光敏感分子 Ziapin2 调控心肌动作电位生成机制的深度解析 —— 开启心脏细胞光刺激研究新征程

在心脏研究领域，光刺激调控细胞活动意义重大。为探究 Ziapin2 调控心肌细胞兴奋性机制，研究人员构建计算模型。结果表明，Ca2+选择性拉伸激活通道（SACCa）在动作电位（AP）生成中起关键作用。该研究为心脏细胞光刺激研究提供新思路。

　　在心脏研究的舞台上，光刺激技术宛如一颗新星，正逐渐崭露头角。与传统的电刺激方法相比，光刺激凭借着能耗低、微创性好以及卓越的时空精度等优势，为科研和治疗领域带来了新的曙光。然而，细胞对光的低敏感性却成为了这一技术广泛应用的 “拦路虎”。为了攻克这一难题，科研人员积极探索，开发出多种赋予细胞光敏性的策略，其中，Ziapin2 这一新型光敏感偶氮苯化合物备受瞩目。它能够精准调节心肌细胞的兴奋 - 收缩偶联（ECC）过程，但其背后的具体机制却如同迷雾，有待揭开。在此背景下，来自意大利多个研究机构（包括米兰比可卡大学、米兰理工大学、意大利技术研究院等）的研究人员携手合作，深入开展了相关研究，其成果发表在《Biophysical Journal》上。

研究人员运用的关键技术方法主要包括以下几个方面：一是构建数值模型，以 2009 年 Li 等人的模型为基础，进行针对性的修改，纳入了 Ziapin2 分子光刺激引起的膜电容变化以及拉伸激活通道（SACs）的相关参数；二是采用实验数据进行模型参数化，实验数据取自之前对成年小鼠心室肌细胞（AMVMs）的研究，涵盖了细胞的分离、与 Ziapin2 的孵育、电生理记录以及电容测量等实验；三是利用特定波长的光刺激，实验中采用峰值发射波长为 470nm 的准直发光二极管（LED）进行光照，以契合 Ziapin2 的吸收光谱。

下面来看具体的研究结果：

• 膜电容变化的影响：研究人员通过数值模拟不同时长（20ms 和 200ms）的光刺激实验，发现 Ziapin2 存在时，膜电容变化会引发膜电位的双相调制，即先出现超极化，随后是延迟的去极化。当使用 SACs 阻滞剂钆（Gd³⁺）处理后，超极化峰值不受影响，但去极化幅度显著降低，这表明 SACs 在去极化过程中起着关键作用，而膜电容变化主要影响超极化阶段。
• SACs 存在的影响：
  • 单个 SACs 对 AP 动力学的贡献：将 SACs 纳入模型后，成功复现了实验中观察到的 AP 触发现象。进一步研究发现，阻断 Ca²⁺选择性 SACs（SAC_Ca）会阻止 AP 的产生，而非选择性 SACs（SAC_ns）和 K⁺选择性 SACs（SAC_K）被阻断时，AP 仍能达到阈值。这充分证明了 SAC_Ca在 AP 触发中具有不可或缺的作用。此外，通过改变细胞外 Ca²⁺浓度进行模拟实验，发现降低细胞外 Ca²⁺浓度会导致 AP 上升速度减慢、持续时间缩短。同时，研究还对比了光刺激和电刺激引发的 AP，发现光刺激下的 AP 持续时间显著延长，这主要是由于光刺激时 I_K1电流延长，维持了平台期，而 Na⁺电流（I_Na）幅度会随刺激持续时间延长而减小，且 Na⁺-Ca²⁺交换器（NCX）在这一过程中的贡献并不显著。
  • AP 触发的动力学：实验中发现 AP 触发时间存在较大差异，尤其是 20ms 光刺激时更为明显。研究人员通过数值模拟不同的拉伸幅度和时间，发现为了复现实验中的差异，需要调整拉伸调制的时间，而拉伸强度在不同极端情况下保持相似。通过部分相关性分析还发现，拉伸激活时间参数 t₂对 APD₉₀（动作电位复极化 90% 时的持续时间）影响最大，t₃则主要影响 Na⁺电流峰值（peak I_Na） 。
  
  

在研究结论与讨论部分，该模型准确地再现了 Ziapin2 光异构化诱导的细胞电容和膜电位变化，清晰地阐释了 AMVMs 实验中观察到的现象。研究进一步证实了 SACs 在 AP 生成中的关键作用，特别是 SAC_Ca的重要贡献。同时，该模型还能够探索一些实验难以研究的方面，如重复光刺激后肌浆网中 Ca²⁺的积累情况。在黑暗条件下，Ziapin2 进入细胞膜后，细胞会建立新的稳态，基本电生理特性保持不变；光刺激时，Ziapin2 发生反式 - 顺式异构化，膜厚度恢复，部分 SACs 关闭；光刺激停止后，Ziapin2 恢复二聚体状态，膜拉伸增加，Ca²⁺通过 SAC_Ca流入细胞，最终膜恢复平衡状态。这项研究成果为深入理解 Ziapin2 介导的光刺激过程提供了全面的视角，是预测 Ziapin2 效应的有力工具，为心血管研究开辟了新的方向，有望推动心血管疾病治疗和研究取得新的突破。