钙激活钾电流对衰竭心肌细胞室性复极的体内建模与验证

2025-09-18 Thu
心力衰竭心室肌细胞中钙激活钾通道（SK通道）对复极过程的影响——基于计算建模的研究研究背景与学术意义心力衰竭（heart failure, HF）是一种严重且常见的心脏疾病，其特征为心脏电生理和收缩功能的全面恶化。这种病理状态不仅导致心脏泵血功能减弱，不能满足机体的生理和代谢需求，还常常伴随其他代谢性或心脏性疾病，其中以房颤（atrial fibrillation, AF）最为常见。值得注意的是，房颤若并存于射血分数降低型心力衰竭患者中，会进一步提升死亡风险。因此，深入理解心力衰竭状态下心脏电生理特性及其调控机制，对于降低患者致死性心律失常风险、改进治疗策略具有重要意义。
在心脏电生理研究中，小电导钙激活钾通道（small conductance calcium-activated potassium channels, SK通道）近年来受到越来越多关注。SK通道是钾选择性离子通道家族中的一员，从机制看，它不具备电压传感器，仅受细胞内钙离子浓度调控。SK通道广泛表达于人类心房和心室，但其生理及病理作用尚未被完全阐明。已有研究证实，在健康心脏组织中SK通道处于“休眠”状态，而在各种心脏疾病（如心力衰竭、房颤）状态下则被上调（即表达量升高及钙敏感性增强），显示其在疾病中的特殊作用。例如文献报道，阻断SK通道在心力衰竭条件下可延长心室动作电位时程（action potential duration, APD），但在健康条件下则无明显影响。上述发现提示，病理情况下SK通道的上调可能是应对复极储备降低的一种适应性调节机制，用于缩短APD，以恢复心脏电稳定性。然而，SK通道对心力衰竭相关心律失常的促进性或抑制性作用仍不清楚，这正是当前基础和临床心电研究的关键难题之一。
传统实验手段（如膜片钳技术）揭示了部分机制，但受制于样本数量、疾病模型建立难度等，难以全面了解SK通道在心力衰竭中的作用。为此，基于计算仿真（in silico models）的全定量建模成为当前热点，可在细胞到组织层面模拟心脏动作电位动力学，揭示各种离子流变化如何导致心律失常发生。特别是针对心力衰竭人类心室肌细胞的电生理模型，尽管已有许多特异性模型，但以往模型多未显式纳入SK电流机制。因此，对SK通道的量化描述和验证，对推动心力衰竭电重构机制研究具有重要突破意义。
论文来源、作者及发表信息本研究论文题为《In silico modeling and validation of the effect of calcium-activated potassium current on ventricular repolarization in failing myocytes》，作者包括 Marta Gómez、Jesús Carro、Esther Pueyo、Alba Pérez、Aída Oliván 和 Violeta Monasterio。主要研究团队分别来自西班牙 Universidad San Jorge 的 Computing for Medical and Biological Applications Group，以及 Zaragoza 大学 Aragón Institute of Engineering Research (I3A)、IIS Aragón、CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina 等科研机构。论文发表于 IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics （第29卷，第9期，2025年9月），具有丰富的实验和计算背景，并获得了西班牙多项科研基金支持（MICIU/AEI、ERDF/EU、Gobierno de Aragón 等）。
研究流程与方法详述1. 实验数据收集与整理论文首先收集和整理了目前人类心力衰竭心室肌细胞中SK通道调控相关的唯一两组实验数据，分别用于模型构建与参数校准：
a) 阻断组（Blockade Dataset, BD）该数据来自 Bonilla 等人在 2014 年发表的工作。实验对象为左心室中层心肌细胞（n=7），来源于晚期心力衰竭患者。通过膜片钳技术记录在不同心率（0.5、1、2 Hz）下，应用SK通道特异性阻断剂apamin后动作电位时程变化（APD50和APD90）。其中三个细胞因药物处理后发生晚期第三期早后去极（EADs）而被排除分析。数据证明SK通道阻断会明显延长APD。
b) 激活组（Activation Dataset, AD）第二组数据包含来自心衰患者左心室瓣膜肌和心室内膜组织。由经验丰富的心外科医生完成取材，涉及3例中层心肌和23例心室内膜样本。组织切片（350 μm厚度）使用SK通道激活剂ska-31，并通过光学电压成像测定在不同心率下的APD80变化。详细溶液成分、染料等均有减述，体现了严谨的实验设计。
上述两个数据集分别为SK通道阻断和激活提供了实验“基线”和“效应参考”，是本研究模型校准的核心依据。
2. 基线细胞模型选择与优化研究采用 O’Hara 等人开发的 ORD 模型（O’Hara-Rudy human ventricular cell model），作为健康心室肌细胞电生理模型标准。其快速钠电流（INa）部分根据 Ten Tusscher 等模型做改动，以避免心电信号传播失败。针对心力衰竭状态，选用 ORDMM模型（Mora等开发），在原始 ORD 模型基础上通过修正各离子流通道最大电导和时间常数来表达心力衰竭表型，包括钙离子瞬变及动态异常。通过参数调整实现心力衰竭下心室细胞异质性（包括内膜、中层、外膜三类模型），同时预留接口用于SK通道机制的嵌入。
3. SK电流（ISK）建模与参数校准对SK电流的数量化描述，采用 Landaw 等人提出的ISK公式作为起点：
ISK = GSK * XSK * (V - EK)
XSK 为激活门控变量；其动力学由钙敏感性（KD）和协同参数（n）决定，模型依据人类心衰实验调整为KD=0.345μM，n=3.14，完全体现心衰状态下SK通道钙敏感性增强特点。
激活时间常数（τSK）参数也基于实验数据修正。
具体建模过程中，SK通道被设定感受来自亚膜下空间的钙信号，基于理论和实验证据（SK通道与 L型钙通道（ICa,L）在膜下区共定位）。
a) 中层心肌细胞电导（GSK）优化通过仿真SK通道阻断实验（即GSK=0），比较模型与BD实验数据在各心率下APD50、APD90的变化。采用 Brent’s算法进行最优参数搜索，使模拟结果与实验数据的相对变化（R值）误差最小。最终确定GSK=4.288μS/μF。
b) 内膜、外膜心肌细胞电导调整对内膜与外膜心肌模型，考虑到SK通道表达在不同层次分布异质性，参考文献与实验数据，将两层电导均调整为中层的1.5倍左右（GSK=6.4μS/μF）。对ska-31激活情况，统一通过GSK上调（激活程度为165%），再次比对AD实验数据验证模型可靠性。
4. 组织层次纤维模型与多尺度仿真进一步构建了一维（1D）心室跨膜纤维模型，对比正常、心衰、心衰+SK通道阻断三种情形。纤维长度1.7cm，分别由内膜、中层、外膜细胞组成。模型离散步长0.01cm，扩散系数按组织健康与病变状态分别设定（0.06 mm²/ms和0.03 mm²/ms），以保证电信号传播速度的生理真实性（分别为50cm/s和22.5cm/s）。
关键评估指标包括：
- 跨膜复极离散度（TDR）
- QT间期（通过伪ECG计算）
5. 数值仿真方法单细胞仿真采用 DENIS 软件（基于CellML标准），纤维组织层仿真则使用FORTRAN实现的 Elvira 软件，均采用欧拉前进（Forward Euler）方法，时间步长0.002ms。刺激方式为双极/单极电流脉冲，所有模型均预激发600周期以达稳态，然后取后20周期分析。
研究结果详细报告1. 模型优化与实验数据对比a) 中层心肌模型表现新优化ORDMM-SK模型，其GSK参数经过严谨校准后，能准确复现实验SK通道阻断下APD50、APD90延长效应（分别23%和21%，与实验22%和24%接近）。在更大样本独立实验（AD-mid）中，不同频率下模型APD80均落在实验分布区间。这印证了模型在模拟心力衰竭状态下SK通道动力学及药物干预效应的现实性。在慢速起搏（0.5Hz）下进一步进行离子流敏感性分析，发现SK阻断后IKr减少、INaL和ICaL增强能导致早后去极（EADs），与实验观察一致。
b) 内膜心肌模型表现通过参数搜索，最终确定内膜模型GSK为6.471μS/μF，能在多频率下模拟AD-endo实验APD80分布。ska-31激活情况下，采取165%电导上调，不同频率下APD缩短效果良好地与独立实验数据一一对应。
2. 组织层次效应：复极异质性及QT间期在跨层纤维仿真中，心力衰竭状态（FC）增加了TDR和QT间期，而SK通道阻断（FCB）更进一步显著提升这两个心律失常指标。这意味着心力衰竭下，SK通道的表达及其功能对于防止心室电活动高度异质和QT间期延长（两者均为恶性心律失常的前驱因子）至关重要。
论文结论、科学价值与应用意义通过本项研究，作者首次明确建立并验证了人类心力衰竭心室肌细胞中SK通道的定量动力学模型，并对其跨细胞/组织层面的药理调控效应进行了系统分析。主要结论如下：
SK通道在心力衰竭心室肌细胞中显著上调，具备增强的钙敏感性和较高表达量。
在细胞水平上，阻断SK通道会明显延长APD，尤其是在低频起搏情况下，可诱发EADs（易致心律失常）。
在组织层面，SK通道通过限制复极时间离散与QT间期延长，发挥抗心律失常效应；而其阻断则显著加重这些风险因素。
药理学干预SK通道（如SK阻断或激活剂）需谨慎：SK通道激活可一定程度缩短APD改善复极储备；阻断则可能诱发心衰患者的恶性心律失常。因此SK通道并非单纯适合于房颤治疗的“atria-selective”靶点，其在心室中的作用需兼顾安全性评估。
作者首次提出该类型模型中SK机制的参数如何通过实验数据精准校准，并利用多样化仿真工具（DENIS, Elvira）及算法（Brent’s法），实现心电动力学的多尺度定量还原。
研究亮点与创新特色数据整合严密：首次系统收集整理人类心衰心室肌SK通道相关实验数据，实现真实世界数据驱动模型校正。
多层次建模：从单细胞到组织、纤维跨层，多尺度模拟SK通道动态，揭示离子机制到组织结构如何共同决定心律失常易感性。
参数调控精细：对不同层次心肌细胞异常表达SK通道的现实异质性有针对性调整，体现模型的广泛适用性和解释力。
药理干预模拟：直接仿真药物阻断/激活SK通道的电生理效应，为临床药物筛查和安全性评价提供高效途径。
论文价值与未来展望本研究不仅推动了心力衰竭电生理模型的发展，还为临床药物研发、心律失常机制研究提供了坚实理论基础和仿真工具。未来，研究团队（如引入tor_ord等新型模型，或采用模型群体策略，增进数据泛化性）可进一步扩展模型适用范围，提高预测能力，并结合更多人类实验数据完善SK通道在不同心室细胞亚型中的机制表述。
此外，本研究强调了SK通道作为药物靶点时对心室和心房电活动全局影响的复杂性，为心房选择性药物开发策略的风险评估提供了理论支持。随着计算生物学和心脏电生理数据积累的加速，类似此类研究将不断深化对微观离子机制到宏观心率稳定性的认知，有望推动心力衰竭相关恶性心律失常的精准干预与防治。