单细胞电生理模拟软件的开发与动作电位的建模与仿真研究

论文摘要

细胞电活动是生命现象的基本特征之一,而离子通道是其物理基础。因此,研究细胞兴奋性背后的离子通道机制具有十分重大的理论和现实意义。许多神经系统和循环系统的重大病变,比如癫痫、运动失调、高血压、长QT等,都与离子通道氨基酸序列和结构发生的改变有关。嗜铬细胞作为一种典型的可兴奋性细胞,在调节哺乳动物神经内分泌的过程中起着重要作用,它上面包含有多种调节细胞兴奋性的离子通道。这些通道在动作电位的发放中都起着独特而重要的作用,调节着动作电位的发放频率、幅值和半宽。然而,到目前为止,这些通道的调节机制尚不清楚,这影响了人们对相关重大疾病的治疗和相关药物的开发。本课题以大鼠肾上腺髓质嗜铬细胞为研究对象,利用电生理实验技术结合计算机模拟手段,重点考察了BKi、BKs、Kv等通道的动力学特性以及Na通道的双指数恢复特性对嗜铬细胞动作电位发放的调节作用。首先,我们自主开发了基于通道蛋白状态变构模型的单细胞电生理仿真软件系统CeL。CeL突破了Hodgkin-Huxley及其衍生方程（组）无法描述具有复杂门控机制的通道动力学过程的瓶颈,用计算机数值算法实现了对这一过程的模拟,并将多种通道的状态变构过程整合到一种或多种细胞模型,从而同时完成对特定通道门控过程和由多种通道门控共同调节的细胞电活动的模拟。这种方法是对生物物理研究领域现有计算机仿真手段的一种突破。在此基础上,我们进一步拓展了CeL的功能,使其能够完成自动创建离子通道状态变构模型和自动处理电生理实验数据的任务。自动建模系统能够以最优化的算法拟合出任意状态变构模型,而目前世界范围内的建模还都是人工的。自动化数据处理模块能够批量自动化地处理电生理实验数据,从而极大地提高数据处理的效率,这也是世界首创。然后,利用CeL的电压钳仿真系统,我们分析了大量电压钳实验数据,并参考相应文献,从而建立了各种通道的状态变构模型。最后,利用这些定义精确的通道模型再进行全细胞电活动的模拟。通过模拟不同溶液环境和阻断条件下的细胞动作电位,再结合对相应电流钳实验数据的分析,我们便能清楚地探究特定通道的各种动力学特性对动作电位各种属性的调节作用。经过对模拟和实验数据的分析,我们得出如下结论: 1、在动作电位发放期间,BK电流的作用主要发生在超极化和后超极化阶段,而不是快速复极化阶段;2、BKi电流的累积失活效应只有在内Ca浓度较高时才能表现出来；在低浓度时则不明显。3、BKi和BKs细胞动作电位发放形态截然不同的原因不是由于BKi的失活特性,而是因为在给定Ca浓度下BKi比BKs更容易激活;4、嗜铬细胞动作电位发放的Ca依赖性表明嗜铬细胞上Kv通道的数量很少,仅够维持复极化1个动作电位,过量的Kv通道会导致动作电位发放异常;5、Kv电流在动作电位发放的复极化初期和快速超极化阶段起作用。6、Na通道的双指数恢复特性有助于维持动作电位发放的频率和幅值。综上所述,本课题的研究清楚地揭示了各种离子通道在动作电位期间的作用和贡献,对相关疾病致病机制的研究和药物开发具有重大的指导意义。同时,CeL软件作为一种创新的研究方法,扩展了当今生物物理研究的方法,并提高了研究效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 离子通道、细胞的可兴奋性与膜片钳技术
• 1.2 嗜铬细胞及其可兴奋性
• 1.3 离子通道模型
• 1.4 计算机仿真与分析
• 1.5 本论文的研究内容
• 2 细胞电生理仿真计算软件（CeL）的研发
• 2.1 CeL的需求分析与设计原理
• 2.2 CeL的功能模块及设计概述
• 2.3 本章小结
• 3 离子通道动力学模型
• 3.1 离子通道动力学建模概述
• +通道动力学参数及模型'>3.2 Na⁺通道动力学参数及模型
• 2+通道动力学模型'>3.3 Ca²⁺通道动力学模型
• V通道动力学模型'>3.4 K_V通道动力学模型
• 3.5 BK通道动力学模型
• 3.6 SK通道模型
• 3.7 本章小结
• V、Na、Ca等通道在嗜铬细胞动作电位中的作用'>4 BK、K_V、Na、Ca等通道在嗜铬细胞动作电位中的作用
• 4.1 计算细胞膜电位的一阶常微分方程
• 4.2 BK通道在动作电位中的作用
• V通道在RCCs动作电位中的作用'>4.3 K_V通道在RCCs动作电位中的作用
• +通道的双指数恢复特性在RCCs动作电位中的作用'>4.4 Na⁺通道的双指数恢复特性在RCCs动作电位中的作用
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文
• 附录2 缩写对照表