心肌细胞内螺旋钙波的动力学研究

Calcium spark is the elementary event of calcium induced calcium release in cardiac myocytes. Spiral calcium wave is an abnormal calcium spark propagating signal under pathological conditions, which is related to many heart diseases directly or indirectly. However, to date, the cellular and sub-cellular dynamic mechanism, and the pathological mechanism of spiral waves are still unknown. Our previous work showed that the properties of spiral waves not only depended on the physiological environment of cytoplasm, but also depended on the structure of sarcoplasmic reticulum (SR). In addition, spiral waves were directly related to cardiac pathogenic mechanism such as delayed after-depolarization (DAD). In the proposal, firstly, we will use fluorescence imaging technology to measure the propagating snapshots of spiral waves, and develop a reaction-diffusion dynamic model for spiral waves based on the anomalous diffusion of calcium sparks to investigate the characteristics of spiral waves quantitatively. Secondly, based on the fluorescence recovery after photobleach (FRAP) technology, we will examine the structure of SR, and develop a complex network model to explain the occurred reason of spiral waves on the sub-cellular level. Finally, based on the SR optimize structure by complex network analysis, we will develop a coupling dynamic model of spiral waves in cytoplasm and intra-SR calcium diffusion to investigate their pathological effects on cardiac myocytes quantitatively. Our work will uncover the cellular and sub-cellular dynamic mechanism and pathological mechanism of spiral calcium waves, by experimental measurements, theoretical analysis and numerical simulations. Our work will promote the biomechanics research on calcium signals, and will be significant importance for the diagnosis and prevention of heart diseases.

钙火花是心肌细胞钙致钙释放的基本单位。螺旋钙波是病理状态下钙火花的异常传播信号，与很多心脏疾病有直接或间接的联系。然而，螺旋钙波的细胞和亚细胞动力学机制、病理机制尚未明确。申请人在前期研究中发现，螺旋钙波的性质不仅依赖于细胞质的生理环境，还依赖于肌浆网的结构，而且与去极化延迟等心脏致病机制有直接联系。本项目拟通过荧光成像技术，测得螺旋钙波的传播图像，基于钙火花的反常扩散，建立动力学模型，定量研究螺旋钙波的性质；利用荧光恢复技术，测量肌浆网的亚细胞结构，建立复杂网络模型，解释螺旋钙波发生的亚细胞原因；基于复杂网络优化结构，建立细胞质螺旋钙波及肌浆网内钙离子扩散的耦合动力学模型，定量研究它们对心脏病理的影响。本项目通过实验研究与数值模拟相结合的方法，研究螺旋钙波的细胞和亚细胞动力学机制及其病理机制，不仅对钙信号生物力学的发展和完善有重要的科学意义，而且对诊断、预防心脏疾病有一定的指导意义。

心血管疾病是严重危害人类健康的疾病，具有高患病率、高死亡率等特征，其血流动力学理论机制、心肌细胞钙离子扩散的动力学机制、肌浆网内钙离子输运动力学机制尚未完全明确。同时，增强型体外反博EECP)装置在近代被广泛应用于缺血性心脏病、中风、充血性心力衰竭等疾病的治疗，临床证实可以有效增加冠状动脉血流，但其血流动力学理论机制也尚未明确，关键参数的调节（舒张压/收缩压，D/S）目前只能依靠医生的经验来进行，缺乏理论指导。.利用荧光成像技术和面扫描技术，实验测量了持续性心颤的大鼠心肌细胞中的钙波，钙波事件中大约有15%出现了螺旋钙波现象。同时，基于钙火花的反常扩散模型（分数阶反常扩散阶数为2.25的空间超慢扩散），引入了一个新的变量，雷诺丁受体的开放不应期，模拟了局部的螺旋钙波和钙空穴事件，在波速和振幅方面，都和实验结果保持了高度一致。通过数值模拟，我们发现了螺旋钙波发生的理论条件，即当两个局部钙波的直线距离L与两个钙波的初始相对速度成正比，且比例系数约为雷诺丁受体的开放不应期时，螺旋钙波是可以发生的。当四个自由肌浆网与联结肌浆网相连时，雷诺丁受体的释放效率最高，当40%-50%的rogue RyRs开放时，螺旋钙波较容易发生。.基于真实病人冠脉的CTA造影和EECP的即时主动脉压力波，定量分析了经过介入治疗后的患者接受EECP辅助治疗前后的血流动力学参数的变化。重度狭窄（75%以上面积狭窄）患者在EECP辅助治疗时的血流动力学参数和流线形态有了明显的改善（时间平均壁面剪切应力（TAWSS）危险面积、振荡剪切指数（OSI）危险面积明显减小，左冠脉树主干狭窄处下游的涡流、二次流明显减少）。研究了EECP重要参数舒张压/收缩压(D/S)对血流动力学的影响，发现随着D/S的增加，TAWSS危险面积下降比例呈指数增长，即D/S的增加可以显著增强EECP的辅助治疗效果，且满足f(x)=aexp(bx)+c的定量关系，此发现对医生控制EECP对特定患者的治疗参数有重要的指导意义。