力學(xué)行為的影響及調(diào)控機(jī)理，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

本研究采用Zhang等構(gòu)建的由竇房結(jié)、心房、結(jié)締組織等細(xì)胞耦合成的二維實(shí)驗(yàn)解剖模型，結(jié)合細(xì)胞的電生理特征和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模擬，每個(gè)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位的動(dòng)力學(xué)方程為[16]：

(1)

本研究采用模型中所有的電流方程和參數(shù)見文獻(xiàn)[16-17]。電流If滿足的方程如下：

If=γ·[gf,Na·y(V-ENa)+gf,K·y(V-Ek)]

(2)

其中γ為描述If變化的倍數(shù)因子，EK為K+的平衡電位(單位:mV)，y為活化參數(shù)。

電流IK,ACh中含有與乙酰膽堿(acetylcholine, Ach)密切相關(guān)的電導(dǎo)gK,ACh，滿足的方程描述如下：

(3)

(4)

(5)

[ACh]表示乙酰膽堿濃度(單位:mol·L-1)，gK,ACh是電導(dǎo)(單位:us)，[K]e是細(xì)胞外鉀離子濃度(單位:mmol·L-1)，nx為希爾系數(shù)。其中[ACh]的初始值設(shè)置為常數(shù)1.0×10-7mol·L-1。

電流INa滿足的方程為：

(6)

5.977×10-4)

(7)

3.556×10-3)

(8)

(9)

其中μ為描述鈉通道基因突變的倍數(shù)因子，τh1和τh2分別為Na+通道的快失活時(shí)間和慢失活時(shí)間(單位:ms)，h表示離子通道的失活參數(shù)。

在模擬過程中，本研究選取時(shí)間步長(zhǎng)為0.05 ms，空間步長(zhǎng)為0.04 mm，采用五點(diǎn)差分法對(duì)方程(1-9)進(jìn)行數(shù)值模擬，記錄二維耦合體系中間一條記錄線上各細(xì)胞膜電壓的時(shí)間序列并進(jìn)行相關(guān)分析。

2 模擬結(jié)果

2.1 If異常對(duì)竇房結(jié)自律性的影響

If是具有起搏活動(dòng)的心肌細(xì)胞特有的陽(yáng)離子流，其最重要的作用在于使竇房結(jié)起搏細(xì)胞產(chǎn)生自動(dòng)節(jié)律，保證心臟的節(jié)律性和規(guī)則性跳動(dòng)。If異常則會(huì)引起竇房結(jié)搏動(dòng)功能紊亂。改變方程(2)中的觀察竇房結(jié)起搏的動(dòng)作電位時(shí)間序列圖，并記錄相應(yīng)的周期(cycle length:CL.兩個(gè)連續(xù)起搏動(dòng)作電位的時(shí)間間隔)。模擬發(fā)現(xiàn)，抑制If竇房結(jié)起搏活動(dòng)的周期增大，起搏速率減慢；增大If則竇性心動(dòng)過速，周期減小，甚至出現(xiàn)心臟驟停現(xiàn)象。圖1給出了4種不同大小的If電流作用，竇房結(jié)起搏活性的運(yùn)動(dòng)電位時(shí)間序列圖，從圖中可以看出，信號(hào)可以從竇房結(jié)中心向外圍及心房肌傳導(dǎo)，但起搏電位的周期發(fā)生了變化，甚至出現(xiàn)了傳導(dǎo)阻滯的現(xiàn)象。圖1中A到D的周期CL分別為440 ms、366 ms、308 ms和∞。

另外，模擬中還發(fā)現(xiàn)If對(duì)細(xì)胞外鉀離子非常敏感，鉀離子濃度降低可引起If電流幅度的顯著減小，如圖2所示。鉀離子是細(xì)胞內(nèi)液滲透壓的主要決定因素。血鉀過高會(huì)抑制心肌收縮，出現(xiàn)心律緩慢、心律不齊，嚴(yán)重時(shí)心室顫動(dòng)、心臟停搏于舒張狀態(tài)等病態(tài)現(xiàn)象。鉀離子濃度升高，也會(huì)減弱心肌細(xì)胞的興奮性。If對(duì)細(xì)胞外鉀離子敏感可以說有其重要的生理學(xué)意義，如當(dāng)心肌缺血時(shí)，If增大可改變心肌的興奮性。

A：γ=0.6，B：γ=1.0，C：γ=1.6，D：γ=2.1。圖1 動(dòng)作電位時(shí)間序列圖

實(shí)線為[K+]e=5.4 mol·L-1，虛線為[K+]e=3.0 mmol·L-1。圖2 不同細(xì)胞外鉀離子濃度作用，If隨時(shí)間變化示意圖

人和哺乳動(dòng)物心臟受自主神經(jīng)系統(tǒng)的交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)分支的支配，由副交感神經(jīng)釋放的一種遞質(zhì)——乙酰膽堿具有減慢心律、降低房室傳導(dǎo)及降低心肌收縮力的作用。ACh降低心律與抑制的If相關(guān)。如圖3所示，增大ACh濃度If的幅度反而較小，這表明ACh可以減低竇房結(jié)細(xì)胞的If。

2.2 上調(diào)If對(duì)竇房結(jié)細(xì)胞自律性的調(diào)控作用

本研究引入鈉通道基因突變，考察T220I突變，其公式(6-9)部分參數(shù)設(shè)置如下[17-18]：

μ=0.62,Sτh1=2.51,Sτh2=3.28,Sh=0.049

模擬發(fā)現(xiàn)，由于鈉電流、活化參數(shù)及失活參數(shù)由于突變而被改變后，竇房結(jié)的起搏功能發(fā)生了變化。雖竇房結(jié)向邊緣及心房搏動(dòng)信號(hào)的傳導(dǎo)未有異常，但起搏動(dòng)作電位振動(dòng)幅度減弱，且激發(fā)的膜電壓的振動(dòng)周期也在增大，由正常時(shí)的366 ms增大到了418 ms，約14.2%的增幅。但這種異常的搏動(dòng)行為，本研究通過上調(diào)If得到解決，如圖4(A)所示。從第2.5 s開始引入If的調(diào)控作用(如圖4(B)所示)，隨著If的增大，振動(dòng)周期減小，當(dāng)If增大到原來的1.35倍(即γ=1.35)時(shí)，CL=363 ms與正常的振動(dòng)周期366 ms很接近。

實(shí)線為[ACh]=1.0×10-7 mol·L-1，虛線為[ACh]=1.5×10-7 mol·L-1。圖3 不同ACh濃度作用，If隨時(shí)間變化示意圖

A：耦合系統(tǒng)的動(dòng)作電位時(shí)間序列圖，B：If時(shí)間序列圖。圖4 If對(duì)T220I突變竇房結(jié)的調(diào)節(jié)作用

由此可見，If對(duì)竇房結(jié)的起搏起重要作用。當(dāng)If出現(xiàn)異常，竇房結(jié)細(xì)胞的自律性受到抑制，導(dǎo)致心肌細(xì)胞組織產(chǎn)生節(jié)律異常的行為。不僅如此，對(duì)一些病變性的緩慢性心律失常又可通過上調(diào)If進(jìn)行調(diào)控。

3 討論

心臟興奮刺激來源于竇房結(jié)，并經(jīng)結(jié)間束傳導(dǎo)至房室結(jié)，通過房室結(jié)纖維傳導(dǎo)至心室浦氏纖維。心臟興奮起源、傳導(dǎo)等障礙是形成心律失常的基礎(chǔ)[4]。大量的臨床研究發(fā)現(xiàn)，竇房結(jié)的異常動(dòng)力學(xué)行為會(huì)引起心臟的許多疾病，如竇房結(jié)的異常搏動(dòng)所引起的心律失常是造成心臟猝死的主要原因之一[2]。

舒張期去極化是起搏細(xì)胞的電生理學(xué)特點(diǎn)。能引起這種去極化產(chǎn)生的電流，就是起搏電流[5]。長(zhǎng)期以來，不少科研工作者進(jìn)行了大量的研究，甚至走了彎路。到目前為止，一般認(rèn)為起搏活動(dòng)并不是由單一離子流所完成，而是在多個(gè)離子流參與下共同形成的，其中的一個(gè)重要電流就是超極化激活起搏電流If，它在竇房結(jié)起搏細(xì)胞4期自動(dòng)化除極中起重要作用，是竇房結(jié)細(xì)胞起搏產(chǎn)生自律性的必須離子電流[8]。

If是具有起搏活動(dòng)的心肌細(xì)胞(如浦肯野纖維及竇房結(jié))特有的陽(yáng)離子流。If異常將導(dǎo)致發(fā)生心律失常等相關(guān)疾病。研究表明可以通過調(diào)控If來達(dá)到對(duì)竇房結(jié)起搏激活和節(jié)律的調(diào)控[9-11]。隨著研究的不斷深入，許多科研小組陸續(xù)報(bào)道了一些相關(guān)的成果。例如Brown等[12]首次提出起搏電流參與引起動(dòng)作電位舒張期除極；DiFrancesco實(shí)驗(yàn)[13]認(rèn)為If是竇房結(jié)細(xì)胞的主要起搏離子流；Barbuti等[14]通過膜片鉗等技術(shù)描述了鼠胚胎干細(xì)胞分化的心臟起搏細(xì)胞If的分子組成和功能特性。Zhang等[15]在一些模型中模擬了IK,ACh、ICa,L和If對(duì)竇房結(jié)起搏的影響。這些報(bào)道的結(jié)果，使人們對(duì)If有了定性的理解，并可以從中獲得一些有價(jià)值的信息。

本研究利用Zhang等[15]構(gòu)建的兔子完整心臟模型作為研究對(duì)象，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬，主要研究了超極化激活起搏電流對(duì)竇房結(jié)細(xì)胞自律性的影響。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)超極化激活起搏電流異常與竇房結(jié)功能紊亂密切相關(guān)。異常的If則可能會(huì)誘發(fā)竇性心動(dòng)過速、心律過緩、心律不齊等心律失常甚至猝死等病態(tài)現(xiàn)象。另外，對(duì)某些病變性的緩慢性心律失常通過上調(diào)If可進(jìn)行調(diào)控，如在鈉通道基因突變情況下增大If可有效的恢復(fù)竇房結(jié)起搏活性。這些結(jié)果表明If對(duì)竇房結(jié)細(xì)胞自律性有重要影響和調(diào)控作用,這將有助于揭示臨床醫(yī)學(xué)上心律失常的生物起搏器治療的內(nèi)在機(jī)制，為進(jìn)一步進(jìn)行心律異常的實(shí)驗(yàn)研究與臨床診斷和預(yù)防提供一定的科學(xué)依據(jù)。