超极化激活起搏电流对窦房结自律性影响的仿真研究

陈大伟，斯小琴，张季谦

窦房结(sinoatrial node,SAN)是人类及哺乳动物心脏最主要的起搏器，是心脏的一级起搏点，它位于上腔静脉和右心房的交界处，是主导心脏自律性的细胞，控制着整个心脏的兴奋和收缩过程[1-3]。

If是具有起搏活动的心肌细胞(如浦肯野纤维及窦房结)特有的阳离子流。它是在生理条件下，由Na+及K+介导的内向电流。If的最重要作用在于使窦房结起搏细胞产生自动节律，保证心脏的节律性和规则性跳动[6-7]。If异常将导致发生心律失常等相关疾病。研究表明可以通过调控If，达到对窦房结起搏激活和节律的调控[9-11]。

本研究利用Zhang等构建的兔子完整窦房结—心房解剖模型[16]，考察超极化激活起搏电流对窦房结细胞自律性的影响，借助于计算机仿真模拟，主要讨论If异常与窦房结功能紊乱的关系以及通过上调If来缓解窦房结缓慢性心律失常动力学行为的影响及调控机理，现报道如下。

1 资料与方法

本研究采用Zhang等构建的由窦房结、心房、结缔组织等细胞耦合成的二维实验解剖模型，结合细胞的电生理特征和实验数据进行仿真模拟，每个心肌细胞动作电位的动力学方程为[16]：

(1)

本研究采用模型中所有的电流方程和参数见文献[16-17]。电流If满足的方程如下：

If=γ·[gf,Na·y(V-ENa)+gf,K·y(V-Ek)]

(2)

其中γ为描述If变化的倍数因子，EK为K+的平衡电位(单位:mV)，y为活化参数。

电流IK,ACh中含有与乙酰胆碱(acetylcholine, Ach)密切相关的电导gK,ACh，满足的方程描述如下：

(3)

(4)

(5)

[ACh]表示乙酰胆碱浓度(单位:mol·L-1)，gK,ACh是电导(单位:us)，[K]e是细胞外钾离子浓度(单位:mmol·L-1)，nx为希尔系数。其中[ACh]的初始值设置为常数1.0×10-7mol·L-1。

电流INa满足的方程为：

(6)

5.977×10-4)

(7)

3.556×10-3)

(8)

(9)

其中μ为描述钠通道基因突变的倍数因子，τh1和τh2分别为Na+通道的快失活时间和慢失活时间(单位:ms)，h表示离子通道的失活参数。

在模拟过程中，本研究选取时间步长为0.05 ms，空间步长为0.04 mm，采用五点差分法对方程(1-9)进行数值模拟，记录二维耦合体系中间一条记录线上各细胞膜电压的时间序列并进行相关分析。

2 模拟结果

2.1 If异常对窦房结自律性的影响

If是具有起搏活动的心肌细胞特有的阳离子流，其最重要的作用在于使窦房结起搏细胞产生自动节律，保证心脏的节律性和规则性跳动。If异常则会引起窦房结搏动功能紊乱。改变方程(2)中的观察窦房结起搏的动作电位时间序列图，并记录相应的周期(cycle length:CL.两个连续起搏动作电位的时间间隔)。模拟发现，抑制If窦房结起搏活动的周期增大，起搏速率减慢；增大If则窦性心动过速，周期减小，甚至出现心脏骤停现象。图1给出了4种不同大小的If电流作用，窦房结起搏活性的运动电位时间序列图，从图中可以看出，信号可以从窦房结中心向外围及心房肌传导，但起搏电位的周期发生了变化，甚至出现了传导阻滞的现象。图1中A到D的周期CL分别为440 ms、366 ms、308 ms和∞。

另外，模拟中还发现If对细胞外钾离子非常敏感，钾离子浓度降低可引起If电流幅度的显著减小，如图2所示。钾离子是细胞内液渗透压的主要决定因素。血钾过高会抑制心肌收缩，出现心律缓慢、心律不齐，严重时心室颤动、心脏停搏于舒张状态等病态现象。钾离子浓度升高，也会减弱心肌细胞的兴奋性。If对细胞外钾离子敏感可以说有其重要的生理学意义，如当心肌缺血时，If增大可改变心肌的兴奋性。

A：γ=0.6，B：γ=1.0，C：γ=1.6，D：γ=2.1。图1 动作电位时间序列图

实线为[K+]e=5.4 mol·L-1，虚线为[K+]e=3.0 mmol·L-1。图2 不同细胞外钾离子浓度作用，If随时间变化示意图

人和哺乳动物心脏受自主神经系统的交感神经和副交感神经分支的支配，由副交感神经释放的一种递质——乙酰胆碱具有减慢心律、降低房室传导及降低心肌收缩力的作用。ACh降低心律与抑制的If相关。如图3所示，增大ACh浓度If的幅度反而较小，这表明ACh可以减低窦房结细胞的If。

2.2 上调If对窦房结细胞自律性的调控作用

本研究引入钠通道基因突变，考察T220I突变，其公式(6-9)部分参数设置如下[17-18]：

μ=0.62,Sτh1=2.51,Sτh2=3.28,Sh=0.049

模拟发现，由于钠电流、活化参数及失活参数由于突变而被改变后，窦房结的起搏功能发生了变化。虽窦房结向边缘及心房搏动信号的传导未有异常，但起搏动作电位振动幅度减弱，且激发的膜电压的振动周期也在增大，由正常时的366 ms增大到了418 ms，约14.2%的增幅。但这种异常的搏动行为，本研究通过上调If得到解决，如图4(A)所示。从第2.5 s开始引入If的调控作用(如图4(B)所示)，随着If的增大，振动周期减小，当If增大到原来的1.35倍(即γ=1.35)时，CL=363 ms与正常的振动周期366 ms很接近。

实线为[ACh]=1.0×10-7 mol·L-1，虚线为[ACh]=1.5×10-7 mol·L-1。图3 不同ACh浓度作用，If随时间变化示意图

A：耦合系统的动作电位时间序列图，B：If时间序列图。图4 If对T220I突变窦房结的调节作用

由此可见，If对窦房结的起搏起重要作用。当If出现异常，窦房结细胞的自律性受到抑制，导致心肌细胞组织产生节律异常的行为。不仅如此，对一些病变性的缓慢性心律失常又可通过上调If进行调控。

3 讨论

心脏兴奋刺激来源于窦房结，并经结间束传导至房室结，通过房室结纤维传导至心室浦氏纤维。心脏兴奋起源、传导等障碍是形成心律失常的基础[4]。大量的临床研究发现，窦房结的异常动力学行为会引起心脏的许多疾病，如窦房结的异常搏动所引起的心律失常是造成心脏猝死的主要原因之一[2]。

舒张期去极化是起搏细胞的电生理学特点。能引起这种去极化产生的电流，就是起搏电流[5]。长期以来，不少科研工作者进行了大量的研究，甚至走了弯路。到目前为止，一般认为起搏活动并不是由单一离子流所完成，而是在多个离子流参与下共同形成的，其中的一个重要电流就是超极化激活起搏电流If，它在窦房结起搏细胞4期自动化除极中起重要作用，是窦房结细胞起搏产生自律性的必须离子电流[8]。

If是具有起搏活动的心肌细胞(如浦肯野纤维及窦房结)特有的阳离子流。If异常将导致发生心律失常等相关疾病。研究表明可以通过调控If来达到对窦房结起搏激活和节律的调控[9-11]。随着研究的不断深入，许多科研小组陆续报道了一些相关的成果。例如Brown等[12]首次提出起搏电流参与引起动作电位舒张期除极；DiFrancesco实验[13]认为If是窦房结细胞的主要起搏离子流；Barbuti等[14]通过膜片钳等技术描述了鼠胚胎干细胞分化的心脏起搏细胞If的分子组成和功能特性。Zhang等[15]在一些模型中模拟了IK,ACh、ICa,L和If对窦房结起搏的影响。这些报道的结果，使人们对If有了定性的理解，并可以从中获得一些有价值的信息。

本研究利用Zhang等[15]构建的兔子完整心脏模型作为研究对象，通过计算机仿真模拟，主要研究了超极化激活起搏电流对窦房结细胞自律性的影响。模拟结果发现超极化激活起搏电流异常与窦房结功能紊乱密切相关。异常的If则可能会诱发窦性心动过速、心律过缓、心律不齐等心律失常甚至猝死等病态现象。另外，对某些病变性的缓慢性心律失常通过上调If可进行调控，如在钠通道基因突变情况下增大If可有效的恢复窦房结起搏活性。这些结果表明If对窦房结细胞自律性有重要影响和调控作用,这将有助于揭示临床医学上心律失常的生物起搏器治疗的内在机制，为进一步进行心律异常的实验研究与临床诊断和预防提供一定的科学依据。