光控心肌动作电位生成机制的模拟研究：揭示拉伸激活通道（SACs）的关键作用

光学刺激在科研和治疗方面优势显著，但光驱动心肌动作电位（AP）生成机制不明。研究人员借助计算模型探究 SACs 作用及光刺激机制。结果显示模型能精准模拟相关变化，突出 Ca2+选择性 SACs 在 AP 生成中的关键作用，为后续实验提供有效工具。

　　

在生命科学与医学领域，心脏的研究一直占据着重要地位。心脏就像人体的 “发动机”，一刻不停地跳动，为全身输送血液，维持生命活动。心肌细胞的正常电活动是心脏跳动的基础，其中动作电位（Action Potential，AP）的产生和传导至关重要。传统上，科研人员研究心肌电活动常采用电刺激等方法，但这些方法存在不少弊端。比如，电刺激能量消耗大，对细胞和组织有一定损伤，而且在时间和空间上的精确性也欠佳。

随着科技的发展，光学刺激作为一种新兴手段崭露头角。它具有耗能低、微创甚至无创，以及时空精度极高的优点，无论是在基础科研中深入探究心肌细胞的奥秘，还是在未来的临床治疗中精准调控心脏功能，都展现出巨大的潜力。此前，研究人员发现了一种名为 Ziapin2 的新型光敏偶氮苯化合物，它能够调节心肌细胞的兴奋性和收缩性，在人诱导多能干细胞（hiPS）衍生的心肌细胞和成年小鼠心室肌细胞（Adult Mouse Ventricular Myocytes，AMVMs）中，都能有效调控兴奋 - 收缩偶联过程。然而，尽管实验表明拉伸激活通道（Stretch - Activated Channels，SACs）参与了光驱动 AP 的生成，但由于生物系统的复杂性，以及缺乏特异性 SAC 阻滞剂，其具体作用机制一直是个谜。为了揭开这个谜团，深入了解光控心肌动作电位的生成机制，研究人员开启了这项研究。遗憾的是，文中未提及具体研究机构。最终，他们取得了重要成果，相关论文发表在《Biophysical Journal》上。

研究人员开展此项研究，主要运用了计算模型这一关键技术。他们构建的小鼠 AP 计算模型，融入了两个关键要素：一是分子在光刺激下发生反式 - 顺式（trans - cis）异构化所引起的膜电容变化；二是 Ziapin2 诱导膜厚度改变，进而激活因膜张力变化而开启的 SACs。通过这个模型，研究人员对心肌细胞在光刺激下的行为进行模拟分析。

下面来看具体的研究结果。
在模型模拟细胞电容和膜电位变化方面：研究人员发现，他们构建的数值模型能够精准地再现 Ziapin2 光异构化所诱导的细胞电容和膜电位改变。这意味着模型能够真实地反映出心肌细胞在光刺激下，细胞膜电学特性的变化情况，为后续深入研究光刺激对心肌细胞的影响提供了可靠的基础。
在揭示 SACs 在 AP 生成中的作用方面：该模型成功地阐释了在体外实验中 AMVMs 所观察到的现象，特别强调了钙（Ca²⁺）选择性 SACs 在 AP 生成过程中起到了核心作用。这一发现让科研人员对光驱动 AP 的生成机制有了更清晰的认识，明确了 Ca²⁺选择性 SACs 是光刺激调控心肌电活动的关键靶点之一。

研究结论表明，所提出的计算模型不仅能够准确模拟细胞在光刺激下的变化，还揭示了 Ca²⁺选择性 SACs 在 AP 生成中的关键作用。这一成果意义重大，它为未来相关实验中预测细胞行为提供了有力的工具。科研人员可以借助这个模型，进一步探究不同光刺激条件下心肌细胞的反应，为开发更精准、更有效的光学刺激治疗心脏疾病的方法奠定理论基础。同时，也为理解心脏电生理活动的基本机制提供了新的视角，有助于推动心脏疾病的诊断、治疗和预防等方面的研究进展。