野木瓜注射液对大鼠DRG细胞钠通道影响的实验与计算机仿真研究

论文摘要

对中医中药的研究一直是科学研究的热点。其中对中药有效成分的研究,从天然药物中筛选对疾病有治疗作用的化合物更是新药研发中的重要方法。然而中药成分复杂,其多环节多靶点的药物作用方式给用现代科学技术进行中医药研究带来了很大困难。野木瓜是一种十分常用的中药,传统中医认为野木瓜有祛风湿止痹痛的功效。现代科学研究也表明,野木瓜具有明显的止痛作用,并且有以野木瓜为原料的药品野木瓜注射液问世,广泛应用于临床各科。但是,野木瓜注射液的药理作用并不完全清楚。需要进一步探索其有效成分和作用靶点。本文首先用全细胞膜片钳技术观察了不同浓度野木瓜注射液作用后大鼠背根神经节细胞的电压门控性钠离子通道电流。实验结果表明,野木瓜注射液对大鼠背根神经节细胞电压门控性钠离子通道电流峰值有明显的浓度依赖的抑制作用,并且还影响了电压门控性钠离子通道的激活和失活过程,具体表现在半激活电压向去极化方向偏移和半失活电压向超极化方向偏移。在电压门控离子通道药理学研究中,对药物对离子通道动力学影响的讨论一般都根据脉冲刺激得到的电流峰值和反转电位等观察值计算得到电导值,然后参考刺激电压制作离子通道的激活和失活曲线。这种研究方法仅仅利用了离子通道电流的最大值,并没有将实验数据提供的信息全部利用,例如钠通道电流达到峰值的时间信息没有用上。Hodgkin和Huxley在对大量电压钳实验数据的基础上提出了描述离子通道动力学特征的Hodgkin-Huxley模型,通过模型参数的变化可以定量描述离子通道动力学的改变。为了更准确地研究野木瓜注射液对钠离子通道动力学的影响,本文在全细胞膜片钳实验的基础上,用Hodgkin-Huxley模型拟合不同浓度野木瓜注射液作用前后的大鼠背根神经节细胞钠离子通道全细胞膜片钳实验数据,拟合效果比较理想。拟合结果表明,野木瓜注射液作用后,拟合得到的模型参数V2 m向去极化方向偏移,这一点和离子通道激活曲线的变化是一致的。与模型参数V2 m相对应的模型参数V2 h以及τm,τh等其它参数并没有明显变化。在通过膜片钳实验技术观察药物对神经元动作电位产生影响的实验操作中,很难控制药物使其不对钠离子通道外的其他离子通道产生影响（不能使用钾离子通道阻断剂）。因此很难断定实验观察得到的动作电位变化就仅仅是因为细胞表面钠离子通道受到药物影响所致。为了探究野木瓜注射液对背根神经节细胞钠离子通道的影响是否能够产生对背根神经节细胞动作电位的抑制作用,本文用上述拟合膜片钳实验结果获得的Hodgkin-Huxley参数为依据,借助neuron神经元建模软件建立人工神经元,并对其进行计算机仿真刺激产生动作电位。计算机仿真刺激人工神经元结果显示,野木瓜注射液对神经元钠离子通道动力学的影响可以导致神经元产生动作电位的阈值提高。由此推断,野木瓜注射液的镇痛作用来源于此。综上所述,野木瓜注射液可能通过影响初级感觉神经元钠离子通道激活过程从而阻滞动作电位产生而达到镇痛效果。通过数学建模和计算机仿真的方法能够简化实验条件,简化模型,更好地说明中药对离子通道动力学特征的影响,定量描述中药作用效果。这种数学建模加计算机仿真的方法给中药药理学研究提供了一种新方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 野木瓜及野木瓜注射液的药理作用研究现状
• 1.2 背根神经节神经元钠离子通道与疼痛
• 1.2.1 背根神经节神经元钠离子通道概述
• 1.2.2 疼痛与钠离子通道
• 1.2.3 钠通道阻滞剂与疼痛治疗
• 1.3 钠离子通道和膜片钳实验技术
• 1.3.1 钠离子通道简介
• 1.3.2 膜片钳技术简介
• 1.4 膜片钳实验技术在中药药理研究中的应用
• 1.5 本课题相关内容及工作安排
• 第2章 膜片钳实验材料及方法
• 2.1 大鼠背根神经节细胞的制备
• 2.2 实验记录液的配制
• 2.3 野木瓜注射液溶液配制
• 2.4 全细胞膜片钳实验仪器
• 2.5 全细胞膜片钳实验相关参数设定
• 2.5.1 玻璃微电极毛坯和拉制仪参数设置
• 2.5.2 全细胞膜片钳实验刺激参数设置
• 2.5.3 给药系统参数设置
• 2.6 离子通道电流的记录过程
• 2.6.1 DRG 神经元的选择
• 2.6.2 灌注玻璃微电极
• 2.6.3 封接和记录
• 2.7 实验数据的分析与处理
• 第3章 Hodgkin-Huxley 模型
• 3.1 Hodgkin –Huxley 模型的生物背景
• 3.1.1 细胞膜并联电导模型
• 3.1.2 神经元膜电位变化
• 3.1.3 膜电压方程
• 3.2 钾离子通道结构和Hodgkin –Huxley 模型钾电导
• 3.3 钠离子通道结构和Hodgkin –Huxley 模型钠电导
• 3.4 Hodgkin –Huxley 模型的解
• 3.5 完整的Hodgkin –Huxley 模型
• 第4章 野木瓜注射液对大鼠背根神经节神经元钠离子通道电流的影响
• 4.1 膜片钳实验结果举例
• 4.2 野木瓜注射液对DRG 神经元钠离子通道电流峰值的影响
• 4.3 野木瓜注射液对DRG 神经元钠通道电流抑制作用的浓度依赖性
• 4.4 野木瓜注射液对DRG 神经元钠通道电流I-V 曲线的影响
• 4.5 野木瓜注射液对DRG 神经元钠通道电流激活曲线的影响
• 4.6 野木瓜注射液对DRG 神经元钠通道电流失活曲线的影响
• 4.7 讨论
• 第5章 Hodgkin-Huxley 模型拟合膜片钳实验数据
• 5.1 Hodgkin –Huxley 模型拟合软件pulsefit 的算法
• 5.2 野木瓜注射液作用后的DRG 神经元的Hodgkin-Huxley 模型参数
• 5.3 讨论
• 第6章 计算机仿真刺激神经元模型
• 6.1 计算机仿真在离子通道药理学研究中的必要性
• 6.2 用Neuron 进行计算机仿真
• 6.2.1 Neuron 仿真环境介绍
• 6.2.2 用Neuron 表示人工神经元
• 6.3 计算机仿真工具药对经典Hodkin-Huxley 模型动作电位的影响
• 6.4 计算机仿真野木瓜注射液对DRG 神经元动作电位的影响
• 6.5 讨论
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A pulsefit 软件拟合膜片钳实验数据的具体结果
• 附录B 建立人工神经元的关键代码
• 附录C 攻读学位期间所发表的学术论文目录