دانلود ‫پروژه مدل ریاضی انقباض تحریک در سلول عضله ی صاف رحمی

1چکیده:

انقباضات رحمی به وسیله‌ی انقباضات سلول‌ های عضله‌ ی صاف میومتریال (SMCs) که بخش اعظم لایه‌ ی میومتریال دیواره‌ی رحمی را تشکیل می‌دهد، تولید می‌شود. ورود یون‌های کلسیم به داخل سلول پس از دپلاریزاسیون غشای سلول شروع می‌شود. افزایش غلظت کلسیم آزاد داخل سلول زنجیره‌ای از واکنش‌ها را ایجاد می‌کند، که منجر به شکل‌گیری پل‌های عرضی بین فیلامان‌های اکتین و میوزین می‌شود و به دنبال آن سلول‌ها منقبض می‌شوند.

در هنگام انقباض، SMC ها کوتاه می‌شوند و نیروهایی را به سلول‌های مجاور اعمال می‌کنند. مدل ریاضی   انقباض SMC میومتریال به منظور مطالعه‌ی فرآیند انقباض- تحریک توسعه داده شده است. مدل می‌تواند به منظور توصیف غلظت کلسیم داخل سلولی و فشار تولید شده به وسیله‌ی سلول در پاسخ به دپلاریزاسیون غشای سلول استفاده شود. مدل برای عملکرد سه مکانیسم‌های کنترل کلسیم محاسبه می‌شود: کانال‌های کلسیمی ولتاژی، پمپ‌های کلسیمی و تبادلگرهای سدیمی/کلسیمی.

فرآیندهای فسفریلاسیون رشته‌ی 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 می‌باشد. اندازه‌گیری‌های کلسیمی، فسفریلاسیون MLC و نیرو در سلول‌های منقبض‌شده برای تنظیم پارامترهای مدل و تست توانایی آن برای محاسبه‌ی پاسخ سلول به تحریک مورد استفاده قرار می‌گیرد. مدل برای بازتولید نتایج آزمایشات ولتاژ کلمپ صورت گرفته در سلول‌های میومتریال موش‌های باردار و همچنین نتایج اندازه‌گیری‌های فسفریلاسیون MLC و تولید نیرو در سلول‌های میومتریال انسان غیرباردار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 -2مقدمه:

انقباض‌ پذیری رحمی به وسیله‌ی انقباضات سلول‌ های عضله‌ ی صاف[1] میومتریال[2] که قسمت اعظم لایه‌ی میومتریال دیواره‌ی رحمی را تشکیل می‌دهد، تولید می‌شود. در رحم غیر باردار، انقباضات هم‌زمان این SMCs ها تغییراتی را در هندسه‌ی مایع  واسط دیواره  رحمی به وجود می‌آورد.

این تغییرات باعث حرکات مایع داخل رحمی می‌شود که در جریان مرحله‌ی اولیه‌ی تولیدمثل ضروری است. درهنگام زایمان، انقباض هم‌زمان این میوسیت‌ها[3] تولید نیروهایی می‌کند که به‌منظور بیرون آمدن نوزاد از رحم ضروری می‌باشد. دپلاریزاسیون غشای سلول باعث آغاز ورود یون‌های کلسیم به داخل سلول از طریق کانال‌های کلسیمی ولتاژی[4] شده و به موجب آن غلظت کلسیم داخل سلولی[5] زیاد می‌شود. افزایش سطح  باعث اتصال کلسیم و کالمدولین شده و این امر میوزین کیناز[6] که یک آنزیم فسفریله‌کننده است را فعال می‌کند. فعال‌شدن میوزین کیناز موجب فسفریله‌شدن رشته‌ی سبک تنظیم‌کننده‌ی میوزین[7] می‌شود. سپس پل‌های عرضی بین فیلامان‌های اکتین و میوزین شکل می‌گیرد و تولید انقباض عضلانی می‌کند.

با استفاده از تکنیک ولتاژ کلمپ فرآیند تحریک- انقیاض در مایومتریای[8] انسان و rat مورد مطالعه قرار گرفت. تحریک میوسیت‌های ایزوله با استفاده از پالس‌های ولتاژ نشان‌دهنده‌ی روابط جریان- ولتاژ در SMCs میومتریال باردار در rat و انسان‌ها می‌باشد. اعمال تک پالس‌های ولتاژ  نشان داد که جریان یون‌های کلسیم ( ) از طریق VOCCs نوع L به طور قابل توجهی غلظت کلسیم داخل سلولی را افزایش می‌دهد، درحالیکه در تحریکات مکرر با قطار پالس هم باز شدن  VOCCs  و هم کلسیم القا شده و آزاد شده[9] از شبکه‌ی سارکوپلاسمی[10] منجر به افزایش   می‌شود. ورود جریان به دنبال دپلاریزاسیون سلول‌های میومتریال rat شامل دو جز است، که بر پایه‌ی تفاوت در خصوصیات فعال‌سازی و غیرفعال‌سازی سلول‌ها و همچنین در سینتیک آن‌هاست. جز اول یک جربان سدیمی سریع است حال آنکه جز دوم یک جریان آهسته‌ی کلسیم می‌باشد( ).

 مطالعه‌ی مکانیسم‌های کاهش‌دهنده‌ی  در میومتریوم[11] موش باردار، که یک فرآیند حساس برای استراحت SMC است، نشان می‌دهد که پمپ‌های کلسیم غشای پلاسما 30% کلسیم داخل سلول را خروج می‌کنند و تبادلگر  مسئول خروج 60% از کلسیم داخل سلول هستند. کلسیم باقیمانده احتمالا از طریق ذخیره‌های داخل سلولی اداره می‌شود. ازاین‌رو، مکانیسم‌های سارکولمال[12]   بیرون اندازی کلسیم  برای کاهش  تعیین‌کننده است، در حالیکه اهمیت جذب کلسیم به ذخیره‌های داخل سلول کم‌تر است.

برخی از مطالعات مربوط به رابطه‌ی بین ، فسفریلاسیون MLC و نیروی انقباضی SMCs میومتریال می‌باشد. در مطالعات اولیه که در سلول‌های میومتریال انسان صورت گرفت، معلوم شد که افزایش در  باعث افزایش در فسفریلاسیون MLC می‌شود. اندازه‌گیری‌های هم‌زمان در طی انقباضات تحریکی الکتریکی و خود به خودی عضله‌ی رحمی انسان غیر باردار نشان داد که نیرو با نرخی کمتر از افزایش  و  فسفریلاسیون MLC ایجاد می‌شود.

مقادیر حداکثر و دائمی فسفریلاسیون MLC زودتر به مقادیر  می‌رسد. پیشنهاد شده که عدم حساسیت MLCK به فسفریلاسیون پس از ثانیه‌ی اول از آغاز انقباض، کاهشی را در نرخ فسفریلاسیون  MLC و تولید نیرو ایجاد می‌کند.

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 کم‌تر 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 وسیله‌ی دو اسیلاتور مرتبط که تعامل بین  داخل سلولی و پتانسیل غشا در نتیجه‌ی آزادسازی دوره‌ای کلسیم از ذخیره‌های داخلی و ورود دوره‌ای کلسیم خارج سلولی را شبیه‌سازی نموده است، مدل می‌شود. فشار تولید شده به وسیله‌ی سلول با استفاده از مدل پل عرضی چهار مرحله‌ای Hai-Murphy محاسبه می‌شود که  را به شکل‌گیری پل‌ عرضی و ایجاد فشار مربوط می‌کند.

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 محاسبه‌ی غلظت یون‌های مختلف داخل سیتوزل مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 همچنین برای محاسبه‌ی  اثرات بافر نمودن و جریان‌های کلسیمی از طریق غشای SR در نظر گرفته می‌شود. در هر دو مدل‌ روابط توصیف‌کننده‌ی جریان‌های غشایی یونی که از منحنی‌های  مشخصه‌ی فعال‌سازی آن‌ها به دست می‌آید. پارامترهای مدل بر طبق اندازه‌گیری‌های انجام‌شده در سلول‌های ایزوله و با استفاده از تکنیک‌های ولتاژ کلمپ و داده‌های آزمایشگاهی اضافی تنظیم می‌شود.

مدل‌های موجود میومتریال، رفتار رحم در بافت و ارگان‌ها و نیروهای انقباضی محاسبه‌شده را شرح می‌دهد که نتایج حاصل از آن بسیار شبیه اندازه‌گیری‌های کلینیکی  فشار داخل رحمی در هنگام انقباضات زایمان می‌باشد.

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 شبیه‌سازی فرآیند کامل انقباض عضله‌ی صاف رحمی که با دپلاریزاسیون شروع می‌شود، توسعه یافته است.

مدل بر پایه‌ی خصوصیات الکتروفیزیولوژیکی سلول و مکانیسم‌های سلولی که افزایش در   را به تولید نیرو مربوط می‌کند، می‌باشد و به منظور مطالعه‌ی عملکرد و خصوصیات این مکانیسم‌ها استفاده می‌شود.

 در شبیه‌سازی‌ها تغییرات محاسبه‌شده در ، فسفریلاسیون MLC و فشار تولید شده به وسیله‌ی انقباض میوسیت‌ها با داده‌های تجربی حاصل از سلول‌های میومتریال rat و انسان مقایسه می‌شود.

3انقباض و تحریک عضله صاف:

 -1-3انقباض عضله‌ی صاف:

عضله‌ی صاف برخلاف عضله‌ی اسکلتی از فیبرهای بسیار کوچکتر تشکیل شده است. فیبرهای عضله اسکلتی حدود بیست برابر قطورتر و صدها برابر درازتر از فیبرهای عضله‌ی صاف است. بسیاری از اصول انقباض عضلات صاف همان اصول انقباضی عضلات اسکلتی است.

-1-1-3انواع عضله‌ی صاف:

عضله صاف هر عضو از جنبه‌های گوناگون با عضله صاف اکثر اعضای دیگر تفاوت دارد:

     ابعاد فیزیکی  

     سازماندهی به صورت دسته

     پاسخ به تحریکات مختلف

     ویژگی‌های عصب‌گیری

     عملکرد

عضله‌ی صاف به دو نوع عمده تقسیم می‌شود:

     عضله صاف چندواحدی 

     عضله صاف تک‌واحدی

عضله صاف چند واحدی:

این نوع عضله‌ی صاف از فیبرهای مجزای عضله صاف تشکیل شده است. هر فیبر مستقل از سایر فیبرها عمل می‌کند و مانند فیبرهای عضله‌ی اسکلتی غالبا از یک پایانه‌ی عصبی عصب می‌گیرد. ضمنا سطح خارجی این فیبرها همچون فیبر های عضله‌ی اسکلتی از یک لایه نازک ماده‌ای شبیه غشای پایه پوشیده شده است. این ماده ترکیبی از فیبریل‌های ظریف کلاژن و گلیکوپروتئین است که به عایق سازی فیبر‌ها  از هم کمک می‌کند.

مهمترین ویژگی فیبرهای عضله‌ی صاف چند واحدی این است که هر فیبر می‌تواند مستقل از سایرین منقبض شود و کنترل فیبرها عمدتا به واسطه پیامصهای عصبی است. در مقابل، بخش عمده‌ای از کنترل عضله‌ی صاف تک‌واحدی با محرک‌های غیرعصبی است. برخی نمونه‌های عضله‌ی صاف چندواحدی عبارتند از: عضله‌ی مژگانی چشم، عنبیه چشم ،عضله راست‌کننده‌ی مو که تحریک آنها با دستگاه عصبی سمپاتیک موجب راست‌شدن موها می‌شود.

عضله صاف تک‌واحدی:

اصطلاح تک‌واحدی گمراه‌کننده است، زیرا به معنای فیبرهای واحد عضلانی نیست، بلکه به معنای مجموعه‌ای از صدها تا هزاران فیبر عضله‌ی صاف است که با هم و به‌صورت یک واحد منقبض می‌شوند. معمولا فیبرها به صورت دسته یا ورقه تجمع یافته‌اند و غشای سلولی آن‌ها 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 می‌سازد و یون‌ها می‌توانند از طریق آن‌ها آزادانه از سلولی به سلول بعد بروند، بطوریکه پتانسیل عمل یا جریان ساده‌ی یونی می‌تواند از فیبری به فیبر بعد برود و موجب انقباض همزمان فیبرهای عضله شود. این نوع عضله‌ی صاف را سن سیسیال می‌گویند، زیرا بین فیبر‌های آن ارتباطات سنسیسیومی وجود دارد. چون این‌گونه عضلات در جدار اکثر احشای بدن نظیر روده، مجاری صفراوی ،حالب‌ها، رحم و بسیاری از عروق خونی وجود دارد، به آن عضله‌ی صاف احشایی هم می‌گویند.

3مکانیسم انقباض در عضله صاف

 -     اساس شیمیایی انقباض عضله‌ی صاف:

عضله‌ی صاف دارای هر دو فیلامان اکتین و میوزین است که خصوصیات شیمیایی آن‌ها مشابه فیلامان‌های اکتین و میوزین در عضله اسکلتی است. این عضلات کمپلکس طبیعی تروپونین را که برای کنترل انقباض عضله‌ی اسکلتی لازم است ندارد، زیرا مکانیسم کنترل انقباض آن‌ها متفاوت است. مطالعات شیمیایی نشان داده‌اند که نحوه‌ی تعامل فیلامان های اکتین و میوزین عضله‌ی صاف تقریبا به همان صورت فیلامان‌های عضله اسکلتی است. ضمنا یون‌های کلسیم فرآیند انقباض را فعال  می‌کنند و انرژی حاصل از تجزیه ATP به ADP صرف انقباض می‌شود. البته تفاوتصهای عمده‌ای  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 فیلامان‌های اکتین و میوزین در عضله‌ی صاف بر خلاف عضله‌ی اسکلتی به صورت مخطط نیست. برخی از اجسام متراکم به غشای سلول چسبیده‌اند. بقیه در سلول‌های دیگر پراکنده‌اند. برخی از اجسام متراکم سلول‌های مجاور نیز به وسیله پل‌های پروتئینی بین سلولی به هم متصلند. انتقال نیروی انقباض از سلولی به سلول دیگر عمدتا از طریق این اتصالات صورت می‌گیرد.

تعداد کمی فیلامان میوزین در لابلای فیلامان‌های اکتین در فیبر عضلانی پراکنده شده است. قطر این فیلامان‌ها بیش از 2 برابر قطر فیلامان‌های اکتین است.

تفاوت دیگری هم وجود دارد: اکثر فیلامان‌های میوزین دارای پل‌های عرضی موسوم به کنار قطبی هستند، به طوری که پل‌های یک طرف در یک جهت خم شده‌اند و پل‌های طرف دیگر در جهت مقابل. بدین ترتیب میوزین می‌تواند 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 سلول‌های عضله صاف امکان می‌دهد تا 80% از طولشان منقبض شوند، در حالی‌که عضله‌ی اسکلتی حداکثر تا 30%طول خود منقبض می‌شود.

مقایسه انقباض در عضله صاف و اسکلتی        

اکثر عضلات اسکلتی به سرعت منقبض و بعد منبسط می‌شوند،اما انقباض اکثر عضلات صاف طولانی و تونوسی است، به طوری‌که گاه ساعت‌ها یا حتی روزها طول می‌کشد. پس خصوصیات عضلات صاف و اسکلتی متفاوت است. برخی از تفاوت‌ها از این قرارند.

شکل 3- تفاوت انقباض در عضله‌ی صاف و اسکلتی

چرخه‌ی کند پل‌های عرضی میوزین:

سرعت چرخه‌ی پل‌های عرضی در عضله‌ی صاف بسیار کندتر از چرخه‌ی عضله‌ی اسکلتی است، بطوریکه فرکانس آن حدود 10/1 تا 300/1 فرکانس چرخه در عضله‌ی اسکلتی می‌باشد. با وجود این معتقدند که درصد زمانی که پل‌های عرضی به فیلامان‌های اکتین متصل می‌مانند در عضله صاف تا حدود زیادی بیشتر است. یکی از علل احتمالی کندی چرخه‌ این است که فعالیتATPase  سر پل‌های عرضی در عضله‌ی صاف بسیار کمتر از عضله‌ی اسکلتی است، به طوری که تجزیه‌ی ATP که انرژی لازم برای جابجایی سر را تامین می‌کند کاهش می‌یابد و در نتیجه سرعت چرخه کم می‌شود.

انرژی لازم برای حفظ انقباض عضله‌ی صاف:

 انرژی لازم برای حفظ یک تانسیون مشخص، انقباضی در عضله صاف حدود 10/1 تا 300/1 همین انرژی در عضله‌ی اسکلتی است. علت این مورد را نیز کندی چرخه‌ی اتصال و جدایی پل‌های عرضی می‌دانند، و این که هر چرخه صرف نظر از مدت آن، تنها به یک مولکولATP  نیاز دارد.

این اعتدال در مصرف انرژی توسط عضله‌ی صاف در اقتصاد انرژی کل بدن بی نهایت مهم است، زیرا اعضایی نظیر روده ها ، مثانه ، کیسه‌ی صفرا  باید انقباض عضلانی تونوسی خود را تقریبا به طور نامحدود حفظ کنند.

کندی شروع انقباض و انبساط کل بافت عضله‌ی صاف:

بافت تیپیک عضله صاف حدود 50 تا 100 میلی ثانیه پس از تحریک منقبض می‌شود ، حدود نیم ثانیه بعد به حداکثر انقباض می‌رسد و پس از 1 تا 2 ثانیه دیگر نیروی انقباضی آن فروکش می‌کند، بطوریکه زمان کلی انقباض حدود 1 تا 3 ثانیه است. این زمان حدود 30 برابر میانگین مدت زمان یک انقباض در عضله‌ی اسکلتی است. انواع گوناگون عضله ‌ی صاف وجود دارد که زمان انقباض آن‌ها از 10/2 ثانیه تا 30 ثانیه متغیر است. علت کندی شروع انقباض در عضله‌ی صاف و نیز زمان طولانی انقباض این است که پل‌های عرضی به کندی به اکتین متصل و از آن جدا می‌شود. ضمنا شروع انقباض در پاسخ به یون‌های کلسیم بسیار کندتر از عضله‌ی اسکلتی است.