快速性室性心律失常时单个心肌细胞水平的微尺度力学机制研究

Rapid arrhythmias, particularly atrial fibrillation(AF) and ventricular tachycardia/fibrillation (VT/VF) are a major public health concern. Rapid force changes in nonuniform heart muscle may cause cardiac arrhythmias, but until recently no mechanical mechanism studies at single cardiomyocyte level have been performed to confirme the mechanical load leading to cardiac dysfunction and arrhythmias.In this study, we employ our imaging system of AFM combined with fast confocal microscopy to study the in situ characterization of nanomechanical dynamics,cellular membrane potential and calcium signal of living single ventricular cardiomyocytes and ventricular muscle of spontaneously hypertensive rats with chronic mechanical load and culture neonate rat with acute mechanical load. Ca2+ and Na+ signal transduction pathways related to mechanical force are examined by F?rster resonance energy transfer(FRET) technique to investigate the mechanical mechanisms of cardiac arrhythmias at micro scales. In addition, we study the effects of antiarrhythmic drugs such as propafenone, ibutilide, amiodarone and verapamil on the above-mentioned targets of living single ventricular cardiomyocyte and ventricular muscle,in which we explore the mechanical mechanisms of some drugs treating rapid ventricular arrhythmias. This would possibly open a door on screening and developing new drugs which have a potential effect for curing cardiac arrhythmias.

以房颤和室速/室颤为代表的快速性心律失常是公众关注的重大健康问题。心脏不一致心肌收缩力的迅速改变可引起心律失常，但目前还缺乏在单个心肌细胞水平上去阐明机械负荷引起心肌功能异常和心律失常的机制。此项研究拟通过我们自行构建的AFM和快速激光共聚焦显微镜联合成像系统，对来自慢性机械负荷的自发性高血压大鼠以及急性机械负荷条件下培养新生大鼠的单个心室肌细胞和心室肌组织进行细胞微区机械力学、细胞膜膜电位和细胞内Ca2+信号变化的原位联合表征与测定。并采用FRET技术观察机械负荷对细胞内Ca2+、Na+信号通路影响,以探讨心律失常发生的微尺度机械力学机制；除此，观察心肌细胞暴露于临床不同抗心律失常药普罗帕酮、依布利特、胺碘酮、维拉帕米对上述指标的影响,以探讨某些抗心律失常药在治疗快速性室性心律失常时的可能机械力学机制，并可能为筛选或研发新的抗心律失常药开辟一条新的研究途径。

以房颤和室速/室颤为代表的快速性心律失常是公众关注的重大健康问题。心脏不一致心肌收缩力的迅速改变可引起心律失常，但目前还缺乏在单个心肌细胞水平上去阐明机械负荷引起心肌功能异常和心律失常的机制。高血压导致的心肌肥厚是发生心律失常的独立危险因素之一。高血压时心肌细胞长期处于增强的后负荷的持续刺激下，细胞所处的力学微环境发生变化以及心室肌细胞本身力学性质或可发生改变。这一变化可能直接或间接地对心脏电生理产生影响，从而参与高血压心肌肥厚致心律失常的发生及维持过程中。此项研究通过原子力显微镜（Atomic force microscope, AFM）与高速激光共聚焦扫描显微镜（High speed confocal laser scanning microscope, HSCL）联合成像系统（Bio-AC）对单个心室肌细胞微区力学性质及细胞内钙离子平均荧光强度进行探测，建立SHR大鼠和WKY组大鼠心律失常模型，以及胺碘酮对其生物力学特性的影响、异搏定和青蒿素干预对心律失常及基因表达影响。以研究高血压心肌肥厚致心律失常的单个心室肌细胞水平微区力学机制，为防治心律失常并探讨其机制提供一定的理论依据。研究显示：（1）高血压致心肌肥厚时心室肌细胞力学性质发生改变，即杨氏模量变大，细胞刚度增加，并且随着心肌肥厚的严重程度逐渐加剧而增大，这可能参与心律失常的发生和维持。（2）高血压致肥厚心室肌细胞的机械敏感性较高，使其在有机械刺激存在的情况下细胞内钙离子平均荧光强度更易升高，从而促进心律失常的发生。（3）高血压致肥厚心室肌细胞的牵张激活性离子通道数量增多或活性增强，参与了高血压致心律失常的发生和维持。（4）胺碘酮可改善高血压大鼠心肌生物力学特性，并改善对力学牵张刺激的敏感性，可有效抑制高血压大鼠发生心律失常。（5）青蒿素与维拉帕米均可抑制后负荷增加引起的大鼠室性心律失常，且减轻室性心律失常的恶性程度。