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        電磁效應(yīng)對心肌細(xì)胞搏動行為的影響

        2020-03-17 10:08:30蘆珺

        蘆珺

        【摘?要】本文以竇房結(jié)心肌細(xì)胞模型為研究對象,在離子通道上引入磁控憶阻器模型,構(gòu)建細(xì)胞內(nèi)電荷和磁通量之間的非線性關(guān)系,以此表征細(xì)胞內(nèi)外離子交換誘發(fā)的電磁感應(yīng)效應(yīng),研究電磁效應(yīng)對細(xì)胞動力學(xué)行為的影響,通過對 Zhang 等人構(gòu)建的完整兔子心臟模型進(jìn)行改進(jìn),討論電磁輻射作用對心肌細(xì)胞體系動力學(xué)行為的影響。有助于分析和預(yù)測在復(fù)雜電磁環(huán)境下,外部刺激對其動力學(xué)行為的影響和調(diào)控,為揭示心律失常、心臟離子通道疾病的內(nèi)在規(guī)律提供新的研究思路。

        【關(guān)鍵詞】竇房結(jié),電磁輻射,刺激,憶阻突觸

        眾所周知,心臟的自律性來源于心臟內(nèi)特殊的自律細(xì)胞—竇房結(jié)細(xì)胞. 心臟的節(jié)律活動受到竇房結(jié)的控制,早在80年,人們就首次建立了兔子竇房結(jié)細(xì)胞的數(shù)學(xué)模型來描述心肌細(xì)胞的膜電活動[1],后來Noble等人進(jìn)行了修正[2].近年來,曼徹斯特大學(xué)的張恒貴領(lǐng)導(dǎo)的生物物理中心,在實驗的基礎(chǔ)上考慮了迷走神經(jīng)對心臟活動的影響,在從心臟系統(tǒng)亞細(xì)胞級到整個器官級等多維結(jié)構(gòu)生物建模與計算方面的研究取得了較大的進(jìn)展,建立了許多哺乳動物竇房結(jié)細(xì)胞的實驗?zāi)P蚚3,4]. 從以上結(jié)果可以看出,人們從實驗和理論角度,利用不同的模型從對心臟中竇房結(jié)細(xì)胞的動力學(xué)過程進(jìn)行了研究,但是,到目前為止,人們在研究細(xì)胞模型時,較多的是考察通道電流和外界電刺激引起的膜電位的產(chǎn)生及波動情況,較少涉及細(xì)胞內(nèi)部電磁感應(yīng)作用以及外部電磁輻射的調(diào)控作用[6],為了進(jìn)一步研究生物網(wǎng)絡(luò)中存在的電磁場作用,人們將新型電子元件憶阻器引入到生物系統(tǒng)中,圍繞憶阻器與細(xì)胞模型構(gòu)建新的生物模型。在本文中,為考察電磁輻射對心肌細(xì)胞起搏行為的影響,我們基于Luo-Rudy(LR)模型,并在張恒貴等人構(gòu)建的兔子竇房結(jié)-心肌完整的動作電位模型的基礎(chǔ)上[4],借助于三次磁控憶阻器模型,將電磁輻射的作用引入到心肌竇房結(jié)細(xì)胞體系中,構(gòu)建了電磁輻射下竇房結(jié)-心肌動作電位模型耦合體系,并利用此體系研究了電磁輻射對竇房結(jié)起搏行為的影響及調(diào)控作用。

        1?模型描述與方法

        隨著實驗技術(shù)的不斷進(jìn)步,Zhang等人在2000年建立較為完整的兔子竇房結(jié)-心房二維組織結(jié)構(gòu)模型,能較好地描述竇房結(jié)組織細(xì)胞的起搏行為[4]。單個細(xì)胞動力學(xué)行為滿足如下:

        其中,V代表膜電壓,Cm是膜電容。參照以往文獻(xiàn)[6,7]的方法,我們引入一個新增變量磁通量來考察電磁輻射的作用。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知,利用等效感應(yīng)電流i 來近似表征感應(yīng)電動勢的作用,結(jié)合憶阻器的定義,附加在細(xì)胞膜離子通道上的感應(yīng)電流i可表示為:

        考慮電磁感應(yīng)對細(xì)胞的作用后,我們將上述模型方程(1a)改進(jìn)為兩變量方程:

        其中,表示穿過細(xì)胞膜的磁通,是三次磁控憶阻器的電導(dǎo)[6],用來描述磁通量和膜電位之間的作用,滿足,,為相對應(yīng)的參數(shù)[23]。參數(shù),和分別表示磁通和膜電位的相互作用且與介質(zhì)相關(guān)的參數(shù)。細(xì)胞離子通道上電荷定向移動而產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象,從而調(diào)制其搏動節(jié)律并影響動作電位。分別將中心竇房結(jié)SANC、邊緣竇房結(jié)SANP到心房Atrium等細(xì)胞按生理結(jié)構(gòu)順序依次排列,記錄其放電規(guī)律。

        2?結(jié)果與討論

        取=0.01,=0.01,=0.8,取電磁感應(yīng)參數(shù)的值為0.005和0.0095。從圖a模擬結(jié)果可以看出,動作電位先從中心竇房結(jié)處產(chǎn)生然后傳播至邊緣竇房結(jié)以及心房區(qū)域,該振動過程可以持續(xù)進(jìn)行,記錄細(xì)胞起搏周期CL=377ms,與正常值相符,這表明在適當(dāng)?shù)膬?nèi)部電磁輻射下,竇房心肌細(xì)胞能夠維持正常的起搏過程。當(dāng)增大電磁感應(yīng)參數(shù)=0.0095時,圖b可以看到,竇房結(jié)仍可產(chǎn)生起搏過程并持續(xù)向外傳遞,不過,這種電信號的傳遞無法持續(xù),一段時間后出現(xiàn)時間上的死振。

        3?結(jié)?論

        綜上所述,在兔子二維竇房結(jié)-心房結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上,引入三次磁控憶阻器對原模型中細(xì)胞方程加以改造,從而將電磁輻射的作用效果疊加到細(xì)胞體系中。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),電磁作用對竇房結(jié)體系的起搏周期有一定的影響,正常心肌細(xì)胞中存在在一定范圍的電感效應(yīng)。而當(dāng)通道上離子流動過快從而導(dǎo)致過大的電磁感應(yīng)效應(yīng)時,體系內(nèi)出現(xiàn)了死振的現(xiàn)象,這表明細(xì)胞離子通道上離子的定向移動導(dǎo)致的感應(yīng)電流會引起一定程度的竇性過速和房顫等癥狀,嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致心臟停跳,這將有助于進(jìn)一步了解電磁輻射的生物效應(yīng)的作用機理,以及對心臟竇房結(jié)體系的動力學(xué)行為進(jìn)行實驗研究和臨床診斷提供一定的理論依據(jù)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]Clancy CE,Rudy Y. Linking a genetic defect to its cellular phenotype in a cardiac arrhythmia. Nature,1999,400:566-569.

        [2]Hodgkin AL,Huxley AF. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J Physiol,1952,117:500-544.

        [3]Zhang HG,Holden AV,Noble D,Boyett MR,Analysis of the Chronotropic Effect of Acetylcholine on Sinoatrial Node Cells. J of Cardiovascular Electrophysiology,2002,13:H465-474.

        [4]Zhang HG,Holden AV,Kodama I,Honjo H,et al,Mathematical models of action potentials in the periphery and center of the rabbit sinoatrial node.Am J Physiol Heart Circ Physiol 2000,279:H397-421.

        [5]J.Ma,Y.Wang,C.Wang,et al,Mode selection in electrical activities of myocardial cell exposed to electromagnetic radiation. Chaos,Solitons & Fractals,2017,99:219–225.

        基金項目:

        皖南醫(yī)學(xué)院中青年科研基金(WK201923)。

        (作者單位:皖南醫(yī)學(xué)院公共基礎(chǔ)學(xué)院)

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