研究建立心房肌細(xì)胞鈣濃度數(shù)學(xué)模型

日期：2012-02-20 08:51:50

我們的心跳實(shí)際上是由上百萬個肌肉細(xì)胞協(xié)調(diào)行動的結(jié)果。大多數(shù)時候，只有大的心室的肌肉細(xì)胞收縮和放松。但是當(dāng)心臟需要加強(qiáng)工作時，它還要依靠小心房深處的心房肌細(xì)胞。

這些高性能的心房細(xì)胞的健康依賴于特定的細(xì)胞內(nèi)鈣濃度。如今，諾丁漢大學(xué)的科學(xué)家們第一次建立了一個關(guān)于心房肌細(xì)胞鈣濃度的數(shù)學(xué)模型，以提高我們治療心臟病和中風(fēng)的機(jī)會。科學(xué)家們利用這個技術(shù)突破了以往的成像技術(shù)，成果發(fā)表在美國《國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。

數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院的應(yīng)用數(shù)學(xué)講師Rüdiger Thul博士說：“這個新模型提供了對亞細(xì)胞鈣信號的產(chǎn)生和發(fā)展的臨床相關(guān)見解。由此，我們首次對整個心房肌細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞特性操控，以降低導(dǎo)致異常的可能性。針對可能導(dǎo)致血栓形成和中風(fēng)的如房顫心臟疾病和不規(guī)則心臟跳動，這有有助于新的治療方法的發(fā)明。

心房驅(qū)血的重要性

人類的心臟在一生中跳動草果一百萬次。心臟的主要作用是泵血。心臟每一次的跳動都牽動其每一個細(xì)胞的收縮，以產(chǎn)生壓力經(jīng)由所有的血管推動血液向全身流動。

大多數(shù)的肌細(xì)胞都圍繞在心臟的心室和心房周圍。在休息放松的時候，心室主要負(fù)責(zé)收縮心臟。當(dāng)需要迅速泵血時，比方說運(yùn)動的時候，小一些的心房也參與到收縮中。這就是心房驅(qū)血。

當(dāng)我們年長后，或者心臟出了問題，比如心房顫動，心房肌細(xì)胞開始破損。結(jié)果導(dǎo)致我們失去對心房驅(qū)血的支持。心房顫動會形成最常見形式的心律失常，即心臟跳動不規(guī)則。

鈣對心臟保健的作用

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鈣濃度在精心編排下顯示在細(xì)胞不同部位的濃度值，以引發(fā)心房肌細(xì)胞收縮。這與心室細(xì)胞不同。整個心室細(xì)胞的鈣濃度幾乎完全一致。

為了全面了解心房鈣動態(tài)，我們需要監(jiān)控整個心房細(xì)胞。然而這連當(dāng)前最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)都達(dá)不到。細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)操作通常干擾多個細(xì)胞控制機(jī)制，導(dǎo)致對不同路徑進(jìn)行分別研究更加困難。所以，建立一個表現(xiàn)心房細(xì)胞特性的尖端模型，對我們的研究至關(guān)重要。

新的數(shù)學(xué)模型拯救生命 Thul博士說：“我們模型的優(yōu)勢是我們可以同時研究貫穿這個體積的心房肌細(xì)胞的鈣離子濃度。這將更加深入地探討與健康和病理條件相關(guān)的時空鈣模式。同時，我們可以有選擇地激活，停用，超過或低于明示細(xì)胞特性，看看它們是如何形成鈣模式。因此，我們可以推斷在何種條件下會產(chǎn)生異常并可能導(dǎo)致疾病，如心房顫動。重要的是要記住，無論采用何種藥物治療，它只在單細(xì)胞水平發(fā)揮作用。器官的反應(yīng)總是導(dǎo)致其細(xì)胞成分的相互作用。展望未來心房顫動等心臟病癥的治療，心房細(xì)胞的全三維模型為新藥物提供了一個理想的試驗(yàn)場。”