计算机仿真技术在增龄相关性心房颤动电生理机制研究中的应用

论文摘要

第一部分犬左心房心肌细胞动作电位离子通道模型的建立背景:心房颤动（房颤）是临床上最常见的持续性心律失常,我们对其发生的机制并不清楚。计算机仿真已经成为从细胞水平上探讨和揭示心律失常机制不可替代的一种方法和手段。已有学者利用计算机仿真技术探讨了房颤发生和维持的机制,并丰富了我们对房颤机制的理解。但作为仿真研究的基础,现有的心房肌细胞动作电位离子通道模型并不完善。目的:在现有犬心房肌细胞模型的基础上,结合犬左心房心肌细胞的膜片钳数据,构建犬左心房心肌细胞动作电位的离子通道模型。方法:取10只成年杂种犬（1-4岁）,麻醉开胸后,剪切左心耳,酶解法获得单个心房肌细胞,通过全细胞膜片钳的电流钳技术记录单个心房肌细胞的动作电位。在以往报道的Ramirez-Nattel-Courtemanche犬心房肌细胞模型（RNC模型）的基础上,根据相关文献报道的膜片钳数据,以非线性微分方程对主要离子流(ICaL,IKl,IKr,IKs,Ito和IKur)进行重新仿真。然后将仿真的离子流与RNC模型相结合,以构建犬左心房心肌细胞的计算机仿真模型。最后将模型仿真的动作电位与实验记录到的动作电位相对比,并检测其频率依赖性。结果:单个左心房心肌细胞的平均静息电位为-74.2±1.1mV,超射值为45.8±3.0mV,APD90为167.3±3.1ms（14个细胞,来自10只犬）。根据犬左心房心肌细胞的膜片钳数据重新仿真的Ikl,IKur,Ikr与RNC模型有较大差别。新建细胞模型动作电位的静息电位较原模型高（-74.3mV vs-84mV）,动作电位时程短于原模型(APD90 166.5ms vs 172ms),超射值与原模型相类似,符合犬左心房心肌细胞动作电位的特点。细胞模型的动作电位形态也与我们记录到的单细胞动作电位基本一致,并具有较好的频率依赖性。结论:我们根据犬左心房心肌细胞膜片钳数据构建的细胞模型较现有模型更符合犬左心房细胞的电生理特性,为进一步仿真研究心房颤动的机制打下了良好的基础。第二部分犬心房的增龄性改变背景:心房颤动（房颤）是最常见的心律失常之一,尤其多见于老年人群,房颤的发生与年龄密切相关。多项流行病学研究也已经证实,年龄本身就是房颤的独立危险因素。增龄所导致的心房组织自身的病理变化,如心肌电生理特性的增龄性变化,与衰老有关的心房纤维化、脂肪浸润等退行性改变,炎症、坏死等病理改变均可能是导致房颤的病理基础。虽然近年来,一些学者已经初步探讨了增龄对心房结构和电生理特性的影响,并取得了一些成果,但仍有很多问题等待我们去解答。目的:研究增龄对犬心房离子通道、缝隙连接蛋白以及病理学的重构作用,以探讨年龄相关性房颤的发病机制。方法:将8只成年（1-4岁）及5只老年（＞8岁）杂种犬分为成年组与老年组。分离左右心房心肌细胞后,采用全细胞膜片钳技术,记录L型钙通道电流(ICaL)和瞬时外向钾电流(Ito)。然后分别取两组犬的左、右心耳组织,用免疫荧光共聚焦显微镜观察缝隙连接蛋白40（Cx40）和缝隙连接蛋白43（Cx43）的表达和分布。最后,通过对组织切片的病理染色（H.E染色和Masson’s染色）,观察两组犬心房组织的脂肪浸润、纤维增生和炎症细胞浸润的情况。结果:全细胞膜片钳结果显示,增龄减少了老年犬心房心肌细胞的ICaL,这种改变在左心房更为显著。各组细胞间ICaL的动力学参数并未发现显著差异。增龄增加了右心房心肌细胞的Ito,但对左心房心肌细胞的Ito却无明显影响。通过激光共聚焦显微镜,我们观察到Cx40和Cx43的表达和分布在两组犬的左、右心房肌之间无显著性差异。病理学检查显示,老年犬的心房组织存在明显的脂肪浸润以及纤维组织增生,而这些现象在成年犬的心房组织中并不明显。两组犬心房组织中均未发现明显的炎症细胞浸润。结论:我们的研究结果显示增龄引起了IcaL和Ito离子通道的重构,而且这种重构作用在左右心房并不一致。增龄并未对Cx40和Cx43的表达和分布产生影响。老年犬的心房组织中出现了明显的脂肪浸润和纤维增生。这些与增龄相关的电生理和结构的改变可能是老年患者容易发生房颤的潜在机制。第三部分增龄性电重构对犬心房肌电生理特性的影响:一项仿真研究背景:增龄是房颤的独立危险因素。既往的研究已经证明,增龄可以引起心房肌细胞离子通道的重构、动作电位形态的改变、缝隙连接蛋白的再分布以及纤维增生、脂肪浸润等病理改变。在体的宏观标测研究也已证明增龄可以引起心房传导速度减小、碎裂电位区域增多等改变。面对如此众多的与房颤相关的病理改变,究竟那一种因素是致房颤的“罪犯机制”?我们应该重点针对哪一种因素进行干预以减少房颤的发生?常规的实验手段很难回答上述问题。而利用计算机仿真技术可以逐一分析比较各种因素所导致的宏观改变,从而寻找增龄相关性房颤的主要病理机制。目的:在我们实验数据的基础上,利用计算机仿真技术探讨增龄性电重构对犬左心房心肌细胞电生理特性的影响。方法:首先在我们构建的正常犬左心房心肌细胞模型的基础上,根据膜片钳实验数据,构建老年犬左心房心肌细胞模型。而后分别在成年犬与老年犬细胞模型上测量动作电位整复曲线（APDR）的斜率,并进行比较。在一维传导模型的仿真研究中,我们分别将20个成年犬及老年犬左心房的心肌细胞模型连接在一起,测量其传导速度以及传导的整复特性。结果:与正常细胞模型相比,老年犬左心房心肌细胞模型的动作电位时程明显缩短,平台期的高度也明显下降,动作电位的频率适应性明显降低,而静息电位以及超射值的变化并不明显,细胞的除极速度也未发现明显改变。老年犬左心房细胞模型APDR曲线的斜率明显小于正常犬（0.42 vs 0.16）。在正常情况下,两组的传导速度无明显差异,但当刺激周长逐渐缩短时,老年犬的一维模型先出现了传导缓慢,其发生传导缓慢的时间窗明显长于正常犬。传导的整复特性在两组间无显著差异。结论:我们的仿真研究显示增龄性离子通道重构导致了心肌细胞频率适应性的下降,动作电位整复曲线斜率的减小以及缓慢传导时间窗的增加。但对正常情况下的传导速度以及传导的整复性影响不大。上述这些电生理特性的改变可能是老年相关性房颤的潜在机制之一。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• 英文摘要（Abstract）
• 前言
• 第一部分 犬左心房心肌细胞动作电位离子通道模型的建立
• 导言
• 材料与方法
• 实验结果
• 讨论
• 小结
• 参考文献
• 第二部分 犬心房的增龄性改变
• 导言
• 材料与方法
• 结果
• 讨论
• 小结
• 参考文献
• 第三部分 增龄性电重构对犬心房肌电生理特性的影响:一项仿真研究
• 导言
• 试验方法
• 结果
• 讨论
• 小结
• 参考文献
• 综述1
• 参考文献
• 综述2
• 参考文献
• 个人简历
• 致谢