陳大偉，斯小琴，張季謙

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

If是具有起搏活動的心肌細胞(如浦肯野纖維及竇房結)特有的陽離子流。它是在生理條件下，由Na+及K+介導的內向電流。If的最重要作用在于使竇房結起搏細胞產(chǎn)生自動節(jié)律，保證心臟的節(jié)律性和規(guī)則性跳動[6-7]。If異常將導致發(fā)生心律失常等相關疾病。研究表明可以通過調控If，達到對竇房結起搏激活和節(jié)律的調控[9-11]。

本研究利用Zhang等構建的兔子完整竇房結—心房解剖模型[16]，考察超極化激活起搏電流對竇房結細胞自律性的影響，借助于計算機仿真模擬，主要討論If異常與竇房結功能紊亂的關系以及通過上調If來緩解竇房結緩慢性心律失常動力學行為的影響及調控機理，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

本研究采用Zhang等構建的由竇房結、心房、結締組織等細胞耦合成的二維實驗解剖模型，結合細胞的電生理特征和實驗數(shù)據(jù)進行仿真模擬，每個心肌細胞動作電位的動力學方程為[16]：

(1)

本研究采用模型中所有的電流方程和參數(shù)見文獻[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)密切相關的電導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(單位:us)，[K]e是細胞外鉀離子濃度(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+通道的快失活時間和慢失活時間(單位:ms)，h表示離子通道的失活參數(shù)。

在模擬過程中，本研究選取時間步長為0.05 ms，空間步長為0.04 mm，采用五點差分法對方程(1-9)進行數(shù)值模擬，記錄二維耦合體系中間一條記錄線上各細胞膜電壓的時間序列并進行相關分析。

2 模擬結果

2.1 If異常對竇房結自律性的影響

If是具有起搏活動的心肌細胞特有的陽離子流，其最重要的作用在于使竇房結起搏細胞產(chǎn)生自動節(jié)律，保證心臟的節(jié)律性和規(guī)則性跳動。If異常則會引起竇房結搏動功能紊亂。改變方程(2)中的觀察竇房結起搏的動作電位時間序列圖，并記錄相應的周期(cycle length:CL.兩個連續(xù)起搏動作電位的時間間隔)。模擬發(fā)現(xiàn)，抑制If竇房結起搏活動的周期增大，起搏速率減慢；增大If則竇性心動過速，周期減小，甚至出現(xiàn)心臟驟?，F(xiàn)象。圖1給出了4種不同大小的If電流作用，竇房結起搏活性的運動電位時間序列圖，從圖中可以看出，信號可以從竇房結中心向外圍及心房肌傳導，但起搏電位的周期發(fā)生了變化，甚至出現(xiàn)了傳導阻滯的現(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對細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。鉀離子是細胞內液滲透壓的主要決定因素。血鉀過高會抑制心肌收縮，出現(xiàn)心律緩慢、心律不齊，嚴重時心室顫動、心臟停搏于舒張狀態(tài)等病態(tài)現(xiàn)象。鉀離子濃度升高，也會減弱心肌細胞的興奮性。If對細胞外鉀離子敏感可以說有其重要的生理學意義，如當心肌缺血時，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 動作電位時間序列圖

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

人和哺乳動物心臟受自主神經(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——乙酰膽堿具有減慢心律、降低房室傳導及降低心肌收縮力的作用。ACh降低心律與抑制的If相關。如圖3所示，增大ACh濃度If的幅度反而較小，這表明ACh可以減低竇房結細胞的If。

2.2 上調If對竇房結細胞自律性的調控作用

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，竇房結的起搏功能發(fā)生了變化。雖竇房結向邊緣及心房搏動信號的傳導未有異常，但起搏動作電位振動幅度減弱，且激發(fā)的膜電壓的振動周期也在增大，由正常時的366 ms增大到了418 ms，約14.2%的增幅。但這種異常的搏動行為，本研究通過上調If得到解決，如圖4(A)所示。從第2.5 s開始引入If的調控作用(如圖4(B)所示)，隨著If的增大，振動周期減小，當If增大到原來的1.35倍(即γ=1.35)時，CL=363 ms與正常的振動周期366 ms很接近。

實線為[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隨時間變化示意圖

A：耦合系統(tǒng)的動作電位時間序列圖，B：If時間序列圖。圖4 If對T220I突變竇房結的調節(jié)作用

由此可見，If對竇房結的起搏起重要作用。當If出現(xiàn)異常，竇房結細胞的自律性受到抑制，導致心肌細胞組織產(chǎn)生節(jié)律異常的行為。不僅如此，對一些病變性的緩慢性心律失常又可通過上調If進行調控。

3 討論

心臟興奮刺激來源于竇房結，并經(jīng)結間束傳導至房室結，通過房室結纖維傳導至心室浦氏纖維。心臟興奮起源、傳導等障礙是形成心律失常的基礎[4]。大量的臨床研究發(fā)現(xiàn)，竇房結的異常動力學行為會引起心臟的許多疾病，如竇房結的異常搏動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胞的電生理學特點。能引起這種去極化產(chǎn)生的電流，就是起搏電流[5]。長期以來，不少科研工作者進行了大量的研究，甚至走了彎路。到目前為止，一般認為起搏活動并不是由單一離子流所完成，而是在多個離子流參與下共同形成的，其中的一個重要電流就是超極化激活起搏電流If，它在竇房結起搏細胞4期自動化除極中起重要作用，是竇房結細胞起搏產(chǎn)生自律性的必須離子電流[8]。

If是具有起搏活動的心肌細胞(如浦肯野纖維及竇房結)特有的陽離子流。If異常將導致發(fā)生心律失常等相關疾病。研究表明可以通過調控If來達到對竇房結起搏激活和節(jié)律的調控[9-11]。隨著研究的不斷深入，許多科研小組陸續(xù)報道了一些相關的成果。例如Brown等[12]首次提出起搏電流參與引起動作電位舒張期除極；DiFrancesco實驗[13]認為If是竇房結細胞的主要起搏離子流；Barbuti等[14]通過膜片鉗等技術描述了鼠胚胎干細胞分化的心臟起搏細胞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對竇房結起搏的影響。這些報道的結果，使人們對If有了定性的理解，并可以從中獲得一些有價值的信息。

本研究利用Zhang等[15]構建的兔子完整心臟模型作為研究對象，通過計算機仿真模擬，主要研究了超極化激活起搏電流對竇房結細胞自律性的影響。模擬結果發(fā)現(xiàn)超極化激活起搏電流異常與竇房結功能紊亂密切相關。異常的If則可能會誘發(fā)竇性心動過速、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，對某些病變性的緩慢性心律失常通過上調If可進行調控，如在鈉通道基因突變情況下增大If可有效的恢復竇房結起搏活性。這些結果表明If對竇房結細胞自律性有重要影響和調控作用,這將有助于揭示臨床醫(yī)學上心律失常的生物起搏器治療的內在機制，為進一步進行心律異常的實驗研究與臨床診斷和預防提供一定的科學依據(jù)。