-1چکیده:
انقباضات رحمی به وسیله ی انقباضات سلول های عضله ی صاف میومتریال (SMCs) که بخش اعظم لایه ی میومتریال دیواره ی رحمی را تشکیل می دهد، تولید می شود. ورود یون های کلسیم به داخل سلول پس از دپلاریزاسیون غشای سلول شروع می شود. افزایش غلظت کلسیم آزاد داخل سلول زنجیره ای از واکنش ها را ایجاد می کند، که منجر به شکل گیری پل های عرضی بین فیلامان های اکتین و میوزین می شود و به دنبال آن سلول ها منقبض می شوند.
در هنگام انقباض، SMC ها کوتاه می شوند و نیروهایی را به سلول های مجاور اعمال می کنند. مدل ریاضی انقباض SMC میومتریال به منظور مطالعه ی فرآیند انقباض- تحریک توسعه داده شده است. مدل می تواند به منظور توصیف غلظت کلسیم داخل سلولی و فشار تولید شده به وسیله ی سلول در پاسخ به دپلاریزاسیون غشای سلول استفاده شود. مدل برای عملکرد سه مکانیسم های کنترل کلسیم محاسبه می شود: کانال های کلسیمی ولتاژی، پمپ های کلسیمی و تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی.
فرآیندهای فسفریلاسیون رشته ی سبک میوزین(MLC) و فشار تولید شده با استفاده از مدل پل عرضی Hai&Murphy محاسبه شدند و در رابطه با غلظت کلسیم از طریق نرخ ثابت فسفریلاسیون میوزین می باشد. اندازه گیری های کلسیمی، فسفریلاسیون MLC و نیرو در سلول های منقبض شده برای تنظیم پارامترهای مدل و تست توانایی آن برای محاسبه ی پاسخ سلول به تحریک مورد استفاده قرار می گیرد. مدل برای بازتولید نتایج آزمایشات ولتاژ کلمپ صورت گرفته در سلول های میومتریال موش های باردار و همچنین نتایج اندازه گیری های فسفریلاسیون MLC و تولید نیرو در سلول های میومتریال انسان غیرباردار مورد استفاده قرار می گیرد.
-2مقدمه:
انقباض پذیری رحمی به وسیله ی انقباضات سلول های عضله ی صاف1 میومتریال2 که قسمت اعظم لایه ی میومتریال دیواره ی رحمی را تشکیل می دهد، تولید می شود. در رحم غیر باردار، انقباضات هم زمان این SMCs ها تغییراتی را در هندسه ی مایع واسط دیواره رحمی به وجود می آورد.
این تغییرات باعث حرکات مایع داخل رحمی می شود که در جریان مرحله ی اولیه ی تولیدمثل ضروری است. درهنگام زایمان، انقباض هم زمان این میوسیت ها3 تولید نیروهایی می کند که به منظور بیرون آمدن نوزاد از رحم ضروری می باشد. دپلاریزاسیون غشای سلول باعث آغاز ورود یون های کلسیم به داخل سلول از طریق کانال های کلسیمی ولتاژی4 شده و به موجب آن غلظت کلسیم داخل سلولی5 زیاد می شود. افزایش سطح باعث اتصال کلسیم و کالمدولین شده و این امر میوزین کیناز6 که یک آنزیم فسفریله کننده است را فعال می کند. فعال شدن میوزین کیناز موجب فسفریله شدن رشته ی سبک تنظیم کننده ی میوزین7 می شود. سپس پل های عرضی بین فیلامان های اکتین و میوزین شکل می گیرد و تولید انقباض عضلانی می کند.
شکل 1- فرآیند انقباض و استراحت عضله ی صاف
با استفاده از تکنیک ولتاژ کلمپ فرآیند تحریک- انقیاض در مایومتریای8 انسان و rat مورد مطالعه قرار گرفت. تحریک میوسیت های ایزوله با استفاده از پالس های ولتاژ نشان دهنده ی روابط جریان- ولتاژ در SMCs میومتریال باردار در rat و انسان ها می باشد. اعمال تک پالس های ولتاژ نشان داد که جریان یون های کلسیم () از طریق VOCCs نوع L به طور قابل توجهی غلظت کلسیم داخل سلولی را افزایش می دهد، درحالیکه در تحریکات مکرر با قطار پالس هم باز شدن VOCCs و هم کلسیم القا شده و آزاد شده9 از شبکه ی سارکوپلاسمی10 منجر به افزایش می شود. ورود جریان به دنبال دپلاریزاسیون سلول های میومتریال rat شامل دو جز است، که بر پایه ی تفاوت در خصوصیات فعال سازی و غیرفعال سازی سلول ها و همچنین در سینتیک آن هاست. جز اول یک جربان سدیمی سریع است حال آنکه جز دوم یک جریان آهسته ی کلسیم می باشد().
مطالعه ی مکانیسم های کاهش دهنده ی در میومتریوم11 موش باردار، که یک فرآیند حساس برای استراحت SMC است، نشان می دهد که پمپ های کلسیم غشای پلاسما 30% کلسیم داخل سلول را خروج می کنند و تبادلگر مسئول خروج 60% از کلسیم داخل سلول هستند. کلسیم باقیمانده احتمالا از طریق ذخیره های داخل سلولی اداره می شود. ازاین رو، مکانیسم های سارکولمال12 بیرون اندازی کلسیم برای کاهش تعیین کننده است، در حالیکه اهمیت جذب کلسیم به ذخیره های داخل سلول کم تر است.
برخی از مطالعات مربوط به رابطه ی بین ، فسفریلاسیون MLC و نیروی انقباضی SMCs میومتریال می باشد. در مطالعات اولیه که در سلول های میومتریال انسان صورت گرفت، معلوم شد که افزایش در باعث افزایش در فسفریلاسیون MLC می شود. اندازه گیری های هم زمان در طی انقباضات تحریکی الکتریکی و خود به خودی عضله ی رحمی انسان غیر باردار نشان داد که نیرو با نرخی کمتر از افزایش و فسفریلاسیون MLC ایجاد می شود.
مقادیر حداکثر و دائمی فسفریلاسیون MLC زودتر به مقادیر می رسد. پیشنهاد شده که عدم حساسیت MLCK به فسفریلاسیون پس از ثانیه ی اول از آغاز انقباض، کاهشی را در نرخ فسفریلاسیون MLC و تولید نیرو ایجاد می کند.
نتایج مشابهی وقتی گذرا و دائمی نسبت به روابط نیرو در نوارهایی از میومتریال انسان باردار در طی انقباضات خودبخودی و تحریکی تخمین زده شده است، به دست آمده است. همچنین نتایج آزمایشات روی نوارهایی از میومتریال انسان باردار و غیر باردار نشان داد که فسفریلاسیون MLC در هنگام انقباض در بافت باردار در مقایسه با بافت غیر باردار کم تر است. درحالیکه مقدار فشار تولید شده توسط فسفریلاسیون MLC در بافت میومتریال باردار بیشتر است. چندین مدل ریاضی برای توصیف کنترل سطح ، تولید نیرو و تغییرات طول در انواع مختلف SMCs توسعه پیدا کرده است.
سیستم انتقال کلسیم و پتانسیل غشا در یک میوسیت شریانی به وسیله ی دو اسیلاتور مرتبط که تعامل بین داخل سلولی و پتانسیل غشا در نتیجه ی آزادسازی دوره ای کلسیم از ذخیره های داخلی و ورود دوره ای کلسیم خارج سلولی را شبیه سازی نموده است، مدل می شود. فشار تولید شده به وسیله ی سلول با استفاده از مدل پل عرضی چهار مرحله ای Hai-Murphy محاسبه می شود که را به شکل گیری پل عرضی و ایجاد فشار مربوط می کند.
فرآیند انقباض- تحریک در SMC مغزی- عروقی نیز با استفاده از مدل ریاضی توصیف شده است. همچنین رفتار الکتروشیمیایی تنظیم با استفاده از مدل غشای Hodgkin-Huxley و به همراه مدل کمپارتمنت مایع شرح داده شده است. روابط تعادل جرم به منظور محاسبه ی غلظت یون های مختلف داخل سیتوزل مورد استفاده قرار می گیرد.
همچنین برای محاسبه ی اثرات بافر نمودن و جریان های کلسیمی از طریق غشای SR در نظر گرفته می شود. در هر دو مدل روابط توصیف کننده ی جریان های غشایی یونی که از منحنی های مشخصه ی فعال سازی آن ها به دست می آید. پارامترهای مدل بر طبق اندازه گیری های انجام شده در سلول های ایزوله و با استفاده از تکنیک های ولتاژ کلمپ و داده های آزمایشگاهی اضافی تنظیم می شود.
مدل های موجود میومتریال، رفتار رحم در بافت و ارگان ها و نیروهای انقباضی محاسبه شده را شرح می دهد که نتایج حاصل از آن بسیار شبیه اندازه گیری های کلینیکی فشار داخل رحمی در هنگام انقباضات زایمان می باشد.
هنوز، روابط بین دپلاریزاسیون غشا، کنترل کلسیم و تولید نیرو در میوسیت میومتریال به صورت دقیق شرح داده نشده است. از این رو مدل ارائه شده در این تحقیق به منظور شبیه سازی فرآیند کامل انقباض عضله ی صاف رحمی که با دپلاریزاسیون شروع می شود، توسعه یافته است.
مدل بر پایه ی خصوصیات الکتروفیزیولوژیکی سلول و مکانیسم های سلولی که افزایش در را به تولید نیرو مربوط می کند، می باشد و به منظور مطالعه ی عملکرد و خصوصیات این مکانیسم ها استفاده می شود.
در شبیه سازی ها تغییرات محاسبه شده در ، فسفریلاسیون MLC و فشار تولید شده به وسیله ی انقباض میوسیت ها با داده های تجربی حاصل از سلول های میومتریال rat و انسان مقایسه می شود.
-3انقباض و تحریک عضله صاف:
-1-3انقباض عضله ی صاف:
عضله ی صاف برخلاف عضله ی اسکلتی از فیبرهای بسیار کوچکتر تشکیل شده است. فیبرهای عضله اسکلتی حدود بیست برابر قطورتر و صدها برابر درازتر از فیبرهای عضله ی صاف است. بسیاری از اصول انقباض عضلات صاف همان اصول انقباضی عضلات اسکلتی است.
-1-1-3انواع عضله ی صاف:
عضله صاف هر عضو از جنبه های گوناگون با عضله صاف اکثر اعضای دیگر تفاوت دارد:
* ابعاد فیزیکی
* سازماندهی به صورت دسته
* پاسخ به تحریکات مختلف
* ویژگی های عصب گیری
* عملکرد
عضله ی صاف به دو نوع عمده تقسیم می شود:
* عضله صاف چندواحدی
* عضله صاف تک واحدی
عضله صاف چند واحدی:
این نوع عضله ی صاف از فیبرهای مجزای عضله صاف تشکیل شده است. هر فیبر مستقل از سایر فیبرها عمل می کند و مانند فیبرهای عضله ی اسکلتی غالبا از یک پایانه ی عصبی عصب می گیرد. ضمنا سطح خارجی این فیبرها همچون فیبر های عضله ی اسکلتی از یک لایه نازک ماده ای شبیه غشای پایه پوشیده شده است. این ماده ترکیبی از فیبریل های ظریف کلاژن و گلیکوپروتئین است که به عایق سازی فیبر ها از هم کمک می کند.
مهمترین ویژگی فیبرهای عضله ی صاف چند واحدی این است که هر فیبر می تواند مستقل از سایرین منقبض شود و کنترل فیبرها عمدتا به واسطه پیامصهای عصبی است. در مقابل، بخش عمده ای از کنترل عضله ی صاف تک واحدی با محرک های غیرعصبی است. برخی نمونه های عضله ی صاف چندواحدی عبارتند از: عضله ی مژگانی چشم، عنبیه چشم ،عضله راست کننده ی مو که تحریک آنها با دستگاه عصبی سمپاتیک موجب راست شدن موها می شود.
عضله صاف تک واحدی:
اصطلاح تک واحدی گمراه کننده است، زیرا به معنای فیبرهای واحد عضلانی نیست، بلکه به معنای مجموعه ای از صدها تا هزاران فیبر عضله ی صاف است که با هم و به صورت یک واحد منقبض می شوند. معمولا فیبرها به صورت دسته یا ورقه تجمع یافته اند و غشای سلولی آن ها در نقاط متعدد به هم چسبیده است، بطوریکه نیروی تولید شده در فیبر بعدی منتقل شود. ضمنا چندین اتصال شکافی غشاهای سلولی مجاور را به هم متصل می سازد و یون ها می توانند از طریق آن ها آزادانه از سلولی به سلول بعد بروند، بطوریکه پتانسیل عمل یا جریان ساده ی یونی می تواند از فیبری به فیبر بعد برود و موجب انقباض همزمان فیبرهای عضله شود. این نوع عضله ی صاف را سن سیسیال می گویند، زیرا بین فیبر های آن ارتباطات سنسیسیومی وجود دارد. چون این گونه عضلات در جدار اکثر احشای بدن نظیر روده، مجاری صفراوی ،حالب ها، رحم و بسیاری از عروق خونی وجود دارد، به آن عضله ی صاف احشایی هم می گویند.
شکل 2- عناصر انقباض پذیر عضله ی صاف
-2-1-3مکانیسم انقباض در عضله صاف
– اساس شیمیایی انقباض عضله ی صاف:
عضله ی صاف دارای هر دو فیلامان اکتین و میوزین است که خصوصیات شیمیایی آن ها مشابه فیلامان های اکتین و میوزین در عضله اسکلتی است. این عضلات کمپلکس طبیعی تروپونین را که برای کنترل انقباض عضله ی اسکلتی لازم است ندارد، زیرا مکانیسم کنترل انقباض آن ها متفاوت است. مطالعات شیمیایی نشان داده اند که نحوه ی تعامل فیلامان های اکتین و میوزین عضله ی صاف تقریبا به همان صورت فیلامان های عضله اسکلتی است. ضمنا یون های کلسیم فرآیند انقباض را فعال می کنند و انرژی حاصل از تجزیه ATP به ADP صرف انقباض می شود. البته تفاوتصهای عمده ای بین عضلات صاف و اسکلتی از نظر سازمان فیزیکی، زوج تحریک-انقباض، کنترل فرآیند،ا نقباض با کلسیم، مدت انقباض، و مقدار انرژی لازم برای انقباض وجود دارد.
– اساس فیزیکی انقباض عضله صاف
ترتیب قرارگیری فیلامان های اکتین و میوزین در عضله ی صاف بر خلاف عضله ی اسکلتی به صورت مخطط نیست. برخی از اجسام متراکم به غشای سلول چسبیده اند. بقیه در سلول های دیگر پراکنده اند. برخی از اجسام متراکم سلول های مجاور نیز به وسیله پل های پروتئینی بین سلولی به هم متصلند. انتقال نیروی انقباض از سلولی به سلول دیگر عمدتا از طریق این اتصالات صورت می گیرد.
تعداد کمی فیلامان میوزین در لابلای فیلامان های اکتین در فیبر عضلانی پراکنده شده است. قطر این فیلامان ها بیش از 2 برابر قطر فیلامان های اکتین است.
تفاوت دیگری هم وجود دارد: اکثر فیلامان های میوزین دارای پل های عرضی موسوم به کنار قطبی هستند، به طوری که پل های یک طرف در یک جهت خم شده اند و پل های طرف دیگر در جهت مقابل. بدین ترتیب میوزین می تواند یک فیلامان اکتین را که در یک طرف آن قرار گرفته در یک جهت بکشد و همزمان فیلامان اکتین دیگری را که در طرف دیگر آن واقع است در جهت مقابل بکشد.
ارزش چنین ساختاری در این است که به سلول های عضله صاف امکان می دهد تا 80% از طولشان منقبض شوند، در حالی که عضله ی اسکلتی حداکثر تا 30%طول خود منقبض می شود.
– مقایسه انقباض در عضله صاف و اسکلتی
اکثر عضلات اسکلتی به سرعت منقبض و بعد منبسط می شوند،اما انقباض اکثر عضلات صاف طولانی و تونوسی است، به طوری که گاه ساعت ها یا حتی روزها طول می کشد. پس خصوصیات عضلات صاف و اسکلتی متفاوت است. برخی از تفاوت ها از این قرارند.
شکل 3- تفاوت انقباض در عضله ی صاف و اسکلتی
– چرخه ی کند پل های عرضی میوزین:
سرعت چرخه ی پل های عرضی در عضله ی صاف بسیار کندتر از چرخه ی عضله ی اسکلتی است، بطوریکه فرکانس آن حدود 10/1 تا 300/1 فرکانس چرخه در عضله ی اسکلتی می باشد. با وجود این معتقدند که درصد زمانی که پل های عرضی به فیلامان های اکتین متصل می مانند در عضله صاف تا حدود زیادی بیشتر است. یکی از علل احتمالی کندی چرخه این است که فعالیتATPase سر پل های عرضی در عضله ی صاف بسیار کمتر از عضله ی اسکلتی است، به طوری که تجزیه ی ATP که انرژی لازم برای جابجایی سر را تامین می کند کاهش می یابد و در نتیجه سرعت چرخه کم می شود.
– انرژی لازم برای حفظ انقباض عضله ی صاف:
انرژی لازم برای حفظ یک تانسیون مشخص، انقباضی در عضله صاف حدود 10/1 تا 300/1 همین انرژی در عضله ی اسکلتی است. علت این مورد را نیز کندی چرخه ی اتصال و جدایی پل های عرضی می دانند، و این که هر چرخه صرف نظر از مدت آن، تنها به یک مولکولATP نیاز دارد.
این اعتدال در مصرف انرژی توسط عضله ی صاف در اقتصاد انرژی کل بدن بی نهایت مهم است، زیرا اعضایی نظیر روده ها ، مثانه ، کیسه ی صفرا باید انقباض عضلانی تونوسی خود را تقریبا به طور نامحدود حفظ کنند.
– کندی شروع انقباض و انبساط کل بافت عضله ی صاف:
بافت تیپیک عضله صاف حدود 50 تا 100 میلی ثانیه پس از تحریک منقبض می شود ، حدود نیم ثانیه بعد به حداکثر انقباض می رسد و پس از 1 تا 2 ثانیه دیگر نیروی انقباضی آن فروکش می کند، بطوریکه زمان کلی انقباض حدود 1 تا 3 ثانیه است. این زمان حدود 30 برابر میانگین مدت زمان یک انقباض در عضله ی اسکلتی است. انواع گوناگون عضله ی صاف وجود دارد که زمان انقباض آن ها از 10/2 ثانیه تا 30 ثانیه متغیر است. علت کندی شروع انقباض در عضله ی صاف و نیز زمان طولانی انقباض این است که پل های عرضی به کندی به اکتین متصل و از آن جدا می شود. ضمنا شروع انقباض در پاسخ به یون های کلسیم بسیار کندتر از عضله ی اسکلتی است.
– نیروی انقباض عضله:
اگرچه فیلامان های میوزین عضله ی صاف نسبتا معدودند و چرخه ی پل های عرضی نیز کند است ولی حداکثر نیروی انقباضی عضله ی صاف غالبا حتی از حداکثر نیروی عضله ی اسکلتی نیز بیشتر است، یعنی حدود 6-4 کیلوگرم در هر سانتی متر مربع در مقایسه با 4-3 کیلوگرم در عضله ی اسکلتی.
– مکانیسم قفل شدن جهت حفظ طولانی عضله ی صاف:
پس از ایجاد انقباض کامل در عضله ی صاف معمولا می توان میزان تحریک عضله را بسیار کمتر از حد اولیه کرد و با وجود این عضله حداکثر انقباض خود را حفظ خواهد کرد. این پدیده به مکانسیم قفل شدن معروف است. اهمیت مکانیسم قفل شدن در این است که عضلات صاف می توانند اتقباض تونوسی خود را با مصرف انرژی ناچیز در طول ساعت ها حفظ کنند.
– انبساط عضله ی صاف بر اثر کشش:
یکی دیگر از ویژگی های مهم عضله ی صاف این است که ظرف چند ثانیه تا چند دقیقه پس از کوتاه یا درازشدن می تواند نیروی اولیه ی انقباضی خود را تقریبا به طور کامل باز یابد. به این پدیده ها انبساط ناشی از کشش و انقباض ناشی از رهایی می گویند. اهمیت آن ها در این است که به عضو توخالی اجازه می دهند که صرف نظر از تغییرات بزرگ بلند مدت حجم فشار درون مجرای خود را تقریبا ثابت نگهدارد.
– تنظیم انقباض توسط یون کلسیم:
همانند عضلات اسکلتی افزایش یون کلسیم داخل سلولی عامل شروع کننده ی انقباض در عضلات صاف است. علت افزایش کلسیم تحریک عصبی فیبر عضله ی صاف، تحریک هورمونی، کشیدگی فیبر یا حتی تغییرات محیط شیمیایی فیبر می تواند باشد. البته عضله ی صاف فاقد پروتئین تنظیمی تروپونین است که در عضله ی اسکلتی توسط کلسیم فعال می شود. در عوض ، انقباض عضله ی صاف را مکانیسمی کاملا متفاوت تحریک می کند.
– ترکیب یون کلسیم با کالمودلین- فعال شدن میوزین کیناز و فسفریلاسیون سر میوزین:
سلول های عضله ی صاف به جای تروپونین دارای کالمودلین هستند. اگرچه این پروتئین از نظر واکنش با 4 یون کلسیم مشابه تروپونین است ولی انقباض را به نحو دیگری شروع می کند. کالمودلین این کار را با فعال کردن پل های عرضی میوزین انجام می دهند.
فعال شدن وانقباض متعاقب آن طی مراحل زیر صورت می گیرد:
* یون های کلسیم به کالمودلین متصل می شوند.
* سپس ترکیب کالمودلین-کلسیم به میوزین کیناز که یک آنزیم فسفریله کننده است می چسبد و آن را فعال می کند.
* میوزین کیناز یکی از رشته های سبک هر سر میوزین موسوم به رشته ی تنظیم کننده را فسفریله می کند. چرخه ی اتصال- جدایی سر میوزین با فیلامان اکتین اتفاق نمی افتد اگر این رشته فسفریله نباشد. اما اگر این رشته فسفریله باشد، سر میوزین می تواند مکررا به اکتین بچسبد.
شکل 4- مکانیسم انقباض در عضله ی صاف
– توقف اتقباض- نقش میوزین فسفات هاست. هنگامیکه غلظت کلسیم که کمتر از یک حد مشخص برسد، تمام واکنش های مذکور به جز فسفریلاسیون سر میوزین به طور خودکار معکوس می شوند. برگشت واکنش فسفریلاسیون به آنزیم میوزین فسفاتاز نیاز دارد که در مایع سلولی عضله ی صاف قرار دارد و فسفات را از رشته ی سبک تنظیم کننده جدا می کند، سپس چرخه و انقباض متوقف می شود.
– یک مکانیسم احتمالی جهت تنظیم پدیده ی قفل شدن:
نظر به اهمیت این پدیده تلاش های زیادی برای توجیه آن صورت گرفته است. یکی از ساده ترین مکانیسم های مطرح شده چنین است. اگر هر دو آنزیم میوزین کیناز و میوزین فسفاتاز به شدت فعال باشند، فرکانس چرخه ی سر میوزین وسرعت انقباض زیاد است. آنگاه با کاهش فعالیت آنزیم ها، فرکانس چرخه کم می شود ولی فعالیت کم آنزیم ها باعث اتصال طولانی تر سرهای میوزین به اکتین می گردد. نظر به این که نیروی ایستای انقباض به تعداد سرهای متصل به اکتین بستگی دارد، تانسیون حفظ می شود یا قفل می شود. با وجود این عضله انرژی ناچیزی مصرف می کند، زیرا جز در موارد نادر که سر جدا شود، ATP به ADP نمی شکند.
– کنترل عصبی و هورمونی انقباض عضله ی صاف:
عضله ی اسکلتی منحصرا توسط دستگاه عصبی فعال می شود، در حالیکه انواع متعددی از پیام ها می توانند عضله ی صاف را وادار به انقباض کنند:
پیام های عصبی، تحریک هورمونی، کشیدگی عضله و…
دلیل اصلی این تفاوت آن است که غشای عضله ی صاف دارای انواع زیادی از پروتئین های گیرنده است که می توانند روند انقباض را شروع کنند. تفاوت دیگر این است که گیرنده ی پروتئینی دیگری نیز در عضله ی صاف وجود دارد که انقباض را مهار می کند.
-3-1-3پیوستگاه عصبی- عضلانی در عضله ی صاف:
– آناتومی فیزیولوژیک پیوستگاه های عصبی – عضلانی در عضله ی صاف:
عضله ی صاف بر خلاف عضله ی اسکلتی فاقد پیوستگاه های با ساختمان پیچیده و عالی می باشد. در عوض، فیبرهای عصبی اوتونوم که به عضله ی صاف می روند عموما بر روی ورقه ای از فیبرهای عضله منشعب می شوند. این فیبرها اکثرا تماس مستقیم با فیبرهای عضله ی صاف ندارند بلکه پیوستگاه هایی منتشر را می سازند که ماده ی میانجی خود را به درون ماتریس پوشاننده ی عضله ی صاف ترشح می کنند، سپس ماده ی میانجی به درون سلول ها منتشر می شود.ضمنا در جاهاییکه چندین لایه ی سلول عضلانی وجود دارد، فیبرهای عصبی غالبا تنها به لایه ی بیرونی می روند و سپس انتقال پتانسیل عمل در توده ی عضلانی یا انتشار بعدی ماده ی میانجی باعث گسترش تحریک عضلانی می شود. آکسون هایی که به فیبرهای عضله ی صاف می روند بر خلاف عضله ی اسکلتی فاقد پایک های انتهایی و منشعب شونده ی تیپیک هستند. در عوض اکثر آکسون های ظریف انتهایی دارای بر آمدگی های متعددی می باشند. این نقاط آکسون فاقد سلول های شوان هستند که آکسون را در بر می گیرند، به طوریکه ماده ی میانجی می تواند از طریق جدار برآمدگی ها ترشح شود.
این بر آمدگی ها دارای ویزیکول هایی مشابه وزیکول های صفحه ی محرکه ی انتهایی در عضله ی اسکلتی هستند که حاوی مواد میانجی می باشد. اما بر خلاف ویزیکول های پیوستگاه های عضله ی اسکلتی که همیشه استیل کولین دارند، ویزیکول های پایانه های عصبی اتونوم در برخی از فیبرها حاوی استیل کولین و در برخی نوراپی نفرین هستند.
در چند مورد به ویژه در عضله ی صاف چند چند واحدی تنها غشایی به ضخامت nm20-30 بین برآمدگی ها و غشای سلول عضله فاصله می اندازد. این مکان ها پیوستگاه تماسی نام دارد. زمان عکس العمل انقباض در این گونه فیبرهای عضلانی صاف به مقدار چشم گیری کوتاه تر از زمان فیبرهایی است که با پیوستگا ه های منتشر تحریک می شوند.
– مواد میانجی تحریکی و مهاری در پیوستگاه عصبی – عضلانی عضله ی صاف:
مهمترین این مواد استیل کولین ونوراپی نفرین هستند، اما این دو هیچ گاه از یک فیبر عصبی واحد ترشح نمی شوند. استیل کولین یک ماده ی میانجی است که بر روی برخی عضلات صاف اثر تحریکی دارد و در برخی دیگر از اعضا اثر مهاری.
معمولا اگر استیل کولین یک فیبر عضلانی را تحریک نماید، نوراپی نفرین آن را مهار می کند و بر عکس. اما علت این پاسخ های متفاوت چیست؟
پاسخ این است که هم استیل کولین وهم نوراپی نفرین جهت تحریک یا مهار نخست به یک پروتئین گیرنده در سطح غشای سلولی- عضلانی متصل می شوند. برخی از پروتئین ها گیرنده ی تحریکی هستند، در حالیکه بقیه مهاری می باشند، لذا نوع گیرنده تعیین می کند که اولا عضله باید تحریک شود یا منقبض شود وثانیا کدام یک از دو میانجی موجب تحریک یا انقباض می شود.
-4-1-3پتانسیل غشا و پتانسیل عمل در عضله ی صاف:
– پتانسیل غشا در عضله ی صاف:
مقدار کمی پتانسیل غشا در انواع مختلف عضله ی صاف بسته به شرایط لحظه ای عضله فرق می کند. معمولا پتانسیل داخل سلولی در وضعیت استراحت حدود 50- تا 60- میلی ولت است.
– پتانسیل عمل در عضله ی صاف تک واحدی:
پتانسیل عمل در عضلات صاف تک واحدی نظیر عضله ی احشایی به همان طریقی اتفاق می افتد که در عضله ی اسکلتی است اما پتانسیل عمل در بسیاری از عضلات صاف چند واحدی و شاید اکثر آن ها ایجاد نمی شود.
پتانسیل عمل عضله ی صاف احشایی به دو شکل است:
* پتانسیل نیزه ای
* پتانسیل کفه دار
– پتانسیل های نیزه ای:
پتانسیل عمل نیزه ای شاخص همچون پتانسیل عضله ی اسکلتی در اکثر عضلات صاف چند واحدی اتفاق می افتد. مدت این پتانسیل بین 10-50 میلی ثانیه است.
– پتانسیل عمل کفه دار:
شروع آن شبیه پتانسیل تیپیک نیزه ای است ولی در این مورد غشای فیبر عضله به سرعت رپلاریزه نمی شود بلکه پس از چند صد تا 1000 میلی ثانیه تاخیر رپلاریزه می شود. اهمیت وجود کفه در این است که می تواند باعث دوره های طولانی انقباض در برخی انواع عضله ی صاف مانند حالب، در برخی شرایط در رحم و برخی انواع عضله ی صاف عروق شود.
– اهمیت کانال های کلسیم در تولید پتانسیل عمل در عضله ی صاف:
تعداد کانال های ولتاژی کلسیم در غشای سلولی عضله ی صاف بسیار بیش از عضله ی اسکلتی است ولی تعداد کانال های سدیم در آن ناچیز است. بنابراین سهم سدیم در تولید پتانسیل عمل کم است و در عوض عامل اصلی پتانسیل عمل در این عضلات ورود یون کلسیم به درون فیبر می باشد. البته کانال های کلسیم بسیار کندتر از کانال های سدیم باز می شوند، اما زمان بیشتری باز می مانند.
این امر تا حدود زیادی پتانسیل عمل طولانی و کفه دار را در برخی از فیبرهای عضله ی صاف توجیه می کند. یکی دیگر از ویژگی های مهم ورود کلسیم در حین پتانسیل عمل به درون سلول این است که همان کلسیم وارده مستقیما بر مکانیسم انقباضی عضله ی صاف اثر می کند و سبب انقباض می گردد و لذا کلسیم هم زمان دو کار انجام می دهد.
پتانسیل های دارای موج آهسته در عضله ی صاف تک واحدی و تولید خودبخود پتانسیل عمل:
برخی از عضلات صاف خاصیت خودتحریکی دارند، یعنی پتانسیل عمل از خود سلول های عضله ی صاف شروع می شود. این حالت غالبا با یک ریتم موج آهسته در پتانسیل غشا همراه است. خود موج آهسته پتانسیل عمل نیست، یعنی روندی خود افزا نیست که تدریجا بر روی غشای فیبرهای عضله پخش شود، بلکه خاصیت موضعی فیبرهای عضله ی صاف است که توده ی عضلانی را می سازد.
علت ریتم موج آهسته معلوم نیست. یک فرضیه این است که نوسان عمل پمپ یون های مثبت در تخلیه ی این یون ها از غشای فیبر عضله باعث این حالت می شود. اهمیت موج آهسته این است که در صورت قوت کافی می تواند پتانسیل عمل را شروع نماید. خود موج آهسته نمی تواند عضله را وادار به انقباض کند، بلکه اگر قله ی پتانسیل منفی موج آهسته از 60- میلی ولت به بالاتر از حدود 35- میلی ولت برسد، پتانسیل عمل ایجاد می شود و سپس انقباض رخ می دهد. این پتانسیل های عمل یک رشته انقباضات ریتمیک توده ی عضله ی صاف را برمی انگیزند، لذا امواج آهسته را امواج پیش آهنگ نیز می نامند.
2-3 -تحریک عضله ی صاف احشایی با کشیدگی عضله:
اگر عضله ی صاف احشایی به حد کافی کشیده شود معمولا پتانسیل عمل خودبخود ایجاد می کند. علت ایجاد پتانسیل عمل عبارت است از:
* پتانسیل طبیعی موج آهسته
* کاهش پتانسیل منفی غشا بر اثر خودکشیدگی.
چنین پاسخی به کشیدگی به جدار روده امکان می دهد که در صورت کشیده شدن بیش از حد، به وطور خودکار و ریتمیک منقبض شود.
– دپلاریزاسیون عضله ی صاف چند واحدی بدون پتانسیل عمل:
فیبرهای عضلات صاف چند واحدی در حالت طبیعی بیشتر در پاسخ به محرک های عصبی منقبض می شود. در برخی از عضلات صاف چند واحدی استیل کولین از پایانه ی اعصاب ترشح می شود ودر برخی دیگر نوراپی نفرین. هر دو میانجی مزبور باعث دپلاریزاسیون در غشای عضله ی صاف می شود که خود باعث انقباض می گردد. معمولا پتانسیل عمل ایجاد نمی شود، زیرا فیبرها به قدری کوچکند که نمی توانند پتانسیل عمل تولید کنند. با وجود این، در سلول های کوچک عضله ی صاف، حتی بدون پتانسیل عمل نیز میانجی عصبی موجب یک دپلاریزاسیون موضعی به نام پتانسیل پیوستگاهی می شود که به طریقه ی الکتروتونیکی در تمام فیبر پخش می شود و موجب انقباض می شود.
– تاثیر عوامل بافت موضعی و هورمون ها در ایجاد انقباض عضله ی صاف بدون پتانسیل عمل:
احتمالا نیمی از انقباضات عضله ی صاف در اثر عوامل محرکی که مستقیما بر دستگاه انقباضی عضله ی صاف اثر می گذارند، شروع می شوند و پتانسیل عمل ندارند.
دو عامل محرک غیر عصبی و غیر پتانسیل عمل که دخیل هستند، عبارتند از :
* عوامل شیمیایی بافت موضعی
* -هورمون های مختلف.
– انقباض عضله ی صاف در پاسخ به عوامل شیمیایی بافت موضعی:
– تاثیر هورمون ها بر انقباض عضله ی صاف:
اکثر هورمون های گردش خون به درجاتی بر انقباض عضله ی صاف تاثیر می گذارند وبرخی نیز اثراتی عمیق دارند. برخی از مهم ترین هورمون ها که چنین اثراتی دارند، عبارتند از: نوراپی نفرین، اپی نفرین، استیل کولین، آنژیوتانسین، وازوپرسین، اکسی توسین، سروتونین و هیستامین.
اگر غشای سلول عضله دارای گیرنده های تحریکی وابسته به هورمون باشد، هورمون مربوطه باعث انقباض عضله ی صاف می شود. متقابلا اگر غشا به جای گیرنده های تحریکی دارای گیرنده های مهاری باشد، آن هورمون انقباض را مهار می کند.
– مکانیسم های تحریک یا مهار عضله ی صاف به وسیله ی هورمون ها یا عوامل بافت موضعی:
برخی گیرنده های هورمونی غشای عضله ی صاف، کانال های سدیم یا کلسیم را باز می کنند و غشا را همچون حالت پس از تحریک عصبی، دپلاریزه می سازند.
گاهی پتانسیل عمل ایجاد می شود که ممکن است پتانسیل های ریتمی که از قبل وجود داشته اند تقویت شوند. متقابلا زمانی که هورمون یا سایر عوامل بافتی، کانال های سدیم و کلسیم را ببندند تا از ورود این یون های مثبت جلوگیری شود، مهار می تواند صورت پذیرد. باز شدن کانال های پتاسیم نیز به یون های مثبت پتاسیم اجازه ی خروج می دهد و می تواند باعث مهار شود.
در هر دو مورد، بار منفی درون سلول عضلانی زیاد می شود که به آن هیپرپلاریزاسیون می گویند. هیپرپلاریزاسیون انقباض عضله شدیدا مهار می کند. گاهی هورمون ها بدون ایجاد تغییر مستقیم در پتانسیل غشا انقباض را تحریک یا مهار می کنند. در این موارد ممکن است هورمون یک گیرنده ی غشایی را فعال کند که به جای باز کردن نوعی کانال یونی یک تغییر داخلی در فیبر عضلانی ایجاد کند. مکانیسم های گیرنده ای دیگری نیز برای مهار انقباض شناخته شده اند که آنزیم آدنیلات سیکلاز یا گوانیلات سیکلاز درون غشای سلول را فعال می کنند. قسمت هایی از گیرنده به درون سلول برجسته می شود و موجب ساخت آدنوزین مونو فسفات حلقوی یا گوانوزین مونو فسفات حلقوی که به پیک ثانویه معروفند. خود cAMP و cGMP تاثیرات بسیار دارند که یکی از آن ها عبارتند از تغییر میزان فسفریلاسیون آنزیم های متعددی که به طور غیر مستقیم انقباض را مهار می کنند. پمپی که یون کلسیم را از سارکوپلاسم به درون شبکه ی سارکوپلاسمی می راند و نیز پمپ غشای سلول که کلسیم را از سلول بیرون می راند فعال می شوند. این عوامل موجب کاهش غلظت کلسیم در سارکوپلاسم می شود. عضلات صاف از نظر چگونگی شروع انقباض یا انبساط در پاسخ به هورمون های مختلف و سایر مواد بسیار متنوع اند.
منابع یون کلسیم که عامل انقباض است:
* از راه غشای سلول
* از شبکه ی سارکوپلاسمی
اگرچه کلسیم روند انقباض را در عضله ی صاف و نیز عضله ی اسکلتی فعال می کند، ولی منبع یون کلسیم در عضله ی صاف تفاوتی چشم گیر دارد، زیرا شبکه ی سارکوپلاسمی که تقریبا تمام کلسیم لازم برای انقباض عضله ی اسکلتی از آن تامین می شود، در اکثر عضلات حالت بدوی دارد. در عوض در اکثر انواع عضله ی صاف، تقریبا تمام کلسیمی که موجب انقباض می شود در زمان پتانسیل عمل یا سایر تحریک ها از مایع خارج سلولی وارد عضله می شود. غلظت یون کلسیم در مایع خارج سلولی به میزان قابل قبولی بالاتر از غلظت آن در سلول عضله ی صاف است، این امر باعث انتشار سریع کلسیم از مایع خارج سلولی به درون سلول می شوند. زمان لازم برای انتشار معمولا حدود 300-200 میلی ثانیه است که به آن زمان عکس العمل پیش از شروع انقباض می گویند.
– نقش شبکه ی سارکوپلاسمی در انقباض عضله ی صاف:
تورفتگی های کوچکی از غشا به نام غارهای کوچک بر سطح توبول ها مماس هستند. معتقدند که این غارهای کوچک، مشابه بدوی دستگاه توبول عرضی در عضله ی اسکلتی هستند. وقتی که پتانسیل عمل به درون این غارهای کوچک می رسند موجب آزادشدن یون کلسیم از توبول های مماسی می گردند، همجنانکه پتانسیل عمل در توبول های عرضی موجب آزاد شدن کلسیم از توبول های طولی می شود.
– تاثیر غلظت یون کلسیم خارج سلولی بر انقباض عضله ی صاف:
اگرچه انحراف غلظت کلسیم مایع خارج سلولی از حد طبیعی تقریبا هیچ تاثیری بر نیروی انقباض عضله ی اسکلتی ندارد، ولی این امر در مورد بیشتر عضلات صاف صادق نیست. هرگاه غلظت کلسیم مایع خارج سلولی به حدود 3/1 تا 10/1 حد طبیعی برسد معمولا انقباض عضله ی صاف متوقف می شود.
– پمپ کلسیم برای انقباض عضله ی صاف لازم است:
برای پایان دادن به انقباض عضله ی صاف لازم است یون کلسیم از مایع داخل سلولی پیرامون اکتین ومیوزین برداشته شود. برای این منظور، یک پمپ کلسیم، یون کلسیم را از عضله ی صاف به مایع خارج سلولی پمپ می کند یا به درون شبکه می فرستد. این پمپ در مقایسه با پمپ های تند اثر شبکه ی سارکوپلاسمی عضله ی اسکلتی کند عمل می کند. لذا بر خلاف عضله ی اسکلتی که مدت انقباض آن در حد چند صدم تا چند دهم ثانیه است، مدت انقباض هر عضله ی صاف در حد ثانیه هاست.
-4مدل
-1-4تشریح مدل:
بیوفیزیک تحریک- انقباض در یک میوسیت رحمی شامل سه مرحله ی هم زمان است: ورود کلسیم در پاسخ به دپلاریزاسیون غشا، خروج کلسیم از سلول و انقباض میوسیت (شکل 5).
شکل 5-توصیف کلی مدل که شامل سه فرآیند است: 1-ورود کلسیم از طریق کانال های ولتاژی 2 خروج کلسیم از طریق پمپ ها و تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی در غشای پلاسما 3- انقباض عضله و تولید نیرو
– فرآیند1(رابطه ی 3-1):
فرض می شود که ورود کلسیم به دنبال دپلاریزاسیون غشا از طریق VOCCs نوع L اتفاق می افتد. این فرآیند به وسیله ی ولتاژ غشا کنترل می شود و وقتی رپلاریزاسیون غشا کانال ها را غیرفعال می کند، متوقف می شود. از نقش کانال های کلسیمی نوع T برای ورود کلسیم به مایوسیت برای ولتاژ استراحت غشا در محدوده ی 50- تا 35- میلی ولت می تواند صرف نظر شود، زیرا این کانال ها در ولتاژ بالاتر از 60- میلی ولت غیرفعال هستند. علاوه براین، عقیده این است که این کانال ها برای بکارگیری کانال های نوع L محاسبه می شود، از آنجاییکه کانال های نوع L بیشتر جریان کلسیم داخلی را وارد می کنند.
خصوصیات وابسته به زمان کانال های کلسیمی ولتاژی نوع L در نظر گرفته نمی شود و ورود کلسیم توسط کانال ها فرض شده تا فقط وابسته به ولتاژ غشا باشند و یا به عبارتی تغییرات وابسته به زمان در هدایت کانال ها فرض شده در برابر تغییرات وابسته به ولتاژ نسبتا کوچک باشد. این فرض برای دپلاریزاسیون های مختصر غشای سلول معقول می باشد، وقتیکه مقدار مطلوب، مقدار کلسیم درونی به سلول به دنبال دپلاریزاسیون و نه تغییرات وابسته به زمان در جریان کلسیمی کانال ها است.
از آنجایی که غیرفعال سازی کانال ها در نظر گرفته نمی شود، مدل ممکن است کلسیم ورودی به داخل سلول را در مراحل اخیر پاسخ به دپلاریزاسیون ها یا پتانسیل های عمل تخمین اضافی بزند.
کلسیم آزاد شده از SR شکل غلظت کلسیم ورودی را فقط برای انواع پیچیده ای از تحریک تغییر می دهد و از این رو آن در این مرحله محاسبه نمی شود. تخمین نقصانی غلظت کلسیم درونی که با این فرض به دست می آید، ممکن است با تخمین اضافی کلسیم درونی از طریق کانال های کلسیمی ولتاژی نوع L در نتیجه ی چشم پوشی غیر فعال سازی وابسته به زمان جبران شود. اثرات این فرضیات در افزایش غلظت کلسیم درونی در نتایج مشاهده می شود(بخش 3.1).
– فرآیند دوم(رابطه ی 4): دو مکانسیم به منظور خروج کلسیم از درون سلول که غلظت کلسیم درون سلول را کاهش می دهد در نظر گرفته می شود: پمپ های کلسیم و تبادلگر سدیمی/کلسیمی در غشای پلاسما. از آنجاییکه مکانیسم های مسئول ورود کلسیم به SR نقش جزئی در کاهش غلظت کلسیم داخل سلولی بازی می کند از این رو در محاسبات در نظر گرفته نمی شود. پمپ ها کلسیم را از داخل سلول وقتی غلظت کلسیم درونی زیاد باشد، خارج می کنند. جهت جریان کلسیمی از طریق تبادلگر سدیمی/کلسیمی به وسیله ی اختلاف بین پتانسیل غشا و پتانسیل تبادل کننده ها تنظیم می شود.
ولتاژ معکوس به نوبه ی خود از طریق غلظت کلسیم و سدیم داخل سلولی تنظیم می شود. در ولتاژ کمتر از ولتاژ معکوس، تبادل گر ها کلسیم را از داخل سلول خارج می کنند و در ولتاژهای بیشتر از آن کلسیم وارد سلول می شود تا زمانی که وابستگی این مکانیسم به غلظت سدیم داخل سلولی عملکردش را در جهت معکوس ادامه دهد. از آنجائیکه مکانسیم های کنترل سدیم در مدل در نظر گرفته نشده است، محاسبه ی تغییرات در غلظت سدیم داخل سلولی به عنوان تابعی از زمان خارج از محدوده ی مدل است. از این رو غلظت سدیم داخل سلولی ثابت فرض شده است.
در طی آزمایشات ولتاژ کلمپ سلول در محلول هایی که حاوی mM2 کلسیم است، قرار گرفته است. غلظت کلسیم خارج سلولی همواره بیشتر از افزایش در غلظت کلسیم داخل سلول در هنگام انقباض که مقدار آن کمتر از 1 است، می باشد. از این رو غلظت کلسیم خارج سلولی فرض شده که ثابت باشد و ورود کلسیم به درون سلول روی آن تاثیر نگذارد. همچنین غلظت سدیم خارج سلولی در شبیه سازی ثابت و mM140 فرض شده است و برای ترکیب بالای سلول ها استفاده می شود.
فرآیندهای 1و 2 سطح غلظت کلسیم داخل سلولی را به وسیله ی رابطه ی 6 شرح می دهند.
– فرآیند 3 (روابط 9-7): فشار تولید شده از طریق انقباض سلول ها با استفاده از مدل پل عرضی 4 مرحله ای Hai و Murphy شرح داده می شود که این مدل به منظور سلول های عضله ی صاف شریان ها و نای توسعه داده شده است.
مدل مقادیر نسبی فسفریلاسیون میوزین و شکل گیری پل عرضی را و همچنین دفسفریلاسیون میوزین و شکل گیری پل های متصل را شرح می دهد. از این رو مدل می تواند فشار تولید شده از طریق سلول را محاسبه نماید. این فشارها فرض شده تا متناسب با نیروهای تولیدشده به وسیله ی سلول در هنگام آزمایشات با هر یک از سلول های تک یا نواری از بافت میومتریال است.
5- روابط حاکم:
– فرآیند 1: بازشدن کانال های کلسیمی ولتاژی نوع L
جریان کلسیم ناشی از همه ی کانال های ولتاژی کلسیمی نوع L سلول از طریق ولتاژ غشا مطابق با مدل غشای Hodgkin_Hoxley محاسبه شد. این مسئله به وسیله ی رابطه ی زیر شرح داده شد:
که در آن هدایت کانال های ولتاژی کلسیمی نوع L در غشای سلول است که با رابطه ی 3 شرح داده می شود و پتانسیل نرنست کلسیم است.
جربان مستقیما وابسته به ورود کلسیم است.(Jvocc). جربان مثبت نشان می دهد که یون ها از سیتوپلاسم به فضای خارج سلولی جریان می یابند. از این رو جریان یون ها به داخل سلول به وسیله ی رابطه ی زیر تعریف می شود:
که در آن 2= برابر ظرفیت کلسیم و نشان دهنده ی حجم سلول و ثابت فاراده را نشان می دهد. پتانسیل نرنست کلسیم این چنین تعریف می شود:
که در آن R ثابت حقیقی گاز و T دمای مطلق است(بر حسب کلوین). ماکزیموم جریان ورودی از طریق کانال ولتاژی کلسیمی نوع L سلول به دنبال دپلاریزاسیون از یک ولتاژ ثابت مفروض، یک رابطه ی U شکل را با ولتاژ دپلاریزاسیون نشان می دهد. از این رو هدایت کلسیمی وابسته به ولتاژ می تواند با استفاده از منحنی فعال سازیBoltzman شرح داده شود.
که در آن ماکزیموم هدایت کلسیمی و(t) تابعی از ولتاژ غشا است که به وسیله ی تابع فعال ساز زیر شرح داده می شود:
که در آن پتانسیل فعال سازی نیمی از کانال های ولتاژی کلسیمی نوع L است. (یعنی پتانسیل در حالتی که نیمی از کانال ها باز هستند) و شیب تابع فعال سازی در است.
– فرآیند 2: خروج کلسیم از سلول:
انتشار به خارج کلسیم از طریق پمپ های کلسیمی در غشای پلاسما با استفاده از تابع Hill مطابق رابطه ی زیر تعریف می شود:
که در آن n ضریب Hillاست، غلظت کلسیم برای فعال سازی نیمی از پمپ ها و ماکزیموم سرعت خروج کلسیم از طریق پمپ ها است.(بر حسبmM/sec ) .
تبادلگر سدیمی/کلسیمی می تواند کلسیم را وارد سلول و یا از آن خارج نماید. در شرایط فیزیولوژیکی معمولی، تبادلگر ها اغلب کلسیم را از سلول خارج می نمایند. جریان کلسیم از طریق همه ی تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی در سلول می تواند با رابطه ی زیر شرح داده شود:
که در آن هدایت تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی در سلول است و غلظت کلسیم در فعال سازی نیمی از تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی از طریق کلسیم است. ولتاژ معکوس تبادلگر سدیمی/کلسیمی ، به صورت زیر است:
پتانسیل نرنست سدیم به صورت زیر است:
که غلظت سدیم خارج سلولی است و غلظت سدیم داخل سلولی است. غلظت سدیم خارج سلولی مطابق با شرایط آزمایش شبیه سازی شده تنظیم شده است.
غلظت سدیم داخلی برای تطبیق با نتایج آزمایش، بهبود داده شد. غلظت کلی کلسیم داخل سلولی از طریق انتشار به داخل و خارج سلول، کنترل شده است، بنابراین:
در این رابطه، اثرات گذرای بافرشدن کلسیم از طریق SR محاسبه نمی شود.اثر دائمی بافرشدن در رابطه در نظر گرفته شده است اما نه با صراحت. که این اثر می تواند با ضرب نمودن سمت راست رابطه در عددی بین (1-0) به دست آید. از این رو فقط بخشی از کلسیم ورودی به سلول غلظت کلسیم داخل سلولی را افزایش می دهد درحالیکه بقیه از طریق پروتئین های بافرکننده مصرف می شود.
از آنجاییکه هر یک از جریان ها در سمت راست رابطه از طریق یک هدایت ویژه که به منظور تطبیق با نتایج آزمایش تنظیم شده بود، اسکیل می شود، ضرب رابطه در ضریب بافر زائد می باشد.
اثر بافرکردن برای هدایت های کم می تواند تفسیر شود بطوریکه هدایت های بزرگ تر در ضریب بافر کوچک ضرب می شود.
– فرآیند 3: تولید فشار از طریق انقباض سلول عضله ی صاف:
مدل پل عرضی 4 مرحله ای Hai و Murphy برای توصیف کینتیک فسفریلاسیون میوزین و تولید فشار به کار می رود و شامل چهار نوع پل عرضی زیر که نمایش دهنده ی مراحل عملکردی است، می باشد:
* M- غیرفسفریله ی آزاد
* – فسفریله ی آزاد
* – فسفریله ی متصل
* – دفسفریله ی متصل
روابط حاکم تغییرات را در مقادیر نسبی(F) هر نوع پل عرضی به عنوان تابعی از زمان نشان می دهد.
این روابط تحت این محدودیت حل شده است:
که_ ثابت های سرعت واکنش های شیمیایی در انقباض عضلات می باشند. و سرعت دفسفریلاسیون به M و به از طریق MLCPمی باشد. و نمایش دهنده ی سرعت های اتصال و تفکیک پل های عرضی فسفریله شده ی دوره ای سریع است. ثابت سرعت برای تفکیک پل های اتصال یافته است و بنابراین بایستی کمتر از باشد.
و ثابت های سرعت فسفریلاسیون M به و به است از طریق فعال نمودن کمپلکس کالمدولین -MLCK- است.
این ثابت ها به وسیله ی کلسیم تنظیم می شود. رشته ی سبک میوزین کیناز با ترکیب کلسیم به کالمدولین فعال می شود که به دنبال آن کمپلکس کلسیم_کالمدولین با MLCK ترکیب می شود. اگرچه، حساسیت MLCK به افزایش اضافی غلظت کلسیم داخلی منجر به فسفریلاسیون این آنزیم از طریق پروتئین کیناز II وابسته به کلسیم/کالمدولین می شود. در نتیجه فسفریلاسیون MLC در مراحل اولیه انقباض سریع است که در آن غلظت کلسیم داخلی حدودا دو برابر حالت استراحتش است و متعادل تر می شود وقتی غلظت کلسیم داخلی چهار برابر حالت استراحتش می شود.
از این رو، ثابت سرعت فسفریلاسیون میوزین، ، در مراحل اولیه ی انقباض زیاد است و در سطوح بالاتر کم می شود. فرآیند غیرحساس شدن MLCK به طور صریح در این مدل ذکر نشده است. فعال سازی MLCK از طریق غلظت کلسیم داخلی تنظیم می شود و از این رو فسفریلاسیون MLC در ابتدا به سرعت افزایش می یابد و بعدا در طی انقباض به یک حالت پایا و مسطح می رسد.
وابستگی بین ثابت سرعت فسفریلاسیونMLC ، ، و غلظت کلسیم داخلی با رابطه ی زیر شرح داده می شود:
که در آن غلظت کلسیم داخلی مورد نیاز برای فعال سازی نیمی از MLCK ها از طریق کلسیم/کالمدولین است و ضریب Hill فعال سازی است. مقادیر نسبی انواع پل عرضی برای محاسبه ی فسفریلاسیون میوزین و فشار تولید شده به کار می روند. مقدار میوزین فسفریله شده وابسته به مقدار کلی میوزین در سلول است:
فشار تولید شده توسط ماهیچه نسبت به حداکثر فشار ممکن به صورت زیر تعریف می شود:
6- پارامترهای مدل:
پارامترهای مدل می تواند به سه گروه تقسیم شود: پارامترهای کلی که برای تمام میومتریال ها صادق می باشد و در جدول 1 لیست شده است. پارامترهایی که از آزمایشات بافت یک پستاندار معین، هم باردار و هم غیرباردار، تعیین شده اند، که به صورت جزئی در جدول 2 ذکر شده اند. پارامترهای باقیمانده با مینیموم نمودن خطای متوسط مربعات (MSE) بین خروجی مدل و واکنش های اندازه گیری شده سلول تحت شرایط آزمایشگاهی مشابه و با استفاده از Toolbox مطلب صورت گرفت.
یک فرض اولیه برای مقادیر پارامترها بر پایه ی مدل های مشابه، محدودیت های فیزیولوژیکی یا جستجوی شبکه ی با رزولوشن پایین در مرز مقادیر پارامترها ساخته شد.
سپس یک فرآیند مینیموم نمودن محلی برای یافتن مقادیر پارامترهایی که MSE را به یک مینیموم محلی تبدیل می کند، مورد استفاده قرار گرفت. پارامترهای محاسبه شده در جدول 3 لیست شده اند. روابط اصلی بین ثابت های سرعت که توسط Hai&Murphy فرض شده اند، محفوظ مانده اند. بنابراین، = ، = و =. فشار با فاکتور .8 نرمالیزه شده است. از اینرو نتیجه ی محدودیت اول این است که حداکثر تعداد پل های عرضی اتصال یافته 80% کل مقادیر میوزین است.
جدول1- پارامترهای عمومی
جدول2- پارامترهای میومتریای rat باردار از نوشته ها
7- حل روابط مدل:
روابط مدل به صورت عددی و با استفاده از فرمولRunge-kutta(4,5) ، جفت Dormand-Prince در محیط مطلب حل شده است. برای شبیه سازی تغییرات غلظت کلسیم داخلی در پاسخ به ولتاژهای غشای شناخته شده ی مختلف، رابطه ی 6 مکررا حل شد. در هر تکرار، جریان های کلسیم در روابط 1b، 4، و 5a مطابق با غلظت کلسیم داخلی لحظه ای و ولتاژ غشا شرح داده شد. این مقادیر در رابطه ی 6 برای یافتن مشتق لحظه ای غلظت کلسیم داخلی استفاده می شود. برای انواع پیچیده ی شبیه سازی ها ، مانند قطار پالس،گام های زمانی در محدوده ی کمتر از ثانیه قرار گرفت.
برای شبیه سازی فشار تولید شده به وسیله ی انقباض عضلات در پاسخ به غلظت کلسیم داخلی مشخص که هم می تواند اندازه گیری و هم شبیه سازی شود روابط 9-7 به صورت مکرر به صورت زیر حل شد: در هر تکرار، با استفاده از رابطه ی 8 و غلظت کلسیم داخلی هم زمان محاسبه شد. مقادیر محاسبه شده ی و سپس در رابطه ی 7 مورد استفاده قرار گرفت که به صورت هم زمان برای یافتن مشتق لحظه ای جمعیت پل عرضی حل شد. در نهایت، فسفریلاسیون میوزین و فشار نسبی با استفاده از رابطه ی 9 حل شد.
8- نتایج:
– کنترل غلظت کلسیم درون سلولی:
شبیه سازی های کاهش غلظت کلسیم داخل سلولی به منظور تعیین پارامترهای توصیف کننده ی عملکرد مکانیسم های خروج کلسیم، پمپ های کلسیم و تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی صورت گرفت.
سهم مکانیسم های مختلف برای خروج کلسیم از سلول برای کاهش غلظت کلسیم داخلی در عضله ی رحمی موش های rat باردار با مقایسه ی نرخ کاهش در شرایط کنترل شده نسبت به نرخ کاهش وقتی یکی از مکانیسم ها در نظر گرفته نمی شود، مورد مطالعه قرار گرفت. افزایش کلسیم داخل سلول از طریق دنباله ای از پالس های ولتاژ از یک پتانسیل نگهدارنده 80- میلی ولت به پتانسیل 0 میلی ولت صورت گرفت. شبیه سازی ها تحت شرایط مشابه صورت گرفت که به آن اجازه ی تعیین پارامترهای مناسب برای هر مکانسیم مستقل از دیگری را می داد.
جدول 3- پارامترهای حاصل از شبیه سازی ها
پارامترهای توصیف کننده ی خروج کلسیم از طریق تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی (n, ) با استفاده از داده های اندازه گیری شده ی کاهش غلظت کلسیم داخلی با صرف نظر از پمپ های کلسیمی بهبود داده شد.
نتیجه ی این شبیه سازی در شکل 6a نمایش داده شده است. سپس، پارامترهای توصیف کننده ی پمپ های کلسیم() با استفاده از داده های اندازه گیری شده کاهش در شرایط کنترل شده ، وقتی که هر دو مکانیسم فعال باشند، بهبود داده شد. نتیجه ی این شبیه سازی در شکل 6b دیده می شود. پارامترهای مورد استفاده برای این شبیه سازی ها (که بهترین تطبیق را با داده های آزمایشی دارد)در جدول 3 نشان داده شده است. غلظت محاسبه شده با استفاده از مدل با داده های حاصل از آزمایش تطبیق خوبی دارد.
شکل 6- شبیه سازی کاهش بر حسب نانومولار.(a) کاهش با صرف نظر از پمپ کلسیمی (b) کاهش تحت شرایط کنترل شده
شبیه سازی های افزایش و کاهش با پالس های ولتاژ با دوره ی 200ms ، از یک پتانسیل نگهدارنده50mv- به پتانسیل های مختلف به منظور تایید اینکه مدل به درستی پاسخ سلول را به انواع اساسی تحریک ها شرح می دهد، انجام شده است. دو پارامتر مطابق با نتایج این شبیه سازی ها تنظیم شده است: غلظت سدیم داخل سلولی و حداکثر هدایت کلسیم () . پتانسیل غشای سلول غلظت همه ی یون ها در سلول را متاثر می کند. از آنجاییکه پتانسیل نگهدارنده در آزمایشات باپتانسیل نگهدارنده مورد استفاده در شبیه سازی های قبلی متفاوت است، و از این رو ولتاژ معکوس تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی انتظار می رود تغییر کند. بنابراین، مقدار تنظیم قبلی این پارامتر برای این شبیه سازی ها تغییر کرده است. از این رو مقادیر تنظیم شده ی قبلی این پارامترها برای این شبیه سازی ها تغییر کرده است. در عوض، حداکثر جریان ها از طریق مکانیسم های خروج کلسیم() به وسیله ی تعداد تبادلگرها و پمپ ها در غشای سلول تعیین می شود. این جریان ها ممکن است در وضعیت های هورمونی مختلف تغییر کند، اما انتظار می رود این جریان ها برای سلول ها با گونه های یکسان در مراحل مختلف آبستنی مشابه باشند که این سلول ها در وضعیت هورمونی مشابه قرار دارند. علاوه برآن، غلظت ها برای فعال سازی نیمی از مکانیسم های خروج کلسیم ()، و ضریب Hill پمپ ها (n) انتظار می رود حتی تغییرات کمتری داشته باشند، از آنجاییکه این ها خصوصیات مجزای مکانیسم ها هستند. ازاین رو، مقادیر این پارامترها تغییر نمی کنند. سرانجام، با تنظیم مقادیر حداکثر هدایت کلسیمی () محاسبه ی افزایش در ممکن است و نتایج با داده های آزمایشی گزارش شده توسط Shmigol مطابقت دارد. پارامترهای و با استفاده اندازه گیری شده با پالس های ولتاژ 0mv،+10mv ، – 10mv تنظیم شده، همانطور که در شکل 7 دیده می شود.
شکل 7- شبیه سازی افزایش و کاهش به دنبال پالس ولتاژ 200 میلی ثانیه ای از یک پتانسیل نگهدارنده ی -50 mv به پالس های پتانسیل (a) 0mv (b) 10mv (c) -10mv
تغییرات شبیه سازی شده در به دنبال پالس های ولتاژ بسیار مشابه با داده های آزمایشی هستند. تطبیق بهتری برای پالس ولتاژ به +10mv نسبت به پالس -10mv وجود دارد، جاییکه نرخ کاهش شبیه سازی شده کم تر است و سطح نهایی نسبت به مقادیر اندازه گیری شده این کمیت ها بیشتر است. توانایی مدل برای پیش گویی با پالس های ولتاژ +20mv و -20mv با استفاده از پارامترهای مشابه مانند شبیه سازی های قبلی تست شد. این شبیه سازی ها در شکل 8 در مقایسه با داده های آزمایشی Shmigol نمایش داده شده است. پیش بینی برای یک پالس ولتاژ +20mv مشابه با رفتار اندازه گیری شده است، در حالیکه شبیه سازی برای یک پالس -20mv ، دارای تخمین نقصانی در مراحل اولیه ی کاهش است و در مراحل بعدی نسبت به داده های آزمایشی تخمین اضافی دارد.
شکل 8- شبیه سازی افزایش و کاهش به دنبال پالس ولتاژ 200 میلی ثانیه ای از یک پتانسیل نگهدارنده ی -50 mv به پالس های پتانسیل (a) 20mv (b) 20mv
حداکثر تفاوت در این شبیه سازی بین داده های اندازه گیری شده و شبیه سازی تقریبا 16% است. باید در نظر گرفته شود که فواصل اطمینان اندازه گیری شده ی آزمایشی ممکن است به 20% مقادیر اندازه گیری شده برسد، این خطا معقول است و می تواند به عنوان یک تغییرپذیری inter-subject مورد انتظار تفسیر شود.
علاوه بر آن، مدل برای تخمین سهم نسبی کاهش برای مکانیسم های مختلف مسئول برای خروج کلسیم از داخل سلول به کار می رود. نتایج برای کاهش کلسیم در یک پتانسیل نگهدارنده -80mv در شکل9a نمایش داده شده است. در همه ی مراحل این شبیه سازی انتشار به خارج کلسیم از طریق پمپ های کلسیمی بیشتر از انتشار به خارج از طریق تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی است. سهم تمام مکانیسم های کنترل کلسیم هنگام افزایش و کاهش کلسیم که به وسیله ی یک پالس ولتاژ به 0mv از یک پتانسیل نگهدارنده ی -50mv آغاز شده است، در شکل 9b نشان داده شده است. در همه ی مراحل این شبیه سازی ، انتشار به خارج کلسیم از طریق تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی بیشتر از انتشار به خارج کلسیم به وسیله ی پمپ ها می باشد. سهم تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی نسبت به پمپ های کلسیمی غشا برای خروج کلسیم در جدول 4 نشان داده شده است.
جدول 4- سهم نسبی تبادلگرهای سدیمی/ کلسیمی و پمپ های کلسیمی برای خروج کلسیم از سلول
برای یک پتانسیل نگهدارنده ی-50mv ، که پتانسیل استراحت برای میومتریای موش باردار است، سهم تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی برای خارج نمودن کلسیم به طور عمده ای بیشتر از سهم پمپ های کلسیمی است. وقتی پتانسیل نگهدارنده کمتر است، سهم تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی کم می شود و برای یک پتانسیل نگهدارنده ی -80mv پمپ های کلسیمی نقش مهم تری را نسبت به تبادلگر سدیمی/کلسیمی ایف می کنند.
شکل9- شبیه سازی های جریان های کلسیمی به وسیله ی مکانیسم های کنترل کلسیم(a) جریان کلسیم از طریق تبادلگر سدیمی/کلسیمی و پمپ های کلسیمی در هنگام کاهش کلسیم برای پتانسیل نگهدارنده ی -80mv(b) جریان کلسیمی از طریق کانال های کلسیمی و مکانیسم های خروج کلسیم در هنگام افزایش و کاهش کلسیم در پاسخ به پالس ولتاژ 200 میلی ثانیه ای از پتانسیل نگهدارنده ی -50mv
علاوه بر آن توانایی مدل برای محاسبه ی تغییرات در در پاسخ به تحریکات پیچیده تر دپلاریزاسیون تکراری که در آزمایشات مورد استفاده قرار گرفته بود، تست شد.
تغییرات محاسبه شده در هنگام تحریک سلول با قطار پالسی که شامل ده پالس، از یک پتاسیل نگهدارنده ی -80mv که دارای طول 100ms و فاصله ی بین پالسی 330ms است، تطابق نزدیکی به داده های آزمایشی دارد که نتیجه در شکل 10 به وضوح دیده می شود.
شکل 10- شبیه سازی افزایش و کاهش در پاسخ به قطاری از 10 پالس ولتاژ با دوره ی 100 میلی ثانیه از یک پتانسیل نگهدارنده ی -80mv به پالس پتانسیل 0mv با فواصل میان پالسی 330ms
در طی پالس های اولیه سطح توسط مدل اندکی تخمین اضافی زده می شود، اما تطبیق بهتر بین شبیه سازی شده و اندازه گیری شده در طی 5 پالس ولتاژ آخر بهبود یافته و کاهش می یابد.
9- آنالیز حساسیت:
آنالیز حساسیت برای یافتن پارامترهایی که تاثیر بیشتری روی خصوصیات واکنش سلول به یک پالس ولتاژ 200ms از یک پتانسیل نگهدارنده ی -50mv به 0mv دارند، صورت گرفت.
هر پارامتری در محدوده ی فیزیولوژیکی معقول برای هر دو سلول های میومتریال باردار و غیرباردار تغییر می کند. نتایج در جدول 5 نمایش داده شده است. مهم ترین تغییرات در مقدار نهایی و ماکزیموم (در t=3sec) از تغییرات در حجم سلول نتیجه شده است. وقتی حجم سلول به مقدارش در رحم غیر باردار تغییر می کند،5* ، حجمی اندکی بزرگ تر از نصف حجمی که قبلا برای شبیه سازی تغییرات در SMCs میومتریای باردار استفاده می شد، حداکثر با ضریب 4 و نهایی با ضریب 4.5 افزایش می یابد. این مقادیر نسبت به رنج فیزیولوژیکی بیشتر است که نشان می دهد در سلول غیرباردار تغییر حجم باید همراه با یک کاهش عمده در هدایت کانال های کلسیمی یا افزایش بافرشدن کلسیم از طریق پروتئین های سیتوپلاسمیک باشد که این امر افزایش در را کاهش می دهد.
جدول 5 – آنالیز حساسیت
همچنین افزایش در ممکن است در کاهش نقش داشته باشد. اندازه گیری های آزمایشگاهی برای یافتن اینکه کدام یک از این توضیحات همراستا با تفاوت های فیزیولوژیکی بین میومتریای باردار و غیرباردار می باشد، مورد نیاز است. این تجزیه و تحلیل ها همچنین نشان می دهد تغییر در به طور عمده ای نهایی را متاثر می کند بدون این که تغییر مهمی در حداکثر به وجود آورد.
دلیل آن تغییر در جریان کلسیم از طریق کانال ها زمانیکه سلول در یک پتانسیل نگهدارنده قرار دارد، می باشد که در این حالت شکل تابع فعال ساز Voccs (رابطه ی 3b) که مقدار نسبی Voccs باز را نشان می دهد، تغییر می کند، همان طور که در شکل 11 نشان داده شده است. کاهش در باعث می شود تا کانال ها درپتانسیل نگهدارنده -50mv بسته شوند، که به موجب آن کاهش در را در شبیه سازی ها داریم، در حالیکه افزایش در افزایشی را در جریان کانال ها درپتانسیل نگهدارنده ی -50mv باعث می شود. تغییرات در حداکثر جریان های ممکن از طریق پمپ های کلسیمی () و تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی () تغییرات مهمی را در نسبت جریان ها از طریق تبادلگرها و پمپ ها اما تغییرات جزئی تری را در ایجاد می کند. از آنجاییکه تبادلگر ها نقش مهم تری از پمپ ها در خروج کلسیم در شبیه سازی دارند، تغییر در حداکثر جریان توسط تبادلگرها () تاثیر مهمی در نسبت به تغییر در حداکثر جریان توسط پمپ ها دارد.().
شکل 11- آنالیز حساسیت برای (a) تغییر در کاهش به دنبال یک پالس ولتاژ 200ms به 0mv به دلیل تغییرات در (b) تغییرات در تابع فعال سازی که نمایش دهنده ی مقادیر نسبی کانال های باز است.
غلظت سدیم داخل سلولی () اثر مهمی روی دارد. تغییر در پتانسیل معکوس تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی را تغییر می دهد و بنابراین ممکن است جهت جریان کلسیمی را از طریق تبادلگرها معکوس نماید و همچنین اندازه اش را تغییر می دهد. اثر تغییر در روی در پاسخ به پالس 0mv در شکل 12a نشان داده شده است. وقتی افزایش می یابد، پتانسیل نرنست سدیم و ولتاژ معکوس تبادلگرها کاهش می یابد. وقتی ولتاژ معکوس کمتر از ولتاژ غشا می شود، انتشار به خارج کلسیمی عکس شده و کلسیم شروع به جاری شدن از طریق تبادلگرها به داخل سلول می کند. برای بیشتر از 20mM ورود کلسیم از طریق تبادلگرها بیشتر از انتشار به خارج کلسیم از طریق پمپ هاست، بنابراین کاهش در نداریم.
وابستگی کم تبادلگر های سدیمی/کلسیمی به در رابطه ی 5 در نظر گرفته نشده است، که این رابطه جریان کلسیمی را از طریق تبادلگرها نشان می دهد.
بنابراین، ممکن است جریان کلسیمی به داخل سلول که توسط مدل در غلظت های بالا شبیه سازی شده است، در SMCs میومتریال واقعی در شرایط مشابه اتفاق نیفتد.
از این رو، نتایج شبیه سازی با 20 < باید با اطمینان مشروط مشاهده شود. اثر تغییرات و روی وقتی ولتاژ غشا -50mv است در شکل 8b نشان داده شده است. جریان در تقریبا 20mM مثبت است.
وقتی غلظت سدیم داخلی افزایش می یابد، تغییرات در به عنوان تابعی از شدیدتر می شود، از این رو مکانیسم به زمانی که کلسیم برای برگشت به شرایط استراحت باید از سلول خارج شود، حساس تر می شود. در این حالت، در طی انقباض صرفا به صورت in vitro اندازه گیری می شود. به منظور اعتبارسنجی اثرات پیشنهادی روی تغییرات ، اندازه گیری های هم زمان آزمایشگاهی از هر دو مورد نیاز است.
شکل 12- آنالیز حساسیت برای (a) تغییر در افزایش و کاهش به دنبال یک پالس ولتاژ 200ms به 0mv به دلیل تغییرات در (b) تغییر در جریان به وسیله ی تبادلگر سدیمی/کلسیمی به عنوان تابعی از ولتاژ غشا
هیچ یک از پارامترها اثر مهمی روی زمان پیک ندارند، بنابراین می توان استنتاج نمود که زمان تقریبا منحصرا از طریق طول پالس ولتاژ اعمالی به سلول تنظیم می شود.
10- فسفریلاسیون رشته ی سبک میوزین و فشار تولید شده توسط انقباض سلول:
با استفاده از اندازه گیری های همزمان ، فسفریلاسیون MLC و نیرو در میومتریای انسان که از طریق تحریک میدان الکتریکی شروع به انقباض می کند، همچنین انتشار نیرو و استراحت عضلات در طی انقباض کشش- تحریک، پارامترهای توصیف کننده ی فرآیند سوم که به وسیله ی مدل شرح داده شده می شود، تنظیم شد. مقادیر نسبی MLC فسفریله شده در واکنش به افزایش محاسبه و با داده های آزمایشی که در شکل 13a نشان داده شده است، مقایسه شد. فسفریلاسیون MLC شبیه سازی شده یک افزایش سریع اولیه را در نرخی مشابه با نرخ افزایش فسفریلاسیون اولیه ی اندازه گیری شده نمایش می دهد.
این امر به وسیله ی تعادل فوری به یک سطح ثابت، دنبال می شود در حالیکه پاسخ اندازه گیری شده نوسانات بیشتری را نشان داد. به هر حال، مقادیر فسفریلاسیون نهایی بسیار مشابه هستند. در آزمایشی مشابه، نیروی نرمالیزه شده محاسبه و با داده های تجربی مقایسه شد، همچنان که در شکل 13b نشان داده شده است.
شباهت زیادی بین نیروی نسبی شبیه سازی شده و اندازه گیری شده که به وسیله ی انقباض تولید می شود، وجود دارد. تفاوت متوسط بین نیروی اندازه گیری شده وشبیه سازی شده در این شبیه سازی تقریبا 5% است، در حالیکه تفاوت در فسفریلاسیون ممکن است به 20% برسد. اگرچه، وقتی این نتایج یک تغییرپذیری 10% را در اندازه گیری های آزمایشگاهی فسفریلاسیون و نیرو نشان می دهد، باید محاسبه شود.
شکل 13- شبیه سازی فسفریلاسیون رشته ی سبک میوزین (a) تولید نیرو (b) در میومتریوم انسان غیر بارداردر پاسخ به افزایش (c) به عنوان ورودی شبیه سازی استفاده می شود.
نیروی نسبی اندازه گیری شده و شبیه سازی شده در طی انقباض کشش- تحریک و استراحت در شکل 14 مشاهده می شود. پارامترهای مورد استفاده برای این شبیه سازی ها در جدول 3 لیست شده است.
شکل 14- تولید فشار و استراحت در طی انقباض تحریک-کشش مایومتریوم انسان
مقدار ، وقتی که MLCK اجازه می یابد به وسیله ی CaM-Kinase2 حذف شود. 257Nm می باشد، که در رنج 250-260 nM در SMC bovine نای اندازه گیری شد. ضریب Hill که برای تطبیق رابطه ی بین و فعالیت MLCK ()پیدا شده بود، بیشتر از ضرایبی است که برای فرآیندهای مشابه درSMC bovine نای در نظر گرفته شده بود(1.5-2.7). این امر نشان می دهد که یک رابطه ی شدیدتری بین کلسیم و فعال سازی MLCK در میوسیت های میومتریال وجود دارد.
از این رو، فعالیت MLCK در میوسیت میومتریال بسیار حساس به تغییرات جزئی در در حوالی غلظت نیمه فعال سازی 257Nm است و در پایین در مقایسه با سایر SMCs ها به اشباع می رود. نرخ تفکیک پل های عرضی دفسفریله شده (.037) مشابه نرخ اتصال پل عرضی فسفریله شده(.035) است که این امر نشان دهنده ی این است که اتصال پل ها نقش مهمی در تامین نیروی SCM میومتریال ندارد.
حداکثر مقدار نیروی شبیه سازی شده و اندازه گیری شده مشابه هستند، اگرچه رشد نیروی اندازه گیری شده اندکی بیشتر از نیروی شبیه سازی شده است. در فاز استراحت، نیروهای شبیه سازی شده و اندازه گیری شده نرخ کاهش مشابهی را نمایش می دهند. تفاوت عمده در مقیاس زمانی بین این انقباض کشش- تحریک و انقباض الکتریکی- تحریکی قبلی باید وقتی این نتایج مشاهده می شود، در نظر گرفته شود.
11- شبیه سازی کنترل کلسیم و تولید فشار:
راه حل کامل کل مدل به منظور شبیه سازی تولید فشار در پاسخ به افزایش محاسبه شده ی در نتیجه ی دپلاریزاسیون غشا استفاده می شود. نتایج برای یک پالس ولتاژ 1s از یک پتانسیل نگهدارنده ی -80mv به 0mv در شکل 15a نمایش داده شده است. نتایج برای دنباله ای از پالس های با دوره ی ترکیبی 1s باپتانسیل نگهدارنده -80mv در شکل 15b نشان داده شده است. فشار توسعه یافته برای 20 ثانیه انقباض و استراحت محاسبه شده است. حداکثر نیروی تولید شده در واکنش به دنباله ی پالس (32.1%) بیشتر از نیروی تولید شده در پاسخ به یک تک پالس (23.8%) بود. اگرچه تک پالس افزایش قابل توجهی را در به وجود می آورد.
شکل 15- شبیه سازی تغییرات در و فشار در پاسخ به پالس ولتاژ 1s برای یک پتانسیل نگهدارنده ی -50mv به پالس ولتاژ 0mv (a) و قطاری از 10 پالس از یک پتانسیل نگهدارنده ی -50mv به یک پالس 0mv که دارای دوره ی 100ms و فاصله ی میان پالسی 330ms
پیشنهاد شده که نرخ افزایش تاثیر بسزایی بر روی نیروی تولید شده نسبت به اندازه اش دارد. تاخیر بین زمان در حداکثر و حداکثر نیرو در قطار پالس s 3.26 و در تک پالس 4.36s بود. بنابراین می توانیم تفسیر کنیم که اسپایک های تکرارشونده در تولید نیرو نسبت به دپلاریزاسیون مدت دار موثرتر می باشند.
از این رو، آتش شدن مکرر پتانسیل های عمل که در میومتریای باردار ثبت شده اند و گاهی اوقات مزید بر دپلاریزاسیون مداوم است، ممکن است تولید نیروی موثرتری نسبت به یک آتش اسپایک بکند، حتی اگر اسپایک های تنها دوره ی طولانی تری داشته باشند.
همچنین توانایی مدل برای محاسبه ی رفتار SMC میومتریال از طریق شبیه سازی پاسخ سلول میومتریال باردار انسان به یک پتانسیل عمل نوع مسطح تست شد. تغییرات در و فشار تولید شده در پاسخ به تغییرات پتانسیل غشای اندازه گیری شده هنگام آتش پتانسیل عمل محاسبه شد. نتایج در شکل 16 نشان داده شده است.
که در آن فشار تولیدی شبیه سازی شده و با فشار اندازه گیری شده مقایسه شده است. همه ی فشارها به حداکثر فشار اندازه گیری شده در طی این انقباض نرمالایز شدند. علی رغم تفاوت بین خصوصیات مایومتریوم انسان باردار ، با توجه به داده های ثبت شده، و مایومتریوم انسان غیر باردار و موش باردار که برای تنظیم پارامترهای مدل به کار رفت، مدل با صحت بالایی رفتار اندازه گیری شده را باز تولید کرد.
شکل 16- شبیه سازی تغییرات در (b) و فشار (c) د رپاسخ به پتانسیل کفه ی ثبت شده ثبت شده در مایومتریوم انسان باردار(a) به عنوان ورودی شبیه سازی استفاده می شود.
12- بحث و نتیجه گیری:
در این تحقیق مدلی که رابطه ی بین ولتاژ غشا، غلظت کلسیم داخل سلولی و نیروی تولید شده از طریق یک SMC مایومتریال را شرح می دهد، توسعه داده شده است. نشان داده شده که مدل به طرز موفقیت آمیزی نتایج آزمایشگاهی را باز تولید می کند. البته بایستی در نظر گرفته شود که این مدل فقط برای مکانیسم های مهم کنترل در سلول مورد استفاده قرار می گیرد.
بتابراین، مدل مذکور می تواند برای محاسبه ی سهم مکانیسم های مختلف در پاسخ به تغییرات ولتاژ غشا و نیز همچنین پیش بینی نتایج آزمایشات بعدی به کار رود.
شبیه سازی های حاضر (شکل 9) نشان داد که فاکتور مهمی در تنظیم است، اگرچه توجه زیادی به اندازه گیری های در SMCs میومتریال نمی شود. علاوه بر آن، ما در شکل 15 نشان دادیم که اسپایک های تکرارشونده ممکن است قادر به تولید نیروی موثرتری ، با تاخیرهای کوچکتر و کم تر در مقایسه با تک اسپایک ها باشد.
هدایت کم VOCCs که برای تطبیق با اندازه گیری های تجربی مورد استفاده قرار گرفت نشان داد که بافرکردن قابل توجهی در سلول های میومتریال اتفاق می افتد. داده های تجربی برای تایید نسبت 150 که بین مقادیر یون های کلسیم ورودی به سلول و مقادیر یون های کلسیم سهیم در افزایش پیدا شده، مورد نیاز است.
پارامترها برای تبادل گرهای سدیمی/کلسیمی و برای پمپ های کلسیمی به صورت جداگانه تعیین می شود، از این رو یک نمایش صحیحی از سهم نسبی هر یک از مکانیسم ها برای خروج کلی کلسیم از سلول به دست آمد.
در شبیه سازی های کاهش ، مدل، مکانیسم های مهم مسئول برای خروج کلسیم را شناسایی می کند. این مطلب با نوشته های در خصوص این موضوع ناسازگار است. تعدادی از نویسندگان شرح دادند که سهم پمپ های کلسیمی در خروج کلسیم کمتر از تبادل گرهای سدیمی/کلسیمی است و این در حالی است که نویسندگان دیگر اظهار داشتند که پمپ های کلسیمی نقش مهم تری دارند. نتایج مطالعه ی کنونی نشان داد سهم نسبی مکانیسم ها وابسته به سطح است که نیز به نوبه ی خود از طریق ولتاژ غشا تنظیم می شود.
در شبیه سازی های کاهش در دو پتانسیل نگهدارنده مجزا (شکل های 10و11)، دو سطح مختلف برای تطبیق داده های تجربی مورد استفاده قرار گرفتند(جدول 3). بنابراین، ولتاژ معکوس تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی مختلف بودند که این امر به نوبه ی خود سهم نسبی تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی را برای خروج کلسیم از سلول تغییر داد.
مقدارmM 16.55= که به بهترین نحو توصیف کنده ی پاسخ سلول در ولتاژ ثابت -80mv است بسیار بیشتر از mM 2.9836= که توصیف کننده ی پاسخ سلول در -50mv است، می باشد.
کاهش وقتی ولتاژ غشا افزایش می یابد، باعث افزایش در پتانسیل نرنست سدیم می شود و بنابراین ولتاژ معکوس تبادلگرها نیز تغییر می کند(روابط 5b و 5c).
در نتیجه ی افزایش اختلاف بین ولتاژ غشا و ولتاژ معکوس، جریان کلسیم از طریق تبادلگرها (رابطه ی 5) در حالیکه پتانسیل نگهدارنده افزایش می یابد، زیاد می شود. بنابراین، اندازه گیری های هم زمان و در آزمایشات ولتاژ کلمپ، یا بسط مدل به منظور در بر گرفتن مکانیسم های کنترل سدیم، ممکن است فهم ما را از این که چگونه سطح کنترل می شود، بهبود دهد.
آزمایشات اضافه ی جریان های نمایش داده شده در شکل9b نشان می دهد که ماکزیموم جریان از طریق VOCC تقریبا 1400 nM/sاست. با استفاده از رابطه ی. F. I= J. حداکثر جریان کلسیمی از طریق کانال ها .00567 PA است.
مساحت سطح SMC میومتریال در موش باردار حدودا 7600 است. از این رو، حداکثر چگالی جریان شبیه سازی شده از طریق نسبت جریان کل و مساحت ناحیه که .0746 است، معین می شود. از آن جاییکه چگالی اندازه گیری شده در میوسیت میومتریال بین 3 و 11 تغییر می کند، در جاییکه مقادیر بیشتر در میومتریای باردار اندازه گیری شد، بافر کردن سهم ورود کلسیم به داخل سلول را نسبت به با فاکتور 150 کاهش می دهد، همان طور که در سلول های عضله ی صاف انتظار می رفت. علاوه بر آن ، حداکثر هدایت کلسیم همه ی VOCCs در سلول 0.04684ns می باشد. اگر بافرکردن با فاکتور 150 در نظر گرفته شود، هدایت کلی همه ی کانال ها 7.03ns می شود. با تقسیم این به هدایت یک VOCC نوع L تک، 29PS در میومتریوم انسان، حدودا VOCCs 250 می تواند جریان را در یک زمان هدایت نماید. در شبیه سازی های آزمایشات ولتاژ کلمپ، ثابت فرض شده است، از آنجاییکه این غلظت بسیار بیشتر از تغییر در در نتیجه ی ورود کلسیم به داخل سلول است.
اگرچه در بافت میومتریال در شرایط in vivo، ورود کلسیم به داخل سلول ممکن است غلظت خارج سلولی محلی را متاثر نماید. کاهش محلی در پتانسیل نرنست کلسیم ()را افزایش می دهد و از این رو ورود کلسیم را از طریق VOCCs های نوع L محدود می کند. علاوه بر آن، افزایش باعث کاهش در ولتاژ معکوس تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی خواهد شد که به موجب آن خروج کلسیم با این مکانیسم کاهش می یابد. از این رو، برای شبیه سازی SMCs میومتریال در شرایط in vivo ، تغییرات در بایستی در نظر گرفته شود.
یک تخمین نقصانی در شبیه سازی های پاسخ سلول به تحریکات مختلف در مدل حاضر ممکن است به دلیل ممانعت از آزادسازی کلسیم از ذخیره های کلسیمی داخل سلولی مورد انتظار باشد. اگرچه اثر آن ممکن است از طریق تخمین اضافی ورود کلسیم به وسیله ی VOCCsها جبران شود. همچنین ممکن است از تغییرات وابسته به زمان در هدایت VOCCs و صرف نظر شود. نشان داده شده که پاسخ یک SMC میومتریال به دنباله ای از پالس های ولتاژ، به دلیل سهم CICR در مراحل اولیه، اندازه گیری شده در طول پالس های ولتاژ اولیه نسبتا ثابت است و در طی پالس های آخر افت می کند. به عکس، وقتی تنها VOCCs ها فعال هستند، افزایش با هر پالس ولتاژ انتظار می رود کاهش پیدا کند.
در شبیه سازی ها افزایش در نتیجه ی پالس های ولتاژ به دلیل خصوصیات VOCCs ها با هر پالس ولتاژ موثر کاهش می یابد. از این رو، تغییرات شبیه سازی شده در باید در مراحل ابتدایی تخمین اضافی زده شود تا با تغییرات اندازه گیری شده در مراحل پیشرفته شبیه سازی منطبق باشد.
فسفریلاسیون MLC وابسته به کلسیم و محاسبه ی تولید نیرو بر پایه ی مدل Hai و Murphi است، که این مدل به منظور شرح دادن انقباض SMCsهای عروقی توسعه داده شده بود.
فسفریلاسیون MLC و تولید نیرو به وسیله ی SMC میومتریال با استفاده از مدل ، علی رغم تفاوت ها در خصوصیات عروق و SMCs میومتریال و رنج های زمانی مختلف انقباضات با موفقیت شبیه سازی شد. (شکل های 13، 41، 16).
توصیف استراحت از طریق فرض نرخ ثابت دفسفریلاسیون میوزین با MLCK () معین می شود. علاوه بر آن، ثابت سرعت برای تفکیک پل های متصل شده ()، که از طریق تطبیق داده های تجربی محاسبه شده است و مشابه ثابت سرعت برای تفکیک پل های عرضی اتصال یافته ی فسفریله شده می باشد(). از آنجاییکه پل های اتصال یافته ثابت تفکیک پایینی دارند، این امر نقش ناچیزی را برای پل های اتصال یافته در حفظ نیروی تولید شده از طریق SMCs میومتریال نشان می دهد.
محاسبه ی موفق پاسخ سلول به انواع اساسی تحریک ها ، مانند پالس های ولتاژ و قطار پالس، نمی تواند پاسخ به انواع پیچیده تری از تحریک ها را محاسبه کند، زیرا فرضیات مدل زیاد معتبر نیست. مدل احتمالا سطح را وقتی آزادسازی کلسیم از ذخیره های داخل سلولی زیاد است، تخمین نقصانی می زند.
در هنگام تحریک های مدت دار و طولانی، انتظار می رود سطح تخمین اضافی زده شود زیرا وابستگی به زمان VOCCهای نوع L در نظر گرفته نمی شود. علاوه بر آن ، تخمین سطح ثابت ممکن است منجر به خطایی در محاسبه ی خروج کلسیم از طریق تبادلگر سدیمی/کلسیمی شود. از این رو ، برای شرح دادن پاسخ به تغییرات پیچیده در ولتاژ غشا، مانند پتانسیل کفه یا پتانسیل های اسپایک پیوسته بر روی پتانسیل کفه، که در میومتریوم موش باردار دیده می شود، مکانیسم های کنترل کلسیم باید با جزئیات بیشتری شرح داده شود.
این امر محاسبه ی مکانیسم های کنترل کلسیم اضافی و تغییرات وابسته به زمان در خصوصیات مکانیسم های موجود را نمایش می دهد. همچنین در نظر گرفتن مکانیسم های کنترل غلظت های سایر یون ها مانند پتاسیم و سدیم برای دستیابی به نتایج بهتر ضرورری به نظر می رسد. علاوه بر آن، به منظور توصیف دقیق تری از تغییرات وابسته به زمان در نرخ واکنش در فرآیند انقباض و استراحت، نرخ دفسفریلاسیون نمی تواند ثابت باشد و باید اصلاح شود. اگرچه نشان داده شده که تولید نیرو در پاسخ به یک پتانسیل عمل نمونه ی ثبت شده در میومتریوم باردار می تواند توسط مدل محاسبه شود.
پارامترهای مورد استفاده برای شبیه سازی ها برای دستیابی به بهترین تطبیق با اندازه گیری های تجربی با معیار MSE برای رسیدن به یک مقدار مینیموم محلی بهبود داده شدند.
ممکن است که مقدار مینیموم کلی به دست نیاید و تنظیمات اضافی پارامترها برای دستیابی به محاسبه ی خوب داده های تجربی مورد نیاز باشد.
با وجود پارامترهای مختلفی که پاسخ سلول را تعیین می کند می تواند تفسیر شود که سلول با استفاده از ترکیب های مختلف سطوح عملکرد کنترل کلسیم و مکانیسم های دیگر واکنش می دهد.
در نتیجه، مدل ریاضی که در تحقیق مذکور شرح داده شد با موفقیت فرآیندهای اساسی تحریک و انقباض و نیز همچنین استراحت SMC میومتریال را شرح می دهد. مدل می تواند برای مطالعه ی عملکرد مکانیسم های سلولی مهم کنترل کلسیم مانند VOCCs نوع L، پمپ های کلسیمی و تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی مورد استفاده قرار گیرد.
علاوه بر آن این مدل می تواند برای محاسبه ی فشار تولید شده که عضلات تولید می کنند مورد استفاده قرار گیرد، زیرا آن وابسته به سطح است. از آنجاییکه آزمایشات کنترل شده اجازه ی ممانعت از عملکرد مکانیسم های ویژه ای را می دهد، شبیه سازی های مدل اجازه ی یافتن مدهای عملکرد اختیاری مختلفی را می دهد بطوریکه از عملکرد هر ترکیب ممکن مکانیسم ها ممانعت می کند تا رفتارهای مختلف فیزیولوژیکی سلول را تولید کند.
13- پیشنهادات:
می توان برای ارتقای مدل و بهبود نتایج حاصل از شبیه سازی اقدامات زیر را انجام داد :
* بایستی برای دستیابی به نتایج دقیق تر، وابستگی کانال های کلسیمی ولتاژی نوع L به زمان در نظر گرفته شود.
* با در نظر گرفتن شرایط محدود کننده تاحدودی از واقعیت دور می شویم و بایستی با فرضیات بهتری مدل را بهبود بخشید.
* همچنین در نظر گرفتن مکانیسم های کنترل غلظت های سایر یون ها مانند پتاسیم و سدیم برای دستیابی به نتایج بهتر ضرورری به نظر می رسد. مخصوصا سدیم که در تعیین غلظت کلسیم داخل سلولی نقش حیاتی دارد.
* به منظور توصیف دقیق تری از تغییرات وابسته به زمان در نرخ واکنش در فرآیند انقباض و استراحت، نرخ دفسفریلاسیون نمی تواند ثابت باشد و باید اصلاح شود.
* وارد نمودن اثرات بافرینگ به داخل مدل.
* برای شرح دادن پاسخ به تغییرات پیچیده در ولتاژ غشا، مانند پتانسیل کفه یا پتانسیل های اسپایک پیوسته بر روی پتانسیل کفه، که در میومتریوم موش باردار دیده می شود، مکانیسم های کنترل کلسیم باید با جزئیات بیشتری شرح داده شود.
* ثابت نگرفتن غلظت کلسیم خارج سلولی زیرا در شرایط in vivo، ورود کلسیم به داخل سلول ممکن است غلظت خارج سلولی محلی را متاثر نماید.
* برای دستیابی به نتایج دقیق تر بایستی نقش کانال های کلسیمی نوع T در مدل در نظر گرفته شود.
REFRENCE:
[1]Limor Bursztyn,Osnat Eytan,Ariek J.Jaffa,David Elad,"Mathematical model of excitation-contraction in a uterine smooth muscle cells",department of biomedical engineering faculty of engineering,Tel-Aviv university,Tel-Aviv 69978,Israel.2007.
[2]Yoshino M,Wang SY,Kao CY,"sodium and calcium inward currents in freshly dissociated and intracellular calcium waves",obstet Gynecol 89(4):604-8,1997.
[3]M.L.coller.G.JI,Y.-X,WANG and M.I.KOTLTKOFF,"calcium-induced calcium release in smooth muscle ",department of animal biology.2000.
[4]Kuriyama H,Kitamura K,Itoh T,"Innoue R.physiological features of visceral smooth muscle cells,with special refrence to receptor and ion channels",physiol Rev 78(3): 811-920,1998.
[5]Abraham ST,Benscoter H,Schworer CM,Springer HA.,"In situ ca+2 dependence for activation of ca+2/calmodulin-dependent protein kinase 11 in vascular smooth muscle cells".J Biol chem. 271(5):2506-13,1996.
[6]Word RA,Tang DC,Kamm K,"activation properties of myosin light chain kinase during contraction/rekaxation cycles of tonic and phasic smooth muscles",J Biol chem. 296(34):21596-602,1994.
[7]Mackenzie lw,Word RA,Casey ML,Stull JT,"Myosin light chain phosphorylation in human myometrial smooth muscle cells",Am J physiol 258:c92-8,1990.
[8]Szal SE,Repke JT,Seely EW,Graves SW,Parker CA,Mogan KG,"[Ca+2]I signaling in pregnant human myometrium",Am J physiol 267:E77-87,1994.
[10 ] فیزیولوژیکی پزشکی گایتون
پیوست:
فهرست مطالب :
* چکیده 1
* مقدمه 2
* انقباض و تحریک عضله صاف 6
* تشریح مدل 19
* روابط حاکم 22
* پارامتر های مدل 26
* حل روابط مدل 27
* نتایج 28
* بحث و نتیجه گیری 43
* پیشنهادات 48
* مراجع 49
* پیوست 50
1 SMCs
2 myometrial
3 myocytes
4 Voccs
5
6 MLCK
7 MLC
8 myometria
9 CICR
10 SR
11 myometrium
12 Sarcolemmal
—————
————————————————————
—————
————————————————————
مدل ریاضی انقباض – تحریک در سلول عضله ی صاف رحمی
34