整流型缝隙连接增强生物起搏细胞起搏活性的机制研究：计算模型揭示组织水平优化策略

《npj Systems Biology and Applications》：Mechanisms of rectified gap junctional coupling enhancing pacemaking activity of biologically engineered pacemaker cells

本研究针对生物起搏器在组织水平驱动能力不足的难题，通过计算建模揭示了弱电耦合（WEC）与整流电耦合（REC）的协同增效机制。研究人员发现PMs（起搏细胞）间弱连接（DPMs降低至20%）结合PM-VM（心室肌细胞）间整流耦合（DVM2PM<DPM2VM）可显著提升起搏信号传导效率。隔离式植入配合W-REC模式使驱动能力提升30倍，室间隔位点可实现最佳心室同步化。该研究为优化生物起搏器治疗方案提供了重要理论依据。

　　

心脏起搏器是治疗窦房结功能障碍和房室传导阻滞的重要医疗设备，但电子起搏器存在无法响应自主神经调节、需要定期更换电池等局限性。生物起搏器（bio-pacemaker）通过基因工程技术将普通心肌细胞重编程为具有自主起搏功能的细胞（pacemaker cells, PMs），展现出能感知激素和情绪变化的独特优势。然而，如何使这些工程化的起搏细胞在组织水平稳定驱动周围大量心室肌细胞（ventricular myocytes, VMs），仍是实现临床转化的关键挑战。

在自然心脏中，窦房结（sinoatrial node, SAN）通过精细的"源-汇平衡"（source-sink balance）机制实现高效起搏，其中缝隙连接（gap junction）的特殊分布模式起着重要作用。研究表明，异型缝隙连接（如Cx45/Cx43组合）具有整流特性（rectified property），允许电流从起搏细胞向工作心肌细胞单向传导，而抑制反向电流。这种整流电耦合（rectified electrical coupling, REC）是否可用于增强生物起搏器的性能，成为值得深入探索的科学问题。

发表于《npj Systems Biology and Applications》的最新研究通过多尺度计算建模，系统分析了电耦合强度和空间分布对生物起搏器驱动能力的影响。研究人员构建了包含生物起搏器与心室组织的二维模型，通过调整扩散系数模拟不同的电耦合条件：弱电耦合（weak electrical coupling, WEC）通过降低PMs间的扩散系数（D_PMs）实现；整流电耦合则通过设置PM到VM（D_PM2VM）与VM到PM（D_VM2PM）方向的不对称传导来模拟。

研究采用反应-扩散偏微分方程描述组织电活动，分别建立了线性和非线性REC模型。非线性模型基于HeLa细胞实验中Cx45/Cx43通道的电压依赖性特性，采用Boltzmann方程拟合传导率与电压差（V_gap）的关系。通过比较三种空间分布模式（全侧侧耦合、嵌入式、隔离式）和实际心室结构中的起搏效果，评估了驱动能力（驱动容量定义为单个PM细胞能够激活的VM细胞数量）。

弱电耦合（WEC）增强生物起搏器性能

降低PMs间连接强度（D_PMs）显著提升了起搏器的驱动效率。当D_PMs从100%降至20%时，驱动100个VM细胞所需的最小PM细胞数从37个减少至19个，证实适度减弱PMs间耦合有利于维持起搏自主性。

整流电耦合（REC）的单独作用

在D_PMs=10%的WEC条件下，当D_VM2PM< D_PM2VM时（蓝区），起搏信号可完全传导至VM组织；反之则出现传导阻滞（黄区）或不能传导（绿区）。REC通过抑制VM对PM的超极化负载效应，保护了PM的起搏活性。

WEC与REC的协同效应

参数空间分析显示，当D_PMs<20%且D_VM2PM<15%时，起搏信号可稳定传导（蓝区）。机制上，较大的D_VM2PM会增加复极化电流I_out，使PM舒张期电位过负，抑制后续去极化。WEC和REC均能缩短起搏周期（PCL），但传导速度（CV）主要受D_PMs影响。

非线性REC模型的验证

调整非线性REC参数（A_l和V_hl）可恢复起搏功能，增加A_l或降低V_hl有助于诱导自发搏动，证实了REC模型在更生理条件下的适用性。

空间分布的关键影响

隔离式分布展现最佳性能，在W-REC（D_PMs=5%, D_VM2PM=10%）条件下，驱动能力较全侧侧耦合提升30倍。嵌入式模型中，W-REC使所需PM细胞半径从50减至12，驱动能力提升77倍。

实际心室结构中的验证

在真实心室模型中，室间隔位点（Loc. 5）表现出最短的去极化时间和左右室同步性，表明其是生物起搏器植入的最佳位点，有助于维持心室电-机械同步性。

研究结论表明，弱电耦合与整流电耦合的组合策略可显著增强生物起搏器在组织水平的驱动能力和稳定性。通过模拟窦房结的绝缘结构特征，隔离式植入能有效优化源-汇平衡。室间隔位点植入有利于心室同步化，这与临床电子起搏器的植入策略相一致。该研究为通过基因编辑调控连接蛋白表达、优化生物起搏器空间分布提供了理论指导，推动了生物起搏器从概念向临床应用的转化。

尽管研究在二维模型中进行，且未考虑心室组织对起搏源的超速抑制效应，但其建立的计算框架为后续三维仿真和实验验证奠定了基础。未来结合患者特异性影像数据和高性能计算，有望实现生物起搏器治疗的个性化优化设计。