單細(xì)胞電生理模擬軟件的開(kāi)發(fā)與動(dòng)作電位的建模與仿真研究.pdf

1、細(xì)胞電活動(dòng)是生命現(xiàn)象的基本特征之一，而離子通道是其物理基礎(chǔ)。因此，研究細(xì)胞興奮性背后的離子通道機(jī)制具有十分重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。許多神經(jīng)系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)的重大病變，比如癲癇、運(yùn)動(dòng)失調(diào)、高血壓、長(zhǎng)QT等，都與離子通道氨基酸序列和結(jié)構(gòu)發(fā)生的改變有關(guān)。嗜鉻細(xì)胞作為一種典型的可興奮性細(xì)胞，在調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物神經(jīng)內(nèi)分泌的過(guò)程中起著重要作用，它上面包含有多種調(diào)節(jié)細(xì)胞興奮性的離子通道。這些通道在動(dòng)作電位的發(fā)放中都起著獨(dú)特而重要的作用，調(diào)節(jié)著動(dòng)作電位的發(fā)放頻

2、率、幅值和半寬。然而，到目前為止，這些通道的調(diào)節(jié)機(jī)制尚不清楚，這影響了人們對(duì)相關(guān)重大疾病的治療和相關(guān)藥物的開(kāi)發(fā)。
　　 本課題以大鼠腎上腺髓質(zhì)嗜鉻細(xì)胞為研究對(duì)象，利用電生理實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬手段，重點(diǎn)考察了Bki、BKS、KV等通道的動(dòng)力學(xué)特性以及Na通道的雙指數(shù)恢復(fù)特性對(duì)嗜鉻細(xì)胞動(dòng)作電位發(fā)放的調(diào)節(jié)作用。
　　 首先，我們自主開(kāi)發(fā)了基于通道蛋白狀態(tài)變構(gòu)模型的單細(xì)胞電生理仿真軟件系統(tǒng)CeL。CeL突破了Hodgkin-

3、Huxley 及其衍生方程（組）無(wú)法描述具有復(fù)雜門(mén)控機(jī)制的通道動(dòng)力學(xué)過(guò)程的瓶頸，用計(jì)算機(jī)數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)這一過(guò)程的模擬，并將多種通道的狀態(tài)變構(gòu)過(guò)程整合到一種或多種細(xì)胞模型，從而同時(shí)完成對(duì)特定通道門(mén)控過(guò)程和由多種通道門(mén)控共同調(diào)節(jié)的細(xì)胞電活動(dòng)的模擬。這種方法是對(duì)生物物理研究領(lǐng)域現(xiàn)有計(jì)算機(jī)仿真手段的一種突破。在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步拓展了CeL的功能，使其能夠完成自動(dòng)創(chuàng)建離子通道狀態(tài)變構(gòu)模型和自動(dòng)處理電生理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的任務(wù)。
　　 自動(dòng)建

4、模系統(tǒng)能夠以最優(yōu)化的算法擬合出任意狀態(tài)變構(gòu)模型，而目前世界范圍內(nèi)的建模還都是人工的。自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理模塊能夠批量自動(dòng)化地處理電生理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而極大地提高數(shù)據(jù)處理的效率，這也是世界首創(chuàng)。
　　 然后，利用CeL的電壓鉗仿真系統(tǒng)，我們分析了大量電壓鉗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并參考相應(yīng)文獻(xiàn)，從而建立了各種通道的狀態(tài)變構(gòu)模型。
　　 最后，利用這些定義精確的通道模型再進(jìn)行全細(xì)胞電活動(dòng)的模擬。通過(guò)模擬不同溶液環(huán)境和阻斷條件下的細(xì)胞動(dòng)作電位，再結(jié)

5、合對(duì)相應(yīng)電流鉗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，我們便能清楚地探究特定通道的各種動(dòng)力學(xué)特性對(duì)動(dòng)作電位各種屬性的調(diào)節(jié)作用。
　　 經(jīng)過(guò)對(duì)模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，我們得出如下結(jié)論：
　　 1、在動(dòng)作電位發(fā)放期間，Bk電流的作用主要發(fā)生在超極化和后超極化階段，而不是快速?gòu)?fù)極化階段；
　　 2、Bki電流的累積失活效應(yīng)只有在內(nèi)Ca濃度較高時(shí)才能表現(xiàn)出來(lái)；在低濃度時(shí)則不明顯。
　　 3、Bki和BKS細(xì)胞動(dòng)作電位發(fā)放形態(tài)截然不同的原因

6、不是由于Bki的失活特性，而是因?yàn)樵诮o定Ca濃度下Bki比BKS更容易激活；
　　 4、嗜鉻細(xì)胞動(dòng)作電位發(fā)放的Ca依賴(lài)性表明嗜鉻細(xì)胞上KV通道的數(shù)量很少，僅夠維持復(fù)極化1個(gè)動(dòng)作電位，過(guò)量的KV通道會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作電位發(fā)放異常；
　　 5、KV電流在動(dòng)作電位發(fā)放的復(fù)極化初期和快速超極化階段起作用。
　　 6、Na 通道的雙指數(shù)恢復(fù)特性有助于維持動(dòng)作電位發(fā)放的頻率和幅值。
　　 綜上所述，本課題的研究清楚地揭示了各