關(guān)于單個(gè)細(xì)胞如何感知其組織環(huán)境的宏觀幾何形狀知之甚少。在這里，我們討論遠(yuǎn)程電信號(hào)能否將組織幾何信息傳遞給單個(gè)細(xì)胞。首先，我們研究了一個(gè)工程化的電針細(xì)胞系。生長(zhǎng)在不同形狀圖案島上的細(xì)胞在其他相同條件下表現(xiàn)出明顯不同的放電模式，包括規(guī)則脈沖、周期倍增交替和心律失常放電?；羝娼?赫胥黎數(shù)值模型定量再現(xiàn)了這些效應(yīng)，并展示了宏觀幾何結(jié)構(gòu)如何通過(guò)縫隙連接介導(dǎo)的電耦合影響單細(xì)胞電生理。在人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSC)衍生的心肌細(xì)胞中觀察到定性相似的幾何依賴動(dòng)力學(xué)。當(dāng)把體外心律失常的觀察轉(zhuǎn)化為體內(nèi)預(yù)測(cè)時(shí)，心臟的結(jié)果提醒我們要小心，因?yàn)轶w內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)有很大的不同。我們研究如何推斷具有不同幾何形狀和不同縫隙連接的組織之間的電生理測(cè)量。
多細(xì)胞生物中的細(xì)胞通過(guò)可擴(kuò)散分子、接觸相互作用和機(jī)械信號(hào)感知其在組織中的位置(Warmflash等人，2014年)
)。間隙介導(dǎo)的電信號(hào)原則上也可以提供長(zhǎng)期的位置線索(Sundelacruz等人，2009年)
)，但由于上述所有信號(hào)模式之間的相互作用，很難確定機(jī)制的細(xì)節(jié)。在這里，我們使用一個(gè)簡(jiǎn)單的基因工程可興奮組織來(lái)詢問(wèn)組織內(nèi)部細(xì)胞的電動(dòng)力學(xué)如何受到遠(yuǎn)端邊界的影響。
用膜片鉗電生理學(xué)方法詳細(xì)研究了各種分離細(xì)胞的電生理特性(Hille，2001)。
)。對(duì)于孤立的細(xì)胞或小簇，尖峰動(dòng)態(tài)通常可以用簡(jiǎn)單的自回歸模型來(lái)描述(Nolasco和Dahlen，1968)
Kaplan等人，1996年
，克雷和希爾，1999年
)。在擴(kuò)張的組織中，細(xì)胞通過(guò)間隙連接通道與相鄰細(xì)胞電連接。然后人們可以問(wèn)，這種耦合是單個(gè)細(xì)胞中的微小擾動(dòng)，還是動(dòng)力學(xué)的根本變化。在凝聚態(tài)物理中，固體粒子的性質(zhì)與其組成原子的性質(zhì)大不相同。同樣，大組織的突然電特性可能與單細(xì)胞顯著不同。事實(shí)上，最近的理論工作表明，電傳導(dǎo)可以改變可興奮組織中穩(wěn)定性和心律失常之間的轉(zhuǎn)變(Cherry和Fenton，2004)。
鮑姆和基納，定居，2002年
)。
人們對(duì)遠(yuǎn)距離電耦合的興趣大多集中在心臟，在心臟，有規(guī)律和無(wú)規(guī)律的跳動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換可能是生死攸關(guān)的事情?？p隙連接的重排與心律失常的發(fā)生有關(guān)(瓊斯馬和懷爾德，2000)
)，結(jié)構(gòu)缺陷也可能是心律失常的核心(Roes等，2009)
)。在這兩種情況下，由于機(jī)電反饋的同時(shí)發(fā)生，很難確定電耦合的因果效應(yīng)(Bers，2002)
，Nitsan等人，2016年
以及單細(xì)胞性質(zhì)的變化(Ng等人，2010年)。
，Amin等人，2010年
，休謨和上原，1985年
，Werley等人，2017b
)。此外，心臟模型的多樣性和模型參數(shù)的不確定性對(duì)與實(shí)驗(yàn)的比較提出了挑戰(zhàn)(Clayton等人，2011年)。
鮑姆和基納，定居，2002年
)。只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)明確討論了細(xì)胞間耦合在心臟動(dòng)力學(xué)中的作用(Bub等人，2002)
，Bub等人，2005年
，勒爾等人，1997年
)。
幾何形狀在心臟穩(wěn)定性中作用的不確定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。廣泛宣稱，如果人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSC)衍生的心肌細(xì)胞(hiPSC-CMs)能夠顯示成熟的離子通道表達(dá)模式(Du等人，2015)
，Denning等人，2016年
，楊等，2014
，Protze等人，2017年
)，那么體外培養(yǎng)將成為研究心律失常的有用底物(Hoekstra等，2012)。
，Colatsky等人，2016年
Sharma等人，2013年
，Birket等人，2015年
)。美國(guó)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)贊助了一項(xiàng)名為“綜合體外心律失常分析”(CiPA)的大規(guī)模研究，該研究使用hipscs-cms作為底物來(lái)評(píng)估候選療法的心律失常風(fēng)險(xiǎn)。然而，如果在培養(yǎng)細(xì)胞和完整ti之間發(fā)現(xiàn)由基本幾何形狀驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性差異，則需要重新考慮該方法。
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