钾离子选择性通道视紫红质介导的低功率光遗传学精准抑制人源心室肌细胞动作电位的理论研究

《Scientific Reports》：Theoretical analysis of low-power optogenetic suppression of action potentials in human ventricular cardiomyocytes expressed with potassium-selective channelrhodopsins

本研究针对心脏光遗传学中因非选择性离子通道视紫红质导致的抑制难题，通过理论建模，系统分析了WiChR与HcKCR1两种钾离子选择性通道视紫红质在人源心室肌细胞中对电活动及动作电位时程的调控效果。结果表明，WiChR能在极低光照功率下实现高效抑制，为治疗心律失常及长QT综合征提供了重要的量化依据与低功耗、高精准的潜在新策略。

　　

心脏，这个生命的引擎，其每一次规律而有力的搏动，都依赖于心肌细胞精密协调的电信号——动作电位。然而，当这种规律被打破，发生心动过速等心律失常时，心脏的泵血功能就会受损，严重时甚至危及生命。传统的治疗方法，如电起搏和电除颤，虽然挽救了无数生命，但它们作为非选择性的“电击”，在纠正异常心律的同时，也可能对健康的心肌组织造成无差别的损伤，并可能引发疼痛等不适。科学家们一直在寻找一种更精准、更温和的“武器”。光遗传学技术应运而生，它如同为细胞装上了受光控制的“分子开关”，有望实现对特定细胞电活动的精确操控。但理想很丰满，现实却仍有挑战：早期应用于心脏光遗传学研究的通道视紫红质（ChRs）多为非选择性的阳离子通道，它们在光照下同时允许钠离子（Na⁺）、钙离子（Ca²⁺）等流入，这种“一拥而入”虽然能激发兴奋，但在试图抑制心脏过度活跃（即实现光学抑制）时却显得力不从心，效率低下且耗能较高。于是，一个关键问题摆在了研究者面前：能否找到一种更“聪明”的光控开关，只允许特定的、有助于平息电风暴的离子通过，从而实现低功耗、高效率的光学抑制呢？

这项发表于《Scientific Reports》的研究，正是为了回答这个问题而展开的理论探索。研究人员将目光投向了两种新兴的钾离子（K⁺）选择性通道视紫红质：WiChR和HcKCR1。这两种蛋白的特性令人兴奋——它们的反转电位非常接近目标心肌细胞的静息膜电位，这意味着它们有望在光照下，通过促进K⁺外流，将细胞膜电位稳定在更负的、不易兴奋的水平，从而达到高效抑制的目的。为了验证这一设想，研究团队并没有直接进行湿实验，而是先搭建了精密的计算模拟战场。他们构建了表达有WiChR或HcKCR1的人源心室肌细胞（HVCMs）的计算机模型，通过大量仿真，系统比较了这两种K⁺选择性ChRs与传统的非选择性ChRs在抑制效能上的差异，并深入探究了它们如何精确调控动作电位时程（APD），最终为未来的实验研究提供了清晰的理论路线图和量化的预测指标。

为开展此项理论研究，作者主要运用了计算建模与仿真的方法。其核心是基于人源心室肌细胞（HVCMs）的电生理特性，构建整合了WiChR或HcKCR1通道动力学模型的计算机仿真系统。通过设置不同的光照辐照度参数，模拟并量化分析这些光敏蛋白对细胞膜电位、动作电位形态及可兴奋性的影响。

WiChR和HcKCR1作为K⁺选择性ChRs能提供比阳离子选择性ChRs更高效的超极化控制

理论模拟结果表明，与传统的非选择性（阳离子选择性）通道视紫红质相比，WiChR和HcKCR1这两种钾离子选择性通道视紫红质能更有效地将细胞膜电位推向更负的值（即超极化）。这种高效的超极化能力，源于它们对K⁺的高度选择性，使其反转电位靠近K⁺平衡电位，从而为抑制电活动提供了更强的驱动力。

WiChR在极低辐照度下即可实现动作电位完全抑制，而HcKCR1在较高辐照度下仍难以实现

在抑制效能的直接对比中，两种蛋白展现出了显著差异。模拟显示，WiChR表现出了卓越的灵敏度，仅需4 × 10^-2mW/mm²的极低光照辐照度就能完全抑制人源心室肌细胞产生动作电位。相反，HcKCR1即使在高达10 mW/mm²的辐照度下，也未能实现完全抑制。这一对比确立了WiChR在光学抑制应用中的显著优势。

在1×10¹mW/mm²辐照度下，WiChR能诱导更深的膜超极化

研究进一步量化了在特定光照强度下（1 × 10¹mW/mm²）的膜电位变化。模拟数据指出，WiChR能够将膜电位超极化至-83.14 mV，这个数值非常接近于K⁺的平衡电位；而HcKCR1达到的超极化水平为-82.39 mV。虽然两者在数值上接近，但结合前述的抑制效能差异，表明WiChR具有更优的通道动力学特性，能在更低的能量输入下达到更深、更有效的生理效应。

K⁺-选择性ChRs可用于精确缩短动作电位时程（APD）

除了完全抑制兴奋，研究还模拟了这两种蛋白对动作电位时程的精细化调控。通过控制光照的时机和持续时间，K⁺选择性通道视紫红质能够可预测地、暂时性地缩短动作电位时程。这种能力对于纠正某些类型心律失常（如与动作电位时程延长相关的长QT综合征）相关的电生理异常具有特别重要的潜在治疗价值。

本研究的理论分析得出结论：钾离子（K⁺）选择性通道视紫红质，特别是WiChR，为心脏光遗传学抑制提供了远超传统非选择性工具的效能优势。WiChR凭借其极高的光敏感度和高效的超极化能力，能在微瓦级的极低光照功率下实现对人源心室肌细胞动作电位的可靠抑制，并允许对动作电位时程进行时间精确的缩短。这些发现从机制层面深化了我们对低功耗光遗传学控制心脏电生理的理解。该工作不仅为治疗心脏快速性心律失常和长QT综合征等疾病提供了极具前景的、更安全、更精准的潜在新策略（相较于电起搏和除颤技术），更重要的是，它提供了一系列定量的预测，能够直接指导未来旨在开发心脏光遗传学疗法的一系列体外（in vitro）和体内（in vivo）实验研究。