心房细胞氧化应激对电动势交替影响的模拟与分析
发布时间：2021-04-16 21:07
心血管疾病是一种严重威胁人类健康的疾病。房颤是最常见的心血管疾病之一,可能引起多种并发症,其中最严重的是脑血栓栓塞,俗称中风。因此全面认识房颤的发病机理具有重要的价值。电动势交替现象,即心脏细胞动作电位波形的周期性交替现象,是房颤发生的前兆。而且研究表明,氧化应激与电动势交替及房颤都存在紧密的联系。因此,本研究将以氧化应激为切入口探索房颤的发病机制和预防方法。基于一种改进的人心房细胞计算模型,本文聚焦于探究导致电动势交替的底层机制和氧化应激对电动势交替的影响。首先,本文利用计算机技术重现了现有的人心房细胞计算模型。从细胞模型的电生理特征和交替现象的刺激周期依赖性两方面着手,本文针对现有模型仿真结果中存在的不足进行了改进,获得了一种更符合生理实验结果的理想心房细胞计算模型。然后,本文仿真了改进后模型在不同氧化应激程度下的电动势交替现象,得到了电动势交替易感窗。根据仿真试验的结果,本文分析了电动势交替的特点以及各电生理变量在电动势交替过程中扮演的角色,发现氧化应激条件下肌浆网（SR）钙离子释放的交替是驱动电动势交替的关键因素,而活性氧族（ROS）对心肌肌浆网Ca2+-ATP酶（SERCA）...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
简化的心肌细胞几何尺寸[38]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-7-第2章心肌细胞电生理基础和建模2.1心肌细胞电生理基础2.1.1心肌细胞结构心肌细胞是组成心脏的基本单位，通常呈短柱状。心肌细胞之间存在由相邻心肌细胞的细胞膜特化而成的闰盘结构，闰盘一方面保证肌原纤维的紧密连接，另一方面便于细胞之间的物质交换和兴奋传导。为了计算的方便，心肌细胞的形状通常被粗略简化为圆柱形。理想的哺乳动物心肌细胞的几何尺寸为直径10至15微米，长70至100微米的圆柱体，如图2-1所示。图2-1简化的心肌细胞几何尺寸[38]心肌细胞主要由细胞膜、线粒体、肌浆网、肌丝、T管和其他细胞器构成，其解剖结构图如图2-2所示。从图中可以看出心肌细胞具有较规则的结构：肌原纤维占据细胞的大部分体积，并沿着细胞纵向分布。线粒体则广泛分布于细胞膜下和肌原纤维构成的各种间隙之间，为细胞内的各种活动提供充足的能量。细胞核位于细胞中心，形状似椭圆或长方形，其长轴与肌原纤维的方向一致。T管增大了细胞膜与细胞外液的接触面积，有利于物质交换。图2-2心肌细胞解剖结构图[39]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-8-2.1.2细胞膜细胞最外层是由双层膦脂分子和球状蛋白质聚合体构成的半透明细胞膜，厚约7~8nm。细胞膜作为一道屏障将细胞内的液体和细胞器与细胞外的液体隔绝开来，是细胞与外界环境交换物质的主要场所。细胞膜的主要功能包括选择性交换物质、吸收营养物质、排出代谢废物和分泌和运输蛋白质等。细胞膜中存在许多充满液体的小孔和蛋白组成的通道，可供离子通过，如图2-3所示。图2-3细胞膜结构示意图[38]心肌细胞内外的液体中包含大量的离子，包括钠离子、钾离子、氯离子和钙离子等，这些离子共同维持细胞正常活动所需的电化学环境，它们的典型浓度如表2-1所示。表2-1心肌内外离子浓度（温度T=37℃）细胞内液体离子浓度[X]e细胞外液体离子浓度[X]i[K+]e=5.4mM[K+]i=5.4mM[Na+]e=140mM[Na+]i=10mM[Ca2+]e=1.8mM[Ca2+]i=0.12×10-3mM[Cl-]e=120mM[Cl-]i=5.4mM在平衡状态下，细胞膜对不同离子的通透性有所区别，这一方面能维持相同离子在细胞内外液体中的浓度差，另一方面使得各类离子在细胞内外的液体中均匀分布，保持了细胞膜静息电位的稳定。当心肌细胞受到外界电流刺激时，膜电位发生变化，导致细胞膜对离子的通透性发生变化，细胞内外的离子在浓度差的作用下形成跨膜离子流。跨膜离子流的持续作用使得细胞膜电位发生变化，形成动作电位。其中，少量钙离子内流导致细胞内钙离子浓度增大，触发肌浆网大量释放钙离子，引起肌原纤维收缩。细胞内多余的离子随后被载体蛋白转运至细胞外，细胞内液体各离子的浓度逐渐恢复到静息水平。
【参考文献】：
期刊论文
[1]《中国心血管病报告2018》概要[J]. 胡盛寿,高润霖,刘力生,朱曼璐,王文,王拥军,吴兆苏,李惠君,顾东风,杨跃进,郑哲,陈伟伟. 中国循环杂志. 2019(03)
[2]SQLite数据库在Qt5开发环境中的应用[J]. 龙灏. 电子世界. 2017(24)
[3]浦氏纤维对心室电传导系统影响的仿真研究[J]. 宋俊雅,袁永峰,王宽全. 智能计算机与应用. 2014(01)
[4]基于虚拟细胞的膜片钳实验仿真系统[J]. 袁永峰,王宽全,邹传毅. 计算机应用. 2009(S1)
[5]一种新的心肌细胞电生理模型的描述方法[J]. 杜佳菲,王宽全,袁永峰. 计算机工程. 2007(10)
[6]基于单细胞动作电位仿真心电图的模型与算法[J]. 朱浩,尹炳生,朱代谟. 生物医学工程学杂志. 2001(04)
博士论文
[1]基于虚拟心脏的短QT综合征建模与分析[D]. 罗存金.哈尔滨工业大学 2017
[2]虚拟心脏解剖及电生理数学建模[D]. 张宇.浙江大学 2009
硕士论文
[1]心房细胞氧化应激模型的构建及其对电动势影响的分析[D]. 隋海波.哈尔滨工业大学 2018
[2]心房二维组织电传导的仿真研究[D]. 赵娜.东北大学 2014
[3]心电信号提取及处理电路的设计[D]. 王威.吉林大学 2006
本文编号：3142175
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
简化的心肌细胞几何尺寸[38]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-7-第2章心肌细胞电生理基础和建模2.1心肌细胞电生理基础2.1.1心肌细胞结构心肌细胞是组成心脏的基本单位，通常呈短柱状。心肌细胞之间存在由相邻心肌细胞的细胞膜特化而成的闰盘结构，闰盘一方面保证肌原纤维的紧密连接，另一方面便于细胞之间的物质交换和兴奋传导。为了计算的方便，心肌细胞的形状通常被粗略简化为圆柱形。理想的哺乳动物心肌细胞的几何尺寸为直径10至15微米，长70至100微米的圆柱体，如图2-1所示。图2-1简化的心肌细胞几何尺寸[38]心肌细胞主要由细胞膜、线粒体、肌浆网、肌丝、T管和其他细胞器构成，其解剖结构图如图2-2所示。从图中可以看出心肌细胞具有较规则的结构：肌原纤维占据细胞的大部分体积，并沿着细胞纵向分布。线粒体则广泛分布于细胞膜下和肌原纤维构成的各种间隙之间，为细胞内的各种活动提供充足的能量。细胞核位于细胞中心，形状似椭圆或长方形，其长轴与肌原纤维的方向一致。T管增大了细胞膜与细胞外液的接触面积，有利于物质交换。图2-2心肌细胞解剖结构图[39]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-8-2.1.2细胞膜细胞最外层是由双层膦脂分子和球状蛋白质聚合体构成的半透明细胞膜，厚约7~8nm。细胞膜作为一道屏障将细胞内的液体和细胞器与细胞外的液体隔绝开来，是细胞与外界环境交换物质的主要场所。细胞膜的主要功能包括选择性交换物质、吸收营养物质、排出代谢废物和分泌和运输蛋白质等。细胞膜中存在许多充满液体的小孔和蛋白组成的通道，可供离子通过，如图2-3所示。图2-3细胞膜结构示意图[38]心肌细胞内外的液体中包含大量的离子，包括钠离子、钾离子、氯离子和钙离子等，这些离子共同维持细胞正常活动所需的电化学环境，它们的典型浓度如表2-1所示。表2-1心肌内外离子浓度（温度T=37℃）细胞内液体离子浓度[X]e细胞外液体离子浓度[X]i[K+]e=5.4mM[K+]i=5.4mM[Na+]e=140mM[Na+]i=10mM[Ca2+]e=1.8mM[Ca2+]i=0.12×10-3mM[Cl-]e=120mM[Cl-]i=5.4mM在平衡状态下，细胞膜对不同离子的通透性有所区别，这一方面能维持相同离子在细胞内外液体中的浓度差，另一方面使得各类离子在细胞内外的液体中均匀分布，保持了细胞膜静息电位的稳定。当心肌细胞受到外界电流刺激时，膜电位发生变化，导致细胞膜对离子的通透性发生变化，细胞内外的离子在浓度差的作用下形成跨膜离子流。跨膜离子流的持续作用使得细胞膜电位发生变化，形成动作电位。其中，少量钙离子内流导致细胞内钙离子浓度增大，触发肌浆网大量释放钙离子，引起肌原纤维收缩。细胞内多余的离子随后被载体蛋白转运至细胞外，细胞内液体各离子的浓度逐渐恢复到静息水平。
【参考文献】：
期刊论文
[1]《中国心血管病报告2018》概要[J]. 胡盛寿,高润霖,刘力生,朱曼璐,王文,王拥军,吴兆苏,李惠君,顾东风,杨跃进,郑哲,陈伟伟. 中国循环杂志. 2019(03)
[2]SQLite数据库在Qt5开发环境中的应用[J]. 龙灏. 电子世界. 2017(24)
[3]浦氏纤维对心室电传导系统影响的仿真研究[J]. 宋俊雅,袁永峰,王宽全. 智能计算机与应用. 2014(01)
[4]基于虚拟细胞的膜片钳实验仿真系统[J]. 袁永峰,王宽全,邹传毅. 计算机应用. 2009(S1)
[5]一种新的心肌细胞电生理模型的描述方法[J]. 杜佳菲,王宽全,袁永峰. 计算机工程. 2007(10)
[6]基于单细胞动作电位仿真心电图的模型与算法[J]. 朱浩,尹炳生,朱代谟. 生物医学工程学杂志. 2001(04)
博士论文
[1]基于虚拟心脏的短QT综合征建模与分析[D]. 罗存金.哈尔滨工业大学 2017
[2]虚拟心脏解剖及电生理数学建模[D]. 张宇.浙江大学 2009
硕士论文
[1]心房细胞氧化应激模型的构建及其对电动势影响的分析[D]. 隋海波.哈尔滨工业大学 2018
[2]心房二维组织电传导的仿真研究[D]. 赵娜.东北大学 2014
[3]心电信号提取及处理电路的设计[D]. 王威.吉林大学 2006
本文编号：3142175
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