心肌细胞持续性钠电流数学建模与钠离子通道病仿真研究

心脏病是严重威胁人类健康的四大疾病之一，是现代医学中最重要的研究领域之一。随着计算机运算和存储能力的提高以及分子生物学、生化、细胞学、基因工程和解剖学在心脏方面试验数据的丰富和知识的积累，综合运用心脏生理学、数学计算模型，计算技术和虚拟现实技术模拟心脏功能，研究健康和病变情况下作用机制，已经逐渐得到了国内外学术界的认可，形成一个新的学科- - 计算心脏学。本项目拟开展心肌细胞持续性钠电流数学建模与钠离子通道病仿真研究。拟对包括窦房结、心室、心房主要类型心肌细胞在内的健康和基因变异情况下的INaL动力学进行数学建模，结合从细胞到器官多尺度计算模型对心脏电活动进行模拟、仿真，通过模型假设研究，探讨INaL动力学改变对心脏功能的影响，深入发掘Na+离子通道与其通道病之间内在机制。同时，基于本项研究内容，建立具有驾驭式计算功能的虚拟心脏仿真系统，为心脏生理研究提供一个研究手段。

心脏病是严重威胁人类健康的三大疾病之一，是现代医学中最重要的研究领域之一。随着计算机运算和存储能力的提高，综合运用分子生物学、解剖学、生理学、数学等多学科知识，通过计算模型来研究健康和病变情况下心脏生理机制，已经逐渐得到了国内外学术界的认可，形成一个新的学科--计算心脏学。计算心脏模型促进人们对心血管系统规律和本质的认识，深入理解分子水平基因变异、细胞器功能失调与临床观察之间关系。本课题以持续性钠电流为研究对象，建立了持续性钠电流动力学模型。通过模型假设研究，从细胞到器官多尺度探讨持续性钠电流动力学改变对心脏功能的影响，深入发掘Na+离子通道相关的LQT3、Brugada 综合征潜在致病机制。以基于本课题研究为背景，建立了具有驾驭式计算功能的虚拟心肌细胞仿真系统，为心脏生理研究提供一个研究工具。在完成项目研究内容基础上，课题组正将虚拟心脏建模研究从器官级扩展到躯干级，为今后虚拟心脏模型与临床研究紧密结合打下良好研究基础。.课题主要成果如下：..1）建立持续性钠电流动力学模型并将其用于离子通道病相关研究。.2）通过模型假设研究，发现LPC增加心室组织间特异性，降低细胞兴奋性使心室组织的易碎性增加，进而使致命性的折返波自维续时间更长，因此LPC引起的钠离子通道电流动力学改变与心肌缺血导致的致命性心律失常有直接关联。本课题研究的建议是被LPC影响的钠离子通道电流可以作为缓解心肌缺血症状的新药物靶点。.3）.通过模型假设研究，发现E1784K基因突变导致钠离子通道改变不能直接解释其产生LQT3和BrS心电图特征交叠现象。进一步深入模型研究发现：E1784K基因突变导致钠离子通道改变并间接引起Ito或者ICaL重构可以解释LQT3和BrS心电图特征交叠现象。.4）.从数值计算方法和驾驭式计算模型等方面开展驾驭式计算关键技术研究。.5）.开展了基于中国可视化人数据的虚拟心脏构建的关键技术研究。.6）.开发4个用于虚拟心脏仿真与可视化的原型系统。.课题在执行过程中，目前已发表学术论文12篇（全部EI检索或EI源），其中期刊杂志5篇，会议论文7篇。待发表专著1部，获得软件著作权4项。课题组所在实验室目前培养参与本课题工作的博士研究生2名，在读博士研究生4名；培养硕士研究生9名，在读硕士研究生3名。