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摘要： 关键词： 中图分类号： 文献标志码： A文章编号： 2095-2163（2017）06-0065-05
Abstract： Calcium / calmodulin dependent protein kinase II （CaMKII） is a kind of cell signaling molecules expressed in the heart and oxidized CaMKII is associated with a variety of arrhythmogenic cardiac diseases. A human ventricular cell model with oxidized CaMKII regulation is established to simulate ion currents， intracellular calcium cycling and action potential in the setting of reactive oxygen species （ROS） enhanced. Simulated results show that， when ROS concentration is elevated， the activation amount of CaMKII is increased， cytoplasmic and sarcoplasmic reticulum calcium concentration are augmented， and action potential duration is abbreviated. This model provides a quantitative method for the study of ventricular arrhythmias induced by CaMKII， builds a quantitative relationship between microscopic molecular function changes and macro cell action potential changes. So the research of this subject is of significance in theory research and practical application.
0引言
心肌細胞受到外部刺激时，细胞膜蛋白通过释放化学物质传递信息，这些化学物质作用于信号分子，从而调节细胞的功能。虽然大量研究使得研究学界认识了信号转导通路的组成部分，但是这些信号网络的复杂性阻碍了时下对于其生理功能的理解。钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（Calcium /Calmodulin-dependent protein kinase II， CaMKII）作为信号网络中关键的节点，参与了基因表达、心律形成、心肌收缩、能量代谢等生理和病理过程[1]。最近的研究表明，活性氧（Reactive oxygen species， ROS）能够活化CaMKII，进而促进心律失常的发生[2]。虽然大量的分子生物实验研究了CaMKII对于各种蛋白的磷酸化作用[3-7]，但是仅关注局部变化的生物实验无法从整个系统的角度认识CaMKII对于细胞甚至机体生理功能的影响。因此，基于CaMKII的细胞电生理模型被广泛应用于从复杂系统角度认识疾病的发病机制。
2011年，O’Hara等构建了第一个具有CaMKII调控作用的人类心室细胞模型（ORd模型）[8]，该模型整合了CaMKII的自动活化模式和其对于离子电流的调控作用，从而增进了人们对于CaMKII功能的认识。但是ORd模型的CaMKII活化模式不完整，在研究氧化激活CaMKII的功能中作用有限。为此，本文构建了具有完整CaMKII活化的人类心室细胞模型，研究和分析了氧化CaMKII对于人类心室细胞电生理的影响。
1氧化CaMKII人类心室细胞模型的建立
人类心室细胞电生理模型的构建过程为：首先，依据CaMKII的激活过程建立CaMKII的活化模型；其次，考虑CaMKII对于离子电流动力学的改变，构建具有CaMKII动态调节的离子通道模型；最后，整合细胞膜上的离子电流，形成人类心室细胞电生理模型。
1.1CaMKII的激活模型
从目前的实验研究来看，CaMKII的激活方式主要包括自动磷酸化和氧化活化。正常情况下，CaMKII处于抑制状态。当细胞中的[Ca2 ]i升高，钙离子和钙调素形成结合物Ca2 /CaM，该物质能够激发CaMKII的活性，一方面，钙离子能够使得CaMKII自发磷酸化，从而转化为自动激活状态；另一方面，则将可以通过ROS进入氧化激活状态[9]。
基于上述CaMKII的激活过程，Christensen等人开发了五状态的氧化CaMKII活化模型[10]，其活化过程如图1所示：细胞内的钙离子与CaM结合，使得CaMKII的催化域暴露，CaMKII处于可结合状态（B），进一步使得CaMKII的自我抑制减弱，CaMKII转化为自动磷酸化状态（P）。另外，在引入氧化激活之后，CaMKII活化模型增加了氧化结合态（O）和氧化磷酸化态（X），B和P可通过ROS转变为O和X状态，其中O与X之间也可以相互转化。CaMKII在各个状态下的激活比例分别为CaMKB、CaMKP、CaMKO和CaMKX，那么，CaMKII的失活率CaMKI的计算公式为：CaMKI=1-CaMKB-CaMKP-CaMKO-CaMKX（1）其中，CaMKB的变化率计算公式如下：
1.2离子电流模型
Abstract： Calcium / calmodulin dependent protein kinase II （CaMKII） is a kind of cell signaling molecules expressed in the heart and oxidized CaMKII is associated with a variety of arrhythmogenic cardiac diseases. A human ventricular cell model with oxidized CaMKII regulation is established to simulate ion currents， intracellular calcium cycling and action potential in the setting of reactive oxygen species （ROS） enhanced. Simulated results show that， when ROS concentration is elevated， the activation amount of CaMKII is increased， cytoplasmic and sarcoplasmic reticulum calcium concentration are augmented， and action potential duration is abbreviated. This model provides a quantitative method for the study of ventricular arrhythmias induced by CaMKII， builds a quantitative relationship between microscopic molecular function changes and macro cell action potential changes. So the research of this subject is of significance in theory research and practical application.
0引言
心肌細胞受到外部刺激时，细胞膜蛋白通过释放化学物质传递信息，这些化学物质作用于信号分子，从而调节细胞的功能。虽然大量研究使得研究学界认识了信号转导通路的组成部分，但是这些信号网络的复杂性阻碍了时下对于其生理功能的理解。钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（Calcium /Calmodulin-dependent protein kinase II， CaMKII）作为信号网络中关键的节点，参与了基因表达、心律形成、心肌收缩、能量代谢等生理和病理过程[1]。最近的研究表明，活性氧（Reactive oxygen species， ROS）能够活化CaMKII，进而促进心律失常的发生[2]。虽然大量的分子生物实验研究了CaMKII对于各种蛋白的磷酸化作用[3-7]，但是仅关注局部变化的生物实验无法从整个系统的角度认识CaMKII对于细胞甚至机体生理功能的影响。因此，基于CaMKII的细胞电生理模型被广泛应用于从复杂系统角度认识疾病的发病机制。
2011年，O’Hara等构建了第一个具有CaMKII调控作用的人类心室细胞模型（ORd模型）[8]，该模型整合了CaMKII的自动活化模式和其对于离子电流的调控作用，从而增进了人们对于CaMKII功能的认识。但是ORd模型的CaMKII活化模式不完整，在研究氧化激活CaMKII的功能中作用有限。为此，本文构建了具有完整CaMKII活化的人类心室细胞模型，研究和分析了氧化CaMKII对于人类心室细胞电生理的影响。
1氧化CaMKII人类心室细胞模型的建立
人类心室细胞电生理模型的构建过程为：首先，依据CaMKII的激活过程建立CaMKII的活化模型；其次，考虑CaMKII对于离子电流动力学的改变，构建具有CaMKII动态调节的离子通道模型；最后，整合细胞膜上的离子电流，形成人类心室细胞电生理模型。
1.1CaMKII的激活模型
从目前的实验研究来看，CaMKII的激活方式主要包括自动磷酸化和氧化活化。正常情况下，CaMKII处于抑制状态。当细胞中的[Ca2 ]i升高，钙离子和钙调素形成结合物Ca2 /CaM，该物质能够激发CaMKII的活性，一方面，钙离子能够使得CaMKII自发磷酸化，从而转化为自动激活状态；另一方面，则将可以通过ROS进入氧化激活状态[9]。
基于上述CaMKII的激活过程，Christensen等人开发了五状态的氧化CaMKII活化模型[10]，其活化过程如图1所示：细胞内的钙离子与CaM结合，使得CaMKII的催化域暴露，CaMKII处于可结合状态（B），进一步使得CaMKII的自我抑制减弱，CaMKII转化为自动磷酸化状态（P）。另外，在引入氧化激活之后，CaMKII活化模型增加了氧化结合态（O）和氧化磷酸化态（X），B和P可通过ROS转变为O和X状态，其中O与X之间也可以相互转化。CaMKII在各个状态下的激活比例分别为CaMKB、CaMKP、CaMKO和CaMKX，那么，CaMKII的失活率CaMKI的计算公式为：CaMKI=1-CaMKB-CaMKP-CaMKO-CaMKX（1）其中，CaMKB的变化率计算公式如下：
1.2离子电流模型