纳米尺度数值模拟解释了关于电场性耦合看似相互矛盾的实验发现

一项经典研究发现，当将分离的心肌细胞并排放置时，不会发生兴奋传递；而近期的一篇论文则报道，当心肌细胞首尾相接放置时，会发生动作电位传递。我们采用基于完整 Poisson–Nernst–Planck 方程的纳米尺度数值模拟，研究这些表面上相互矛盾的观察结果是否可以由不同的几何构型来解释。计算结果表明，在首尾相接的构型中，当细胞间裂隙足够狭窄且足够大比例的钠通道定位于闰盘时，会发生旁隙耦联。若钠通道集中于更少的簇中，以及裂隙内离子扩散减弱时，耦联会进一步增强。在这些条件下，兴奋传递发生的时间尺度与快速细胞间激活相一致。传导对裂隙宽度呈双相依赖，并在超过某一临界宽度后突然终止。钾通道定位于闰盘仅产生中等程度的影响，而缝隙连接则显著改善传导并降低旁隙耦联的相对贡献。在并排放置的构型中，生理条件下不会发生兴奋传递，且只有在细胞高度扁平化、间距极小并且钠通道簇集异常强烈时才可能实现。因此，并排与首尾相接实验所得不同结果，可以用旁隙耦联在几何条件上的根本差异来解释。

一项经典研究发现，当将分离的心肌细胞并排放置时，不会发生兴奋传递；而近期一篇论文报道，当心肌细胞首尾相接放置时，动作电位可以发生传递。我们采用基于完整 Poisson–Nernst–Planck 方程的纳米尺度数值模拟，研究这些表面上相互矛盾的观察结果是否可以由不同的几何构型加以解释。计算结果表明，在首尾相接的构型中，当细胞间隙足够狭窄且足够大比例的钠通道定位于闰盘时，会发生旁隙性耦联。若钠通道集中于更少的簇中，且间隙内的离子扩散降低，则耦联会增强。在这些条件下，兴奋传递发生的时间尺度与快速细胞间激活相一致。传导对间隙宽度呈双相依赖，并在超过某一临界宽度后突然终止。钾通道定位于闰盘仅具有中等程度的影响，而缝隙连接则可显著改善传导并降低旁隙性耦联的相对贡献。在并排构型中，生理条件下不会发生兴奋传递，只有在细胞高度扁平化、间距最小且钠通道簇集强度高到不切实际时才可能实现。因此，并排实验与首尾相接实验所得不同结果，可以用旁隙性耦联在几何条件上的根本差异来解释。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.11.744093v1?rss=1

🏷️ 旁隙耦联 心肌细胞传导 电场耦合 Poisson–Nernst–Planck方程 纳米尺度模拟