Каналы — это специализированные мембранные белки, которые позволяют ионам проходить через высокая скорость, когда они открыты. Считается, что у них есть специализированный путь что позволяет проводить ионы. Этот путь может быть открытым или закрытым в зависимости от от конформации канальной молекулы. Тепловое движение приведет к циклическому циклу белка между закрытой и открытой конформациями; следовательно, этот переход является случайное событие. Это означает, что невозможно предсказать в любой момент времени. будет ли канал открыт или закрыт.Однако законы вероятности позволяют делать определенные прогнозы среднего поведения канала. Таким образом, наблюдая за работой канала в течение длительного периода времени, мы можем вычислить общее время, в течение которого канал открыт ( O ), как сумма всех индивидуальных отверстия ( O = O ₁ + O ₂ + … ) и общее время закрытия канала ( C ) как сумма индивидуальных время закрытия ( C = К ₁ + К ₂ +… ). Мы можем оценить вероятность открытия, P _o , как

P _o = O / (O + C)

, что эквивалентно дробному открытому времени.

В том типе каналов, который нас особенно интересует, P _o зависит от мембранного потенциала, поэтому они называются зависимыми от напряжения. каналы. Na- и K-каналы в нейронах зависят от напряжения и их открытые вероятность мала при отрицательных (гиперполяризованных) потенциалах и высока при положительных (деполяризованные) потенциалы.Суммирование большой совокупности этих напряжений зависимые каналы будут производить зависящую от напряжения проводимость в ячейке мембрана. Наш подход в первую очередь будет заключаться в понимании работы каналов. а затем объяснить взаимодействие между током и напряжением через аксон.

Ток через открытый канал очень мал, порядка 10 ^-12 Амперы или пА.Это неудивительно, потому что это результат действия только одной молекулы позволяя ионам проходить. Фактически, мы можем рассматривать ионный канал как специальный «преобразователь», который позволяет нам обнаруживать его активность путем записи одноканальный ток. Техника патч-кламп (рис.7) используется для выполнения одноканальные записи и основаны на изоляции небольшой площади мембраны с помощью стеклянной пипетки с маленьким отверстием (диаметром около 1 м).Эта пипетка плотно прилегает к плазматической мембране, и когда имеется только один канал в области, охватываемой пипеткой, ток через этот канал может регистрироваться малошумящим усилителем (рис.7), в то время как мембранный потенциал (V на рис. 7) поддерживается постоянным. Этот метод позволяет нам измерить поток ионов через один канал и вычислить фактическое время открытия O и время закрытия C .

Несколько генов K-канала были клонированы и секвенированы, что позволяет аминокислотной последовательности белка. Есть шесть покрывающих мембран регионы (см. рис. 8), и эти регионы были идентифицированы с особыми функции канала. Фактический канал состоит из четырех субъединиц, которые придает молекуле некоторую симметрию (см. рис. 8). В последовательности этих K каналов, охватывающий мембрану сегмент 4 (S4), содержит своеобразную последовательность От 5 до 8 положительно заряженных аминокислот, которые повторяются через каждые три остатка.Есть экспериментальные доказательства того, что эта область участвует в восприятии мембраны. напряжение и, следовательно, управление вероятностью открытия канала. в серия рисунков, посвященных работе канала веб-сайта (табл. 1) а представлен упрощенный и идеализированный вид канала, в котором сегменты S4 показаны как цилиндры, которые могут перемещаться внутри белка. Напряжение на мембрана будет влиять на это движение, потому что этот сегмент положительно заряжен, и мы можем предположить возможный механизм контроля П _или .Мы предполагаем, что при смещении ЛЮБОГО из четырех сегментов S4 внутрь (только 2 положительных заряда показаны в каждом сегменте S4) путь для ионов проводимость заблокирована. Единственный способ сделать его проводящим — это съехать и повернуть ВСЕ четыре сегмента S4. На Таблице 1, часть E, это показано для деполяризованного потенциала. (+20 мВ), позволяя ионам проникать. Фактический путь проникновения ограничен сегментом S6 и петля между S5 и S6 и представлена ​​зелеными цилиндрами, которые соединен с сегментом S4 через линкер, так что, когда S4 наклонен вверх и прямо, соответствующая область в поре открывается.Однако проводимость будет только происходят, когда ВСЕ четыре открываются.

Табличка 1 . Схематическое изображение закрытого и открытого состояния К-канала. Вид на канал с внеклеточной стороны. Выстилка поры представлена ​​зелеными сегментами, а сегменты S4 — изображены синим цветом. Связь между сегментом S4 и порой представлен синим линкером. A. вид на четыре подразделения, все в положение покоя. В . Один субъект в активной позиции. С . Две субъединицы в активной позиции. Д . Три субъединицы в активном позиция. E. Четыре субъединицы в активной позиции, что делает проводимость канала (проницаемость ионов К обозначена красным цветом). Обратите внимание, что есть 16 возможных конформаций (2 x 2 x 2 x 2), но только одна является проводящей (E).

Движение стробирующего узла ( заряженный цилиндр или сегмент S4) является случайное событие и произойдет очень быстро и спонтанно, как указано шипами (Ворота-1 — Ворота-4) на рис.9, (где восходящий всплеск — это переход от состояния покоя к активному и нисходящий спайк наоборот). Однако напряжение на мембране будет иметь влияние на вероятность того, что сегмент будет прямо вниз (в состоянии покоя) или откинутый (активный). Таким образом, при отрицательных потенциалах (потенциал покоя) сегмент S4 будет проводить большую часть времени в положении покоя, так как притягивается к внутренней части мембраны. С другой стороны, при положительном потенциалов, S4 будет больше сидеть в активном положении из-за электростатического заряда. отталкивание.Таким образом, мембранный потенциал контролирует вероятность открытия потому что проводимость будет происходить , когда все четыре находятся в активном положении. Если мы назовем n , вероятность того, что любой из четырех цилиндров находится в активная позиция, то вероятность того, что ВСЕ четыре находятся в активной позиции в четвертой степени . Это означает, что вероятность быть открытым будет

P _o = n ⁴

Исходя из гиперполяризованного потенциала (-100 мВ), в большинстве случаев субъединицы будет в положении покоя и очень редко все четыре могут быть в кратковременный период времени в активном положении, производящий кратковременный ионный ток через канал.

Когда мембранный потенциал внезапно становится более положительным, возникает период времени (задержка), прежде чем мы сможем найти все четыре в активной позиции, производит начальную задержку при первом открытии канала (трасса, помеченная iK в Рис 9). Даже если потенциал сохраняется положительным, вполне вероятно, что один из подразделений перейдет в положение покоя с кратковременное прерывание одноканального тока (рис. 9).

.

Рисунок 9. Электрическое проявление движения стробирующих зарядов. Все следы в ответ на последовательность импульсов, указанную на нижнем графике Гренна (начните с -100 мВ импульс до нуля и возврат обратно к -100 мВ). Первые четыре синих следа (с ig1 по ig4) показаны снимки стробирующего заряда для каждого из четырех напряжений. датчики: скачок вверх — переход к активному, скачок вниз — переход на состояние покоя.Следующая кривая iK (черная) показывает ионный ток через канал. Следующая кривая (коричневая) — это среднее значение после 434 испытаний (в этом случай) всех переходов стробирующего заряда, составляющих макроскопический стробирующий ток (Ig). Следующая кривая (черная) соответствует среднему значению одиночного канальные ионные токи после 434 испытаний составляют макроскопический ионный ток (ИК).

Вертикальные выступы на следах от ворот 1 до ворот 4 на рис. 9 представляют собой быструю передачу заряда самого затвора через мембрану. (токи выстрелов), который называется током затвора одиночного затвора.Когда многие из эти следы усреднены, эти выстрелы тока складываются в то, что называется Стробирующий ток (средн. Ig на рис. 9), потому что это электрическое проявление движения датчика напряжения. Эти Текущие кадры не следует путать с одноканальным током: выстрелы — это очень короткие переходные токи, которые представляют движение датчик напряжения, в то время как одноканальные токи являются выражением движения ионов через открытый канал.

По мере увеличения деполяризации задержка до первого открытия уменьшается, а время открытия увеличивается (см. Рис 10, 11 и 12). Это кинетических характеристик одноканального токи, и они важны для определения характеристик макроскопического токи. На рис. 10, мембранный потенциал был доведен до -30 мВ и очень мало произошли открытия (запись одноканального тока только для одного показано испытание в дополнение к среднему показателю 807 испытаний).Средний ток (IK) отражает вклад 807 исследований в тот же потенциал или, поскольку каналы считаются независимыми, это эквивалентно текущему вырабатывается 807 каналов в ответ на скачок напряжения до -30 мВ. Заметить, что когда потенциал становится более положительным (рис. 11 и 12), средний ток увеличивается и достигает своего окончательного значения за более короткое время. Это следствие комбинации i) более высокой вероятности открытия при более деполяризованных потенциалах, ii) увеличение движущей силы ( V-E _K равно больше) и iii) уменьшение первого времени задержки.

Одноканальная проводимость . Есть как минимум два важных измерения, которые мы можем сделать в поведении канала в зависимости от мембраны потенциал. Первый — это ток, который течет по одному каналу в виде функция мембранного потенциала. Это можно сделать, подергивая мембрану на различных напряжений и измерения амплитуды токов при канале открывается, как показано в примерах на фиг.10-12. Отношение между одиночными ток в канале и напряжение мембраны очень близки к прямой, пересекающей горизонтальная ось при -80 мВ, равновесный потенциал K. Это означает, что канал, когда он открыт, ведет себя как омический резистор, а одиночный ток канала равен

i _{открытый одинарный} = g (V-E _K )

где г это одноканальная проводимость и E _K — равновесный потенциал вилка.(см. верхнюю панель рис. 13). (Это только приближение, потому что зависит от от концентраций K с обеих сторон и V )

Вероятность открытия. Второе важное измерение — вычислить P _o как функция мембранного потенциала V . К осмотрев рисунки 10-12, видно, что P _o зависит не только от V , но и от времени, потому что через короткое время после дающий деполяризующий импульс никаких отверстий не наблюдается, но позже они появляются почаще.Однако в течение длительного времени это P _o стабилизируется, и его функциональная зависимость от V является сигмоидальной, как показано на средней панели Рис. 13. Это результат влияния напряжения на положение стробирующего блока, который управляет открытием канала.

Зависимость тока от напряжения . Чтобы вычислить ток при в любой момент нам нужно знать вероятность открытия и ток через единый открытый канал.Текущий даст

i = P _o г (V-E _K ).

(см. Нижнюю панель рис. 13). Этот нынешний i в целом будет функция времени, потому что P _o является функцией времени.

Макроскопические К-токи . Временной ход одного К-канала открытие непредсказуемо, но среднее поведение легко получить, суммируя большое количество одноканальных событий в ответ на одно и то же возмущение напряжения.Это показано на нижних графиках, обозначенных IK на рисунках 10–12. Большая задержка для небольшие деполяризации переводятся в медленное нарастание среднего тока (рис. 10), в то время как короткая задержка для больших деполяризаций показана как очень быстрая рост среднего тока (рис. 12). Например, в аксоне кальмара их около 50 до 100 тыс. каналов / м ² , что означает, что небольшая область аксона будет иметь большое количество каналов, вносящих вклад в общий ток.Если эти каналы работают независимо друг от друга, тогда получается среднее поведение повторение одного и того же стимула в одном канале будет соответствовать поведению большой популяции каналов в ячейке. Это важный результат потому что мы можем предсказать макроскопический ток, повторив одно и то же наблюдение в одном канале. Мы можем вычислить макроскопическую плотность тока как единичную ток канала, умноженный на плотность каналов Н _К и это будет дано

I _K = N _K г P _o (V-E _K )

, который пропорционален текущему i , показанному на нижней панели Инжир.13. Обратите внимание, что макроскопический ток I _K = i N _K является нелинейной функцией V , но эта большая часть нелинейности создается нелинейной характеристикой P _o против V , а не по характеристикам открытого канала i-V .

Многие Na-каналы имеют более одной субъединицы разного размера и структуры.Однако большинство свойств, которые мы обсудим, находятся в субъединице, которая примерно в четыре раза больше, чем отдельная субъединица K-каналов. Это имеет четыре гомологичных домена, каждый из которых содержит 6 предполагаемых мембраны, охватывающие сегменты (см. рис. 14). Следовательно, структура молекулы считается подобным четырем субъединицам К. С функциональной точки зрения По мнению авторов, существуют важные различия между Na- и K-каналами. Во-первых, Na канал в основном селективен по отношению к Na, что позволяет K проходить примерно в 15 раз легче.Напротив, каналы K более избирательны по отношению к K, позволяя Na проходить с проницаемость меньше 20, чем у К. Еще одно поразительное отличие — скорость активации. Задержка до первого открытия примерно в 10 раз меньше в Na каналов, чем в K-каналах, что дает Na-каналам общее время активации около В 10 раз быстрее, чем K каналов. Еще одно важное отличие — наличие инактивации (см. ниже), которая не происходит в выпрямителе с задержкой K канал, описанный ранее.

Рисунок 14. Альфа-субъединица (порообразующая субъединица) Na-канала, содержащего четыре гомологичных домена. Первые три домена имеют быструю кинетику, а 4-й домен имеет более медленную кинетику. IFM (изолейцин, фенилаланин, метионин) мотив отвечает за инактивацию канала.

В канале Na мы можем выделить три основных состояния канала: закрыт, , открыт и отключен .Как и в случае с канал K, открытие канала Na также требует нескольких стробирующих событий (в классической формулировке: три события) и протекает по аналогичному механизму как описано выше для канала K. На пластине 2 показан упрощенный вид Na-канала: выстилка пор показана зеленым цветом (сегменты S6), а движение датчика обозначено как смещение заряженного цилиндра под действием мембранного потенциала. Если все три (или четыре) цилиндра двигаться вверх, канал открывается.Однако, как только канал открыт, даже если деполяризация сохраняется, проводимость прекращается (см. рис. 2). Этот соответствует началу инактивации, которая считается результатом стыковка области белка во внутреннем устье канала, остановка ионный поток («шарико-цепной механизм»). В этом состоянии канал все еще открыт, но не может вести. В макроскопическом ток блокирующий мяч вызывает уменьшение ионный ток при поддерживаемой деполяризации.Важные особенности Механизмом инактивации являются его установление и удаление.

Табличка 2. Схематическое изображение Работа канала Na с датчиками Доменов I, II и III — синим (быстро), а датчик домена IV — красным (медленный). Все четыре датчики подключаются к нижней части сегментов S6 (отмечены зеленым) для управления воротами. В канал проводит, когда Домены I, II и III являются одновременно активными (m ³ , согласно формулировке Ходжкина и Хаксли) но он также действует, когда все четыре домена активны.Однако инактивирующий частица (фиолетовый) занимает свое место и блокирует проводимость после того, как Домен IV уходит. в активную позицию.
СЛЕВА: закрытое состояние. Это состояние благоприятно для гиперполяризованных потенциалы (в данном случае непосредственно перед импульсом -100 мВ). Это один из много возможных закрытые и неактивированные состояния.
ОТКРЫТО: открытое состояние (проводящее). Этому состоянию способствует деполяризующий импульс, -10 мВ. Ионы пересекают поры и переходят из внешнего раствора во внутренний. решение.
СПРАВА: неактивное состояние . Хотя мембрана все еще деполяризована и ворота в открытом положении, канал не проводит, потому что инактивирующая частица блокирует внутреннее отверстие поры.

Рисунок 15 . Записи по одиночному натриевому каналу и среднее значение токи (Iavg) для импульсов до -50, -35, 0, 30 и 60 мВ пуск и возврат до -100 мВ.Обратите внимание, что вероятность открытия очень мала для импульсов до -50. мВ, хотя ток в одном канале является самым большим из-за большого движущая сила. Движущая сила для импульса меняется на 60 мВ, потому что она более положительный, чем нейтральный (равновесный) потенциал Na. Иногда канал не деактивируется даже до конца импульса и один канал событие может наблюдаться в конце импульса (см. стрелку для импульса на 60 мВ).Сумма этих событий дает ионный «хвост», наблюдаемый на конец пульса. ВНИМАНИЕ (справа): семейство токов Na для серии деполяризации от -50 до +60 мВ, начиная и заканчивая -70 мВ.

Из рис.15 видно, что вероятность раскрытия увеличивается с деполяризацией как и в случае с каналом К. Одноканальное событие больше в гиперполяризованном потенциалы (сравните -50 с 20 мВ), потому что движущая сила больше.При +60 мВ одноканальный ток направлен наружу, потому что этот потенциал больше положительный, чем +40 (равновесный потенциал Na для этого ионного состояния). Хотя одноканальное событие является большим при -50 мВ, средний ток (верхний trace) практически не принимается во внимание, поскольку при этом потенциале события происходят редко, то есть P _o очень мала при -50 мВ. С другой стороны, при +20 мВ токи в открытом канале хоть и меньше, но намного больше, потому что P _o выше.

Следуя тем же идеям, которые были представлены для активации К-канала, мы может выразить P _o Na-канала как пропорциональное до м ³ , где м — вероятность того, что любой из в активном положении находятся три стробирующих блока. Чтобы учесть влияние блокирующий мяч, мы можем определить вероятность того, что мяч будет в блокировка позиции как 1-ч , или вне стыковки как ч .В этом случае вероятность открытия равна

P _o = m ³ h

, если активация стробирующих узлов и стыковка шара были независимыми События.

Как видно на фото 2 и в Na симуляция, мяч попадет в канал после канала открыт и гораздо реже стыкуется во рту, когда канал закрыт. Это означает, что процесс инактивации связан на открытие (или активацию) канала, то есть два события не независимый. ⁽⁴⁾ Следствием этого является то, что напряжение зависимость процесса инактивации практически полностью зависит от напряжения зависимость активации. Это означает, что инактивационный шар не нуждается в собственный датчик напряжения. Теперь мы знаем, что когда датчик домена IV переходит в активное положение, то вероятность инактивирующей частицы возможность занять позицию резко возрастает, так что это хороший приближение, чтобы сказать, что инактивирующая частица блокирует проводимость только после того, как датчик домена IV активен.Поскольку кинетика домена IV медленнее, чем Домены I, II и III, сайт связывания, экспонируемый перемещением домена IV, только доступен после открытия канала и зависимость деактивации от напряжения наследуется в основном от зависимости домена IV от напряжения.

Что происходит, когда деполяризация прекращается и мембрана возвращается к отрицательным значениям? Канал деактивируется, но не может этого сделать полностью, пока мяч не выйдет из устья канала, и это произойдет очень медленно.Например, для возврата к -70 мВ требуется в среднем более 10 мс для выхода мяча. Это имеет важные последствия, потому что если один деполяризует мембрану снова через 2 или 3 мс при -70 мВ. не будет каналов для проведения, потому что мяч все еще на месте, следовательно канал неактивен. Это одна из причин, почему потенциал действия нельзя слишком близко следовать за другим (рефрактерный период).

УПРОЩЕНИЕ AXON

Вернуться к содержанию

ПРИМЕЧАНИЯ:

4.Формулировка Ходжкина и Хаксли предполагает независимость между активацией и дезактивацией, дающей начало m ³ h. Предсказания механизмов потенциала действия по существу не модифицируются за счет использования независимости или связь между активацией и инактивацией.

Пропускная способность канала — обзор

11.6.1.1 Средняя пропускная способность канала без информации о состоянии канала

Когда CSI недоступен, передатчик выделяет равную мощность для каждого режима.Учитывая количество мод D и реализацию вектора усиления g (t) (11.15), мгновенная пропускная способность канала составляет

(11,71) C = ∑i = 1Dlog21 + χDexpgi (t).

Принимая среднее значение (11,71), средняя пропускная способность канала составляет:

(11,72) C = D∫ − ∞ + ∞log21 + χDexpσmdlxpD (x) dx,

, где pD ( x ) — плотность вероятности определенная в (11.44) с единичной дисперсией, σmdl — стандартное отклонение общего MDL, а константа χ определяется ограничением:

(11.73) χ = ρt∫ − ∞ + ∞expσmdlxpD (x) dx.

Если мощность шума на мод нормирована на единицу, константа χ представляет собой полную передаваемую мощность, а χ / D в (11,72) представляет собой передаваемую мощность на моду. В силу предложения I раздела 11.4.1 плотность вероятности pDx такая же, как (11.44). Однако требуется масштабирование, поскольку плотность вероятности (11.44) имеет дисперсию 12 (D-D-1) вместо единицы.

Из раздела 11.4 MDL (измеренный в децибелах или логарифмическом усилении мощности) имеет нулевое среднее.Измеренные в линейном масштабе, общие потери / усиление мощности MMF сечением K , суммированные по всем модам D , равны chKσg. Этот общий выигрыш дает показатель Ляпунова, определенный в [120–122], для logcoshσg. Коэффициент χ , определяемый формулой (11,73), нормализует общий коэффициент усиления до единицы, измеренный по линейной шкале. Для системы с MDL коэффициенты усиления канала не постоянны, а являются случайными величинами. SNR ρt — это среднее (статистическое среднее) SNR, а коэффициент χ , определяемый формулой (11.73) можно интерпретировать как отношение среднего SNR к среднему усилению канала. Произведение χexpσmdlx в (11.72) можно интерпретировать как SNR реализации канала с нормализованным усилением x .

Имеются аналитические выражения для постоянной χ , заданной формулой (11.73), но они слишком сложны для практических расчетов. Нет известного аналитического выражения для емкости (11,72), за исключением предела очень большого D . Численное интегрирование (11.72) можно использовать для определения пропускной способности канала. Для волокон с большим количеством мод MDL имеет логарифмическое полукруглое распределение, и постоянная χ становится

χ = ρtσmdl2I1σmdl,

, где I1 (·) — модифицированная функция Бесселя первого рода. Если D намного больше, чем χ · exp (2σmdl), где 2σmdl — верхний предел полукруглого распределения, пропускная способность канала приближается к C∞. В этом пределе каждому режиму выделяется очень небольшая мощность, а общая мощность пропорциональна общей мощности.

На рисунке 11.15 показана средняя пропускная способность с MDL, но без CSI, как функция накопленного MDL ξ = Kσg, для волокон с различным количеством мод D . Поскольку CSI недоступен, каждому режиму выделяется одинаковая мощность. Среднее отношение сигнал / шум ρt = 10 дБ. На рисунке 11.15 теоретическая пропускная способность канала рассчитана с использованием (11.57) для нахождения STD общего MDL σmdl, а распределения вероятностей (11.45) (масштабированные до единичной дисперсии) используются как в (11.72), так и (11.73) для вычисления средняя пропускная способность канала.При моделировании используются матрицы каналов, сгенерированные теми же методами, что и на рис. 11.9.

Рисунок 11.15. Средняя пропускная способность канала для MDM в MMF как функция накопленных MDL ξ для волокон с различным количеством мод D , при условии, что CSI недоступен. Каждому режиму выделяется равная мощность, а отношение сигнал / шум ρt = 10 дБ. Теоретические результаты показаны в виде кривых, а результаты моделирования показаны кружками. По материалам [28].

На рисунке 11.15, в отсутствие CSI средняя пропускная способность канала всегда уменьшается с увеличением ξ , особенно в волокнах с меньшим количеством мод D . Для значений от ξ до 10 дБ средние значения пропускной способности канала из теории и моделирования очень хорошо совпадают. Для двухмодового волокна теоретическая и смоделированная емкости совпадают в пределах 5% до ξ = 11 дБ. Для 512-модового волокна теоретическая и смоделированная емкости совпадают в пределах 5% до ξ = 19 дБ.Расхождение между теорией и моделированием уменьшается с увеличением количества режимов.

Предполагается, что полная запущенная мощность, эквивалентная χ , определяемая формулой (11.73), не изменится при случайной реализации MDL. Удовлетворение этого предположения требует, чтобы на каждом этапе не было насыщения усилителя, вызванного MDL. Например, рассмотрим двухрежимный случай с единичной общей входной мощностью, единичным уровнем шума (при отсутствии насыщения), единичным отношением сигнал / шум и коэффициентом усиления 0,5 и 1,5 (измеряется в линейных единицах).В отсутствие насыщения выходные мощности могут изменяться от 0,5 до 1,5, в зависимости от выравнивания входного сигнала с собственными модами MDL (то есть режимами минимального и максимального усиления). Однако, когда происходит насыщение, максимальная выходная мощность может быть ограничена значениями меньше номинального значения 1,5, в то время как уровни шума уменьшаются пропорционально для поддержания среднего отношения сигнал / шум, равного единице. Представленная здесь модель не учитывает эти эффекты. Если имеется много каскадов оптических усилителей или система имеет широкую полосу пропускания, аналогично аргументам раздела 11.4.5, основанный на законе больших чисел, снижение усиления на одной ступени (или на одной частоте) должно хорошо компенсироваться увеличением усиления на других ступенях (или на других частотах). Однако эффекты насыщения для систем MDM еще недостаточно изучены на момент написания этой статьи.

Из-за статистического усреднения пропускная способность при отключении приближается к средней пропускной способности канала для широкополосной системы с сильной связью мод, как показано в Разделе 11.6.2.

РАЗЛИЧИЯ ФЕНОТИПА И ФУНКЦИИ ИОННЫХ КАНАЛОВ МЕЖДУ МОДЕЛЯМИ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ

Abstract

Ионные каналы играют решающую роль в регулировании широкого спектра физиологических процессов.Они образуют очень большое семейство трансмембранных белков. Их разнообразие является результатом не только большого количества различных генов, кодирующих субъединицы ионных каналов, но также способности субъединиц собираться в гомо- или гетеромультимеры, существования вариантов сплайсинга и экспрессии различных регуляторных субъединиц. Эти характеристики и наличие очень селективных модуляторов делают ионные каналы очень привлекательными мишенями для терапии самых разных патологий. Некоторые ионные каналы уже используются в клинике, в то время как многие другие оцениваются как новые лекарственные мишени как в клинических, так и в доклинических исследованиях.Продвижение модуляторов ионных каналов со стенда в клинику требует их оценки безопасности и эффективности на животных моделях. Хотя экстраполировать результаты от одного вида к другому заманчиво, делать это без тщательной оценки ионных каналов у разных видов представляет риск, поскольку перевод не всегда прост. Здесь мы обсуждаем различия между видами с точки зрения ионных каналов, экспрессируемых в выбранных тканях, различной роли ионных каналов в некоторых типах клеток, вариабельной реакции на фармакологические агенты и человеческих каналов, которые не могут быть полностью воспроизведены на животных моделях.

Ключевые слова: Ионные каналы, болезнь, разработка лекарств, модель на животных, проверка мишеней, фармакология

2. Введение

Использование моделей на животных является неотъемлемой частью понимания физиологических и патофизиологических процессов и валидации нового лекарственного средства. целей, а также к разработке новых терапевтических средств. Однако выбор неправильных моделей на животных слишком часто приводит к получению информации, которая не может быть передана людям, или к провалу клинических испытаний.Многие факторы должны влиять на выбор животной модели, например, возраст и пол животных по сравнению с целевой популяцией пациентов (1). Также важно учитывать актуальность модели на животных с точки зрения молекулярных мишеней для лекарств. Здесь мы сосредоточимся на ионных каналах как мишенях для терапии и диагностики широкого спектра заболеваний.

В геноме человека идентифицировано более 300 различных ионных каналов, принадлежащих к 13 суперсемействам (2). Ионные каналы — это белки, расположенные в клеточных мембранах; они образуют поры в мембране и строго контролируют приток или отток ионов в клетки или органеллы (3).Большинство каналов требует сборки нескольких субъединиц для формирования функциональных пор. Субъединица канала может быть частью гомомультимера в клеточном типе, а также быть частью гетеромультимера в другом типе клеток, что приводит к еще большему разнообразию каналов, но также к ограниченному тканевому распределению большинства каналов. Кроме того, разнообразие ионных каналов увеличивается за счет экспрессии в некоторых тканях регуляторных субъединиц, которые взаимодействуют с порообразующими субъединицами, чтобы регулировать их экспрессию, локализацию и функцию.

Исторически ионные каналы назывались разными группами по-разному, что вызывает путаницу в литературе. Например, калиевый канал с большой проводимостью, зависящий от напряжения и кальция, известен как KCa1.1, BK, Maxi-K или Slo1, а ген, кодирующий его порообразующую α-субъединицу, называется slo1 или KNCMA1. . Чтобы уменьшить путаницу, мы будем использовать номенклатуру, установленную Международным союзом фундаментальной и клинической фармакологии (IUPHAR) (4), чтобы назвать все ионные каналы в этом обзоре.При необходимости мы также предоставим другие часто используемые имена.

Ионные каналы регулируют широкий спектр физиологических и патофизиологических процессов. Благодаря своему разнообразию, ограниченному распределению в тканях и их важной роли в регулировании критических функций клеток, они являются очень привлекательными терапевтическими или диагностическими целями при широком спектре заболеваний (5, 6). Например, зиконотид (SNX-111), синтетическая версия ω-конотоксина MVIIA из яда морской улитки Conus magus , является мощным обезболивающим препаратом, который избирательно блокирует потенциал-зависимые кальциевые каналы и одобрен для лечения сильной хронической боли (5, 7).Хлоротоксин, блокатор хлоридных каналов из яда скорпиона Leiurus quinquestriatus , проходит клинические испытания в качестве потенциального инструмента для диагностики глиомы (8). Также проходят клинические испытания ShK-186 (далазатид), синтетический аналог ShK, пептид, блокирующий калиевые каналы K _V 1.3 из яда морского анемона Stichodactyla helianthus , за его селективные иммуномодулирующие свойства на эффекторные Т-лимфоциты памяти. при аутоиммунных заболеваниях (9–11).

Может возникнуть соблазн экстраполировать данные, полученные с помощью ионного канала одного вида, на другой вид. Хотя некоторые фенотипы и функции ионных каналов хорошо воспроизводимы между людьми и обычными моделями лабораторных животных, в некоторых тканях с годами были выявлены резкие различия в экспрессии, функции и чувствительности ионных каналов к фармакологическим агентам. Здесь мы рассмотрим различия в экспрессии ионных каналов, функции и реакции на фармакологические агенты между человеческими клетками и тканями и моделями животных млекопитающих, используя избранные примеры из литературы, чтобы подчеркнуть сложность выбора соответствующей животной модели для ответа на вопрос.

3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЭКСПРЕССИЯ ИОННЫХ КАНАЛОВ У ЧЕЛОВЕКА И ДРУГИХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ

Исследователи часто предполагали, что идентификация одного или нескольких ионных каналов в определенной ткани или типе клеток может быть напрямую перенесена на другой вид. Хотя это может иметь место, например, при сравнении фенотипа калиевого канала фибробластоподобных синовиоцитов человека и крысы (12, 13), это не всегда верно для других типов клеток или при фокусировании на других ионных каналах. Это привело к тестированию потенциальных новых терапевтических средств на неправильной животной модели.В этом разделе мы выделяем несколько примеров различий в экспрессии ионных каналов между разными видами.

3.1. Различия в экспрессии калиевых, натриевых и кальциевых каналов в сердечно-сосудистой системе

Сердечно-сосудистая система состоит из сердца, кровеносных сосудов и крови, которая циркулирует по телу. Эта система отвечает за транспортировку кислорода, питательных веществ, клеточных отходов и гормонов ко всем органам. Сердце имеет четыре камеры; верхние камеры — это предсердия, а нижние камеры — желудочки.Перегородка, стенка мышцы, разделяет левое и правое предсердия, а также левый и правый желудочки. Клапаны регулируют кровоток в различных камерах сердца.

Электрокардиограмма измеряет электрическую активность сердца и является важным инструментом в диагностике пациентов, страдающих сердечными заболеваниями. Мышей часто используют в качестве моделей сердечно-сосудистых заболеваний, однако частота сердечных сокращений у мышей примерно в 10 раз выше, чем у людей, что требует более коротких потенциалов действия и различных реполяризующих калиевых токов.Действительно, электрокардиограмма мышей и людей сильно различается (14, 15). Наиболее заметным отличием является наличие зубца J и отсутствие изоэлектрического сегмента ST на электрокардиограмме мыши. Эти различия можно объяснить различиями в ионных каналах, экспрессируемых в сердце человека и мыши.

Переходный исходящий ток ( I _— ) играет роль в заметной ранней фазе реполяризации потенциала действия. I _– первоначально относили к ионам хлора, но дополнительная работа показала, что они переносятся ионами калия.Он был обнаружен в миоцитах предсердий и желудочков у большинства млекопитающих, включая людей, крыс, мышей, хорьков, кошек, кроликов и собак (16). Он также был обнаружен в синоатриальных и атриовентрикулярных узловых клетках (16). I от _до имеет два компонента: быстрый ( I _{to, f} ) и медленный ( I _{to, s} ) компоненты. Их плотность варьируется между миоцитами внутри одного вида, а также между видами (16). У человека и хорька плотности I _{to, f} выше в эпикардиальных клетках, тогда как I _{to, s} преобладает в эндокардиальных миоцитах.В желудочках крысы плотности I _{to, f} выше в эпикардиальных клетках, чем в эндокардиальных и перегородочных клетках; I _{to, s} плотности аналогичны. У мышей, I _{to, f} плотности выше в миоцитах правого желудочка, чем в левом желудочке; они расположены низко в межжелудочковой перегородке. I _{to, s} экспрессируется только в перегородке мыши. В миоцитах предсердий человека, собак и мышей экспрессируется только I _{to, f} , тогда как в миоцитах предсердий кроликов преобладает I _{to, s} .У всех изученных видов (крыса, хорек, собака, человек и мышь) I _{to, s} переносится по каналам K _V 1.4 (16). I _{to, f} модулирует обработку кальция, профиль потенциала действия, а также сократительную способность и гипертрофию кардиомиоцитов. Альфа-субблоки напряженно-стробируемого K _V 4 канала лежат в основе I _{to, f} . В кардиомиоцитах желудочков человека и собак калиевые каналы K _V 4.3 отвечают за I _{to, f} (17).Напротив, миоциты желудочков грызунов и хорьков экспрессируют как K _V 4.2, так и K _V 4.3 (18–20). Важно отметить, что Kv4.3 был обнаружен только в нескольких сердечных клетках у мини-свиней Göttigen (21). В результате этих различий исследование модуляторов K _V 4.3 может иметь совершенно разные эффекты на сердечную функцию людей и грызунов, мини-свиней Göttigen или хорьков.

Управляемые напряжением натриевые каналы (Na _V ) опосредуют быстрое увеличение проницаемости для натрия во время начальной фазы потенциала действия.Blechschmitt et al. сравнил уровни экспрессии изоформ Na _V 1 в сердцах людей, свиней, крыс и мышей (22). В то время как сердце свиньи больше всего напоминает сердце человека с точки зрения уровней транскрипции каналов Na _V 1, образцы экспрессии Na _V 1 в сердце крысы и мыши сильно отличаются друг от друга и от человеческого сердца. Как в сердце человека, так и в сердце свиньи Na _V 1,5 является преобладающим каналом Na _V с низкой экспрессией Na _V 1.1, Na _V 1,3 и Na _V 1,4. Интересно, что в то время как Na _V 1.5 является доминирующей изоформой как в мужском, так и в женском сердце человека, уровни трех других изоформ варьируются в зависимости от пола. В то время как Na _V 1.1 составляет 5% всех транскриптов натриевых каналов в сердце крысы, гораздо более низкие уровни были обнаружены в сердцах людей, мышей и свиней. Транскрипты Na _V 1,2 являются самыми высокими в сердцах мышей, в которых они составляют ~ 7% всех транскриптов натриевых каналов, но намного ниже в сердце крысы и незначительны в сердцах людей и свиней.Примерно 15% всех транскриптов натриевых каналов в сердце мыши составляют Na _V 1,3, но только ~ 2% у трех других изученных видов. Транскрипты Na _V 1,4 составляют ~ 7% всех транскриптов натриевых каналов в сердце мыши, но экспрессируются на гораздо более низких уровнях в сердце человека и свиньи, а его уровень в сердцах крыс незначителен.

Основная функция гладкомышечных клеток артерий — сокращение и расслабление. Во время сокращения гладкомышечные клетки сосудов укорачиваются и, следовательно, уменьшают диаметр кровеносного сосуда и повышают кровяное давление.Управляемые напряжением кальциевые каналы (Ca _V ) играют важную роль в трансдукции сократительной способности гладких мышц сосудов. Клетки гладких мышц церебральной артерии человека экспрессируют Ca _V 1,2 (также известный как кальциевый канал L-типа), Ca _V 3,2 (также известный как кальциевый канал T-типа) и Ca _V 3,3 (также известный как кальциевый канал T-типа) ( 23). Клетки гладких мышц артерий мыши и крысы также экспрессируют Ca _V 1,2 и Ca _V 3,2, но Ca _V 3,3 заменяется на Ca _V 3.2 у этих двух видов (24, 25). Входящие внутрь кальциевые токи гладкомышечных клеток человека, мыши и крысы имеют одинаковую зависимость от напряжения. Однако при переключении между Ca _V 3.3 и Ca _V 3.2 плотности входящего тока в гладкомышечных клетках человека были ниже, чем у их собратьев крысы или мыши (23). Кроме того, потенциал реверсирования токов крыс деполяризован по сравнению с человеческими или мышиными, тогда как токи целых клеток инактивируются быстрее в гладкомышечных клетках мышей, чем их аналоги человека или крысы (23).Таким образом, переключение одной изоформы Ca _V между видами может существенно повлиять на функцию клеток.

3.2. Т-лимфоциты человека и мыши экспрессируют разные калиевые каналы

Иммунная система представляет собой сеть органов, тканей, клеток и секретируемых молекул, которые взаимодействуют, чтобы защитить организм от инфекционных агентов и опухолевых клеток и уравновесить друг друга, чтобы предотвратить чрезмерную реакцию на угрозы и ущерб самому хосту. Клетки иммунной системы подразделяются на клетки врожденного и адаптивного иммунитета.Т-лимфоциты — это клетки адаптивной иммунной системы. Они активируются антигенами, представленными антигенпрезентирующими клетками, такими как дендритные клетки, макрофаги или В-лимфоциты, и эта активация приводит к их пролиферации, миграции к участкам воспаления и производству медиаторов воспаления. Утрата функции Т-лимфоцитов может привести к иммунодефициту и повышенному риску инфекций и может быть смертельной. Нарушение регуляции Т-лимфоцитов может привести к аутоиммунитету или раку.

Из-за их решающей роли в иммунной системе Т-лимфоциты были тщательно изучены, включая фенотип и функцию их ионных каналов.В середине 1980-х в человеческих Т-лимфоцитах были описаны два калиевых канала: потенциал-зависимый канал K _V 1.3 (он же n-канал или KCNA3 ) и активированный кальцием канал K _Ca 3.1 (он же IKCa1, SK4, или KCNN4 ) (26, 27). У людей эти каналы регулируют мембранный потенциал Т-клеток и способствуют притоку Са ²⁺ через каналы Са ²⁺ , опосредованные высвобождением Са ²⁺ ; поэтому они регулируют активацию Т-клеток и последующую пролиферацию и секрецию цитокинов и хемокинов (28).Относительный вклад K _V 1.3 и K _Ca 3.1 в эти функции зависит от канала, экспрессируемого на более высоких уровнях в данной Т-клетке человека. Человеческие Т-лимфоциты можно разделить на три отдельные популяции на основе поверхностной экспрессии хемокинового рецептора CCR7 и фосфатазы CD45RA (29). Наивные Т-клетки экспрессируют как CCR7, так и CD45RA, тогда как Т-клетки центральной памяти — это CCR7 ⁺ и CD45RA ^—, а эффекторные Т-клетки памяти — это CCR7 ^— и CD45RA ^—.Покоящиеся Т-клетки из всех трех популяций экспрессируют 200–300 K _V 1,3 канала / клетку и 8–20 K _Ca 3,1 канала / клетку (30–32). После активации CCR7 ⁺ Т-клетки активируют канал K _Ca 3.1, чтобы экспрессировать 400-500 K _V 1,3 каналов / клетку и 200-500 K _Ca 3.1 каналов / клетку. Напротив, CCR7 ^— Т-клетки активируют K _V 1,3 каналов после активации, чтобы экспрессировать ~ 1500 K _V 1,3 канала / клетку и только ~ 10 K _Ca 3.1 канал / ячейка. Этот фенотип наблюдается как в CD4 ⁺ , так и в CD8 ⁺ Т-клетках человека.

Наивная, центральная память и эффекторная память у крыс Т-лимфоциты обнаруживают сходные фенотипы каналов K _V 1.3 и K _Ca 3.1 с их человеческими аналогами (32–34), как и Т-лимфоциты макаки-резуса (35). Однако Т-лимфоциты мыши обнаруживают значительные различия в структуре калиевых каналов (32). Покоящиеся Т-клетки мыши экспрессируют только 10-30 калиевых каналов на клетку.Помимо K _V 1.3, мышиные Т-клетки CD4 ⁺ также экспрессируют каналы K _V 1.1, K _V 1.2 и K _V 1.6, тогда как CD8 ⁺ мышиные Т-клетки экспрессируют вместо этого K _V 3.1. К _В 1,3 (36–39). Активация Т-клеток мыши вызывает увеличение калиевых каналов до 200–300 / клетка. Повторная активация Т-клеток мыши вызывает прогрессивную повышающую регуляцию каналов K _V и K _Ca 3.1, тогда как тот же протокол индуцирует повышающую регуляцию K _V 1.3 и подавление K _Ca 3.1 Т-лимфоцитами человека и крысы (31–33, 40). Кроме того, в то время как мембранный потенциал Т-лимфоцитов человека и крысы поддерживается калиевыми каналами, в Т-клетках мыши он поддерживается Na-K-АТФазой (41). Наконец, транскрипты K _V 1.3 в большом количестве присутствуют в тимусе мыши, тогда как у человека они преимущественно экспрессируются в зрелых Т-клетках (32).

Различия в экспрессии калиевых каналов различными популяциями Т-лимфоцитов у разных видов имеют решающие последствия для результатов ингибирования экспрессии или функции данного канала (10, 32, 42).CCR7 ^– эффекторных Т-лимфоцитов памяти человека и крысы очень чувствительны к блокаторам 1,3-каналов K _V , которые ингибируют их активацию, пролиферацию и способность секретировать цитокины (31, 33, 43–45). С другой стороны, CCR7 ⁺ человека и крысы, наивные Т-лимфоциты и Т-лимфоциты центральной памяти, изначально чувствительные к блокаторам K _V 1.3, активируют каналы K _Ca 3.1, делая их устойчивыми к блокаторам K _V 1.3 и чувствителен к K _Ca 3.1 блокиратор (30). В результате 1,3-канальные блокаторы K _V демонстрируют эффективность в снижении воспаления на моделях CCR7 ^— на крысах с воспалительными заболеваниями, опосредованными эффекторными Т-клетками памяти, такими как экспериментальный аутоиммунный энцефаломиелит, индуцированный пристаном артрит, астма или аутоиммунный пародонтит без предотвращение исчезновения острых инфекций (34, 43, 44, 46–49). Аналогичные результаты были получены на мышиной модели псориаза, индуцированного ксенотрансплантатом поврежденной кожи человека (50) и селективным K _V 1.Блокатор 3-х каналов показал эффективность у пациентов с активным псориазом бляшек (11). Нокаут-мыши по K _V 1.3 устойчивы к модели рассеянного склероза (51), демонстрируя эффекты, подобные блокированию K _V 1.3 в моделях этого заболевания на крысах (34, 46, 47). Однако блокирование K _Ca 3.1 также эффективно для снижения степени тяжести в модели рассеянного склероза у мышей (52), тогда как на модели этого заболевания на крысах оно дает мало преимуществ (34).

3.3. Калиевые каналы в сперматоцитах и ​​сперматозоидах человека, мыши и крысы

Сперма — это мужская репродуктивная клетка, названная в честь спермы, греческого слова, означающего «семя».Сперматозоиды снабжены сильным жгутиком, который используется для их движения при оплодотворении яйцеклетки.

Калиевые каналы регулируют мембранный потенциал и подвижность клеток; поэтому они необходимы для нормальной физиологии сперматозоидов. В 1998 году Schreiber et al. продемонстрировали наличие кальций-активированного калиевого канала K _Ca 5.1 (также известного как Slo3, KCNU1 ), pH-чувствительного калиевого канала, в сперматоцитах мышей, предшественниках сперматозоидов (53). Эта работа была расширена примерно десятью годами позже демонстрацией того, что mK _Ca 5.1 лежит в основе калиевого тока (mKSper), регистрируемого в сперматозоидах мышей (54, 55). В то время предполагалось, что K _Ca 5.1 переносит калиевый ток в сперматоциты и сперматозоиды всех видов млекопитающих, хотя сперматозоиды мыши в два раза больше, чем сперматозоиды человека, но имеют только половину емкости (56, 57). Тем не менее, цельноклеточные исследования сперматоцитов крыс продемонстрировали экспрессию канала K _Ca 1.1 с большой проводимостью (также известного как Slo1, BK, MaxiK, KCNMA1 ) и 4-аминопиридин-чувствительного канала K _V . канал (58).Последующая работа со сперматозоидами человека показала, что их калиевый ток (hKSper) чувствителен к внутриклеточному кальцию, но не к внутриклеточному ощелачиванию (59). Комбинация ОТ-ПЦР, иммуноблоттинга, иммуноцитохимии и электрофизиологии показала, что в основе тока hKSper лежит K _Ca 1.1 (59). Более поздняя работа по сравнению фармакологического профиля человека и мыши K _Ca 5.1 (подробно описана в разделе 5.3) еще больше усложняет результаты, даже предполагая, что hKSper может состоять из комбинации K _Ca 1.1 и K _Ca 5.1. Идентификация K _Ca 1.1 в сперматозоидах человека также свидетельствует об экспрессии в этих клетках β3 регуляторных субъединиц K _Ca 1.1 (59). Обнаружение того, что различные варианты сплайсинга β3 регуляторной субъединицы K _Ca 1.1 экспрессируются у приматов и неприматов (подробно в разделе 4.2), усложняет точную идентификацию калиевых каналов, лежащих в основе mKSper и hKSper.

3.4. Различия калиевых каналов в фибробластоподобных синовиоцитах

Фибробластоподобные синовиоциты (FLS) являются одним из основных типов клеток, которые составляют синовиальную выстилку диартродиальных свободно подвижных суставов.В здоровых суставах FLS играют роль в поддержании гомеостаза суставов за счет секреции компонентов синовиальной жидкости, таких как лубрицин и гиалуранон (60, 61). Во время ревматоидного артрита, аутоиммунного заболевания, включающего воспаление синовиальных суставов, FLS развивает патогенный фенотип, характеризующийся высокой степенью инвазивности и секреции протеаз, что приводит к деградации внеклеточного матрикса и костей, а также секреции провоспалительных цитокинов и хемокинов. (60, 61).

FLS, выделенные от пациентов с ревматоидным артритом, экспрессируют порообразующую α-субъединицу K _Ca 1.1 (также известную как Slo1, BK, MaxiK, KCNMA1 ) на своих плазматических мембранах, а также каналы K _Ca 3.1 ( он же IKCa1, SK4 или KCNN4 ) (12, 62–64). K _Ca 1.1 активируется при высокоинвазивных FLS у пациентов с ревматоидным артритом по сравнению с пациентами с остеоартритом, FLS которых менее инвазивен (63). Кроме того, регуляторная субъединица β3 K _Ca 1.1 ассоциирован с CD44 ^high , высокоинвазивным FLS у пациентов с ревматоидным артритом, тогда как субъединица β1 K _Ca 1.1 обнаружена в CD44 ^low , менее инвазивном FLS (более подробную информацию о K _{Ca см. В разделе 4.2.} 1.1 регуляторных субъединиц) (63). Сходная экспрессия и повышающая регуляция K _Ca 1.1 α наблюдается в FLS, выделенных от крыс с моделью ревматоидного артрита, индуцированного пристаном (13). Однако FLS, культивируемые из синовиальной оболочки кролика, экспрессируют мРНК для K _V 1.1, 1.4, 1.5 и 1.6 и имеют выходящие токи в основном из каналов K _V 1.1 (65), а не из каналов K _Ca 1.1, как описано у людей и крыс.

Избирательная блокировка K _Ca 1.1 снижает инвазию и пролиферацию in vitro как человека, так и крыс, а также снижает секрецию цитокинов и протеаз. Системное лечение крыс с пристан-индуцированным артритом или коллаген-индуцированным артритом с помощью малой молекулы K _Ca 1.Блокатор 1 паксиллин значительно снижает тяжесть заболевания, что указывает на возможность использования K _Ca 1.1 в качестве терапевтической мишени при ревматоидном артрите (13). Сходство между калиевыми каналами у крыс и человека FLS подчеркивает важность использования соответствующей животной модели для изучения эффективности лекарств, которые могут быть переданы человеку.

K _Ca 3.1 также был идентифицирован на FLS от пациентов с ревматоидным артритом и обнаружен на уровне экспрессии на уровне мРНК, аналогичном K _Ca 1.1 (62). Блок K _Ca 3.1 с помощью низкомолекулярного ингибитора TRAM-34 снижает продукцию FLS нескольких цитокинов, а также вызывает снижение пролиферации клеток (62). Однако в этом исследовании TRAM-34 использовался в концентрациях от 20 до 40 мкМ, дозах, при которых он больше не является селективным по отношению к K _Ca 3.1 по сравнению с K _Ca 1.1 и другим каналам (66), а также наблюдаемым эффектам TRAM. -34 по фенотипам FLS может быть частично вызвано нецелевыми эффектами. Кроме того, siRNA-опосредованный нокдаун K _Ca 3.1 не суммировал все эффекты TRAM-34 на ДУТ. Это контрастирует с нокдауном K _Ca 1.1, который имитирует эффекты блокаторов K _Ca 1.1 (13, 62). Это также указывает на возможность нецелевого воздействия TRAM-34, используемого в высоких дозах. Однако мыши с нокаутом K _Ca 3.1 устойчивы к развитию коллаген-индуцированного артрита, модели ревматоидного артрита, что указывает на потенциальную ценность K _Ca 3.1 в качестве мишени для ревматоидного артрита (67).Однако репертуар калиевых каналов мышиного FLS в настоящее время неизвестен, и наблюдаемая устойчивость к воспалительному артриту у мышей с нокаутом K _Ca 3.1 может быть обусловлена ​​изменениями в других типах клеток, участвующих в прогрессировании заболевания, таких как Т-клетки, экспрессирующие K _{. Ca} 3.1 (см. Раздел 3.2).

4. РАЗЛИЧНЫЕ РОЛИ ИОННЫХ КАНАЛОВ В КОНКРЕТНЫХ ТИПАХ КЛЕТОК У ЧЕЛОВЕКА И ДРУГИХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ

Ионные каналы играют решающую, но разнообразную роль в функциях многих различных типов клеток.Они регулируют ионный гомеостаз, объем и морфологию клеток, активацию и миграцию клеток, способность клеток секретировать факторы роста, гормоны и другие растворимые пептиды и белки, сокращение скелетных мышц, распространение нервной проводимости и многие другие функции. Когда конкретный канал экспрессируется в клеточном типе у нескольких видов, он часто выполняет одну и ту же функцию. Например, кальциевый канал, активируемый высвобождением кальция, экспрессируемый Т-лимфоцитами, опосредует приток кальция, необходимый для активации Т-клеток, у всех видов, у которых он был изучен (28).Однако в некоторых случаях один и тот же ионный канал экспрессируется у разных видов, но в одном и том же типе клеток не играет той же роли, что обсуждается в этом разделе.

4.1. Регуляция организации F-актина в астроцитах

Астроциты — самые многочисленные и разнообразные клетки центральной нервной системы. Они демонстрируют поразительную неоднородность как по морфологии, так и по функциям. Они важны для развития и поддержания архитектуры и гомеостаза мозга, они накапливают и распределяют энергетические субстраты, регулируют развитие нервных клеток и играют роль в защите мозга.

Водный транспорт в тканях строго регулируется. В центральной нервной системе он участвует в регуляции объема клеток, в производстве спинномозговой жидкости и в патогенезе отеков. Аквапорин-4 (AQP4; также известный как нечувствительный к ртути водный канал) является основным водным каналом в головном мозге. Он был обнаружен в периваскулярных мембранах астроцитов человека, мыши и крысы. Хотя он экспрессируется астроцитами у всех трех видов, некоторые его функции у разных видов различаются (68).Нокдаун AQP4 в первичных культурах астроцитов крыс приводит к резким изменениям морфологии клеток и снижению водопроницаемости мембран (69). Подобные изменения морфологии астроцитов можно наблюдать при использовании клеток человека (68). Напротив, нокдаун AQP4 в первичных астроцитах мышей вызывает лишь умеренные изменения морфологии клеток (68). Интересно, что нокдаун AQP4 в астроцитах мышей вызывает лишь умеренные изменения морфологии клеток, но вызывает глубокие структурные изменения цитоскелета, при которых кортикальный слой F-актина полностью замещается волокнами звездообразной организации.В астроцитах человека и крысы нокдаун AQP4 приводит к деполимеризации актина. Эти находки демонстрируют роль AQP4 в регуляции актинового цитоскелета в астроцитах, но механизм действия различен в астроцитах мыши и крысы или человека.

4.2. Видоспецифическая экспрессия и эффекты вариантов сплайсинга регуляторных β-субъединиц K

Пора калиевого канала K _Ca 1.1 с большой проводимостью (также известного как Slo1, BK, MaxiK, KCNMA1 ) образована тетрамерная сборка из четырех субъединиц α (70).В некоторых клетках каналы K _Ca 1.1 также состоят из регуляторных субъединиц. Сначала были идентифицированы четыре регуляторные субъединицы, названные β1, β2, β3 и β4; они кодируются генами KCNMB1 , KCNMB2 , KCNMB3 и KCNMB4 (71–74). Совсем недавно были идентифицированы еще четыре регуляторных субъединицы K _Ca 1.1 в другом структурном семействе. Они были названы γ1 — γ4; они кодируются генами LRRC26 , LRRC52 , LRRC55 и LRRC38 (75, 76).Эти вспомогательные субъединицы играют важную роль в регуляции зависимости от напряжения и кальция канала K _Ca 1.1, его кинетики стробирования, инактивации и выпрямления ионного тока, а также его чувствительности к модуляторам (77–79). Способность β- ​​и γ-субъединиц K _Ca 1.1 изменять как биофизические, так и фармакологические «отпечатки пальцев» канала делает их очень релевантными для идентификации экспрессии и роли K _Ca 1.1 в различных типах клеток и для генерации селективных модуляторов этого канала для разработки как исследовательских инструментов, так и потенциальных новых терапевтических средств.

Регуляторные субъединицы β1, β2 и β4 K _Ca 1.1 от мышей и людей имеют 83,2%, 95,3% и 93,8% гомологии, соответственно (80). Напротив, субъединица β3 мышиного K _Ca 1.1 имеет только 62,8% идентичности со своим человеческим аналогом, когда N-концевые варианты сплайсинга не включены в исследование. Были идентифицированы различные варианты сплайсинга человеческой β3-субъединицы K _Ca 1.1 и названы β3a-d (81, 82). Напротив, скрининг библиотек кДНК мыши и поиск в геноме мыши выявили экспрессию только двух N-концевых вариантов сплайсинга K _Ca 1.1 β3: β3a и β3b (80). Дальнейший анализ генома 28 видов позвоночных и 18 видов плацентарных млекопитающих показал, что варианты сплайсинга β3c и β3d специфичны для приматов и не экспрессируются у грызунов и других видов, не являющихся приматами (80).

Коэкспрессия α-субъединицы K _Ca 1.1 с различными вариантами сплайсинга β3-субъединиц человека приводит к различным эффектам на результирующий калиевый ток, таким как инактивация и зависимость от напряжения и кальция (80, 81).Человеческие β3a и β3c индуцируют инактивацию тока K _Ca 1.1, тогда как β3d не влияет на него (81, 82). Интересно, что человеческий β3b вызывает очень быструю инактивацию, но только в небольшом количестве протестированных клеток (N = 3/7 и 4/10 протестированных клеток) (81, 82). Хотя β3a и β3b экспрессируются как людьми, так и мышами, они по-разному влияют на токи K _Ca 1.1 (80). Мышиный β3a индуцирует более быструю и более полную инактивацию тока K _Ca 1.1, чем человеческий β3a. В то время как некоторые клетки, экспрессирующие человеческий β3b, демонстрируют очень быструю, но неполную инактивацию K _Ca 1.1, такая инактивация не наблюдается с β3b мыши (80). Интересно, что N-конец β3b человека и мыши различается. Мышиный β3b содержит делецию 6 аминокислот, а фенилаланин в положении 4 человеческого β3b заменен лейцином в мышином β3b.

Субъединица β3 KCa1.1 была идентифицирована в ряде типов клеток. Поскольку его варианты сращивания оказывают очень разное влияние на токи K _Ca 1.1 у людей и других видов, необходимо тщательное исследование моделей, используемых для будущих исследований, прежде чем можно будет сделать какие-либо выводы для потенциального воздействия на здоровье человека.Например, малоинвазивные FLS (см. Раздел 3.4) пациентов с остеоартритом или ревматоидным артритом экспрессируют субъединицу β1 K _Ca 1.1, тогда как высокоинвазивные FLS пациентов с ревматоидным артритом экспрессируют β3b (63). Перевод этих результатов на животные модели ревматоидного артрита или остеоартрита потребует проверки фенотипа у выбранных видов.

4.3. Регулирование ионных потоков в бета-клетках поджелудочной железы

Поджелудочная железа — это орган в брюшной полости.Основная часть этого органа состоит из экзокринной поджелудочной железы, которая играет важную роль в пищеварении, выделяя ферменты в желудочно-кишечный тракт. Поджелудочная железа также выполняет эндокринную функцию с островками Лангерганса, которые выделяют в кровоток гормоны инсулин и глюкагон для регулирования уровня глюкозы. Внутри островков Лангерганса бета-клетки — это клетки, вырабатывающие инсулин.

В бета-клетках поджелудочной железы человека канал K _Ca 1.1 (он же Slo1, BK, MaxiK, KCNMA1 ) несет быстро активируемый переходный процесс калия, который может быть заблокирован селективными и неселективными блокаторами K _Ca 1 .1 (83). Хотя бета-клетки поджелудочной железы мыши также экспрессируют канал K _Ca 1.1, он не играет важной роли в индуцированной глюкозой электрической активности или секреции инсулина (84). Вторая, запаздывающая, составляющая калиевого тока передается по потенциалозависимым каналам K _V 2. Изоформа K _V 2.1 преобладает в островках мыши (85), тогда как транскрипты K _V 2.2 более распространены в островках человека. Однако окрашивание на K _V 2.1, но не на K _V 2.2, перекрывается с окрашиванием инсулином, показывая, что в бета-клетках человека, как и в бета-клетках мыши, преобладающей изоформой является K _V 2.1 (86). Блокирование каналов K _V 2.1 / 2.2 строматоксином стимулирует секрецию инсулина бета-клетками поджелудочной железы мыши, но не человека (85, 87). У крыс бета-островки поджелудочной железы также экспрессируют K _V 1.4, который не обнаруживается в бета-клетках человека или мыши (85, 86, 88).

Бета-клетки поджелудочной железы человека и собаки экспрессируют потенциал-зависимые натриевые каналы, которые могут быть активированы при физиологически значимых мембранных потенциалах (-70 мВ и выше) (89, 90), тогда как потенциал-зависимый натриевый ток в бета-клетках поджелудочной железы мыши обнаруживается только при гиперполяризованных удерживающих потенциалах (91).

5. КАНАЛЫ С РАЗЛИЧНОЙ ОТВЕТАМИ НА ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИЕ АГЕНТЫ У РАЗНЫХ ВИДОВ

Когда ионные каналы сохраняются у разных видов и экспрессируются в одних и тех же типах клеток, предполагается, что они будут демонстрировать одинаковый ответ на фармакологические агенты. Часто это верно, например, ShK, пептид из яда морского анемона Stichodactyla helianthus , блокирует 1,3 канала K _V 1,3 человека, мыши и крысы с аналогичным IC ₅₀ s в низком пикомолярном диапазоне. диапазон (31, 34, 92).Однако это предположение также может быть неверным и приводить к ошибкам в интерпретации данных при сравнении клеток разных видов. Действительно, мы выделяем здесь несколько примеров ионных каналов с разной чувствительностью к фармакологическим агентам у разных видов.

5.1. Мышиные и крысиные, но не человеческие каналы TRPV2 чувствительны к 2APB

Каналы транзиентного рецепторного потенциала (TRP) — это неселективные катионные каналы, разделенные на семь семейств: TRPC, TRPV, TRPM, TRPN, TRPA, TRPP и TRPML.Все они имеют мембранную топологию потенциалозависимых калиевых каналов. TRPV2 (он же Osm-9-подобный канал 2 TRP, OTRPC2) является единственным членом семейства TRPV, который не играет роли в измерении температуры, а действует как механодатчик. Идентичность последовательностей ортологов TRPV2 человека, крысы и мыши составляет от 75 до 90% (93). TRPV2-каналы мыши и крысы активируются 2-аминоэтоксидифенилборатом (2APB) с ЕС50 187 мкМ и 59 мкМ соответственно. Напротив, канал TRPV2 человека устойчив к этому соединению при тестировании в концентрациях до 300 мкМ (94).TRPV2 человека оказывает доминантно-отрицательный эффект на активацию 2APB на нативных каналах TRPV2 мыши.

5.2. Различный фармакологический профиль и реакция на холод каналов TRPA1 у разных видов

Транзиторный канал рецепторного потенциала анкирина-1 (TRPA1) экспрессируется на высоких уровнях в субпопуляции первичных афферентных нейронов С-волокон. Горчичное масло и васаби вызывают быстрое и сильное жжение; это опосредуется связыванием активного ингредиента горчичного масла, аллилизотиоцианата, с каналами TRPA1 и его действием в качестве агониста (95).Таким образом, эти каналы стали потенциальными мишенями для разработки обезболивающих и противовоспалительных препаратов.

Четыре различных трихлор (сульфанил) этилбензамида (AMG2504, AMG5445, AMG7160 и AMG9090) являются мощными антагонистами TRPA1 человека (hTRPA1) (96). В то время как два из них (AMG2504 и AMG7160) действуют как слабые антагонисты крысиного TRPA1 (rTRPA1), два других (AMG5445 и AMG9090) действуют как частичные агонисты.

Нагатомо и Кубо сообщили в 2008 году об агонистических эффектах кофеина на TRPA1 мыши (mTRPA1) и его антагонистических эффектах на hTRPA1 (97) ().Несколько лет спустя была проведена дальнейшая работа по сравнению фармакологического профиля каналов TRPA1 разных видов (98). Ортологи временно экспрессировались в клетках HEK293-F с использованием электрофизиологии patch-clip и анализов притока кальция. Сравнивали TRPA1 четырех разных видов: hTRPA1 сравнивали с TRPA1 макака-резуса (rhTRPA1), rTRPA1 и mTRPA1. Фармакологический профиль hTRPA1 наиболее похож, но не идентичен профилю rhTRPA1. Профили mTRPA1 и rTRPA1 похожи друг на друга, но отличаются от профилей hTRPA1 и rhTRPA1.Агонист горчичного масла открывает hTRPA1, mTRPA1 и rTRPA1 с аналогичным EC ₅₀ s в низком микромолярном диапазоне, соответственно. Он менее активен в отношении rhTRPA1 с EC ₅₀ 75 мкМ. Другой агонист, 4-гидроксиноненал, открывает hTRPA1, mTRPA1 и rTRPA1 с аналогичным EC ₅₀ s в низком микромолярном диапазоне, но не влияет на rhTRPA1 в дозах до 100 мкМ. Фарнезилтиосалициловая кислота является мощным агонистом hTRPA1 (EC ₅₀ 5 мкМ) с более низкой активностью в отношении rhTRPA1 (EC ₅₀ 167 мкМ), rTRPA1 (EC ₅₀ 102 мкМ) и mTRPA1 (EC 850005 50 ). мкМ).Аналогичным образом, 3′-карбамоилбифенил-3-илциклогексилкарбамат является агонистом hTRPA1 (EC ₅₀ 7,5 мкМ), mTRPA1 (EC ₅₀ 74 мкМ) и rTRPA1 (EC ₅₀ 129 мкМ) без влияния на rHTRPA1. при 100 мкМ. Тринитрофенол является агонистом mTRPA1 (EC ₅₀ 30 мкМ), rTRPA1 (EC ₅₀ 71 мкМ) и hTRPA1 (107 мкМ), не влияя на rhTRPA1 при 300 мкМ. Ментол является гораздо более сильным агонистом mTRPA1 и rTRPA1 (EC ₅₀ s 5 и 7 мкМ, соответственно), чем hTRPA1 (EC ₅₀ 278 мкМ), и не влияет на rhTRPA1 при 300 мкМ.(E) -1- (4-фторфенил) -2-метил-пент-1-ен-3-он оксим является мощным антагонистом hTRPA1 и немного менее мощным антагонистом rTRPA1, rhTRPA1 и mTRPA1. 2- (1,3-диметил-2,6-диоксо-1,2,3,6-тетрагидропурин-7ил) — N — (4-изопропилфенил) ацетамид является антагонистом TRPA1 всех виды, изученные с помощью IC ₅₀ s в низком микромолярном диапазоне. (E) -4- (4-хлорфенил) -3-метил-бут-3-ен-2-он оксим является антагонистом каналов TRPA1 у всех четырех изученных видов. Рутений красный является более сильным антагонистом hTRPA1 и rhTRPA1 (IC ₅₀ s 63 и 78 мкМ соответственно), чем rTRPA1 и mTRPA1 (IC ₅₀ s 98 и 146 мкМ соответственно).Интересно, что 4-метил- N — [2,2,2-трихлор-1- (4-нитрофенилсульфанил) этил] бензамид является мощным агонистом mTRPA1 и rTRPA1 (EC ₅₀ s 900 нМ для обоих), но действует как антагонист hTRPA1 и rhTRPA1 с IC ₅₀ s 1 и 3 мкМ, соответственно. Как было показано ранее (97), кофеин также является агонистом mTRPA1 и rTRPA1 (EC ₅₀ s 62 и 96 мкМ соответственно), но слабым антагонистом hTRPA1 (EC ₅₀ 988 мкМ) и не влияет на rhTRPA1. при 1 мМ.

Таблица 1

Агонисты выделены синим, а антагонисты — красным. Соединения без эффектов выделяются серым цветом. НД, не определено.

Несколько каналов TRP ок. n чувство тепла или холода с различными порогами активации.Обнаружение тепла змеями происходит через специальный орган, ямочный орган, который улавливает инфракрасное излучение. Инфракрасные рецепторы на сенсорных нейронах питонных змей (гадюк, питонов и удавов) были идентифицированы как каналы TRPA1 (99). Каналы TRPA1 западных когтистых лягушек и зеленых анолов также чувствительны к теплу (100), как и каналы TRPA1 дрозофилы, которые участвуют в предотвращении повышенных температур (101, 102). Напротив, mTRPA1 и rTRPA1 активируются холодом, демонстрируя противоположный ответ со стороны TRPA1 каналов рептилий и плодовых мух (102, 103), тогда как hTRPA1 и rhTRPA1 не реагируют на холодовые стимулы (103).

Некоторые, но не все, из этих различий в чувствительности к фармакологическим агентам, а также к раздражителям тепла и холода могут быть напрямую связаны с эволюционной дивергенцией каналов TRPA1 у разных оцениваемых видов ().

Таблица 2

Эволюционная дивергенция каналов TRPA1 (103).

5.3. Различный фармакологический профиль человека и мыши. K

В разделе 3.3 мы обсудили различные каналы, которые переносят токи калия в сперматозоидах человека и мыши. В то время как mK _Ca 5.1 (он же Slo3, KCNMC1 или KCNU1 ) лежит в основе калиевого тока (mKSper), зарегистрированного в сперматозоидах мышей (54, 55), K _Ca 1.1 лежит в основе тока KSper человека (59). В дополнение к различиям в калиевых каналах, экспрессируемых в сперматозоидах человека и мыши, сравнение mK _Ca 5.1 и hK _Ca 5.1 в системе экспрессии демонстрирует видоспецифический фармакологический профиль для K _Ca 5.1 (104).

Хотя все отчеты согласны с тем, что клофилий (4-хлор-N, N-диэтил-N-гептилбензолебутанаминий) блокирует mK _Ca 5.1, в литературе приводятся противоречивые результаты относительно его способности блокировать человеческий K _Ca 5.1 с одним исследованием. демонстрируя, что он устойчив, в то время как другой показывает такую ​​же чувствительность mK _Ca 5.1 и hK _Ca 5.1 для клофилия (104, 105).Харибдотоксин, пептид из яда скорпиона Leiurus quinquestriatus , который, как известно, блокирует каналы K _Ca 1,1 человека, мыши и крысы, K _Ca 3,1, K _V 1,2 и K _V 1,3 (106) , также блокирует человеческий K _Ca 5.1 с IC ₅₀ приблизительно 100 нМ (104). Мышь K _Ca 5.1 каналов, однако, нечувствительна к харибдотоксину при этой концентрации (107). Такая разница в чувствительности к фармакологическому агенту может быть результатом различий в последовательностях между человеческим и мышиным K _Ca 5.1, поскольку они идентичны только на 68%.

5.4. Человек, крыса и мышь K

Потенциал-управляемые калиевые каналы K _V 7.1 (также известные как minK или KCNQ1 ) необходимы для фазы реполяризации сердечного потенциала человека. В то время как человеческий K _V 7,1 (hK _V 7,1) более близко совпадает с K _V 7,1 морской свинки, чем K _V 7 мыши или крысы.1 (), их ответы на PKC расходятся больше всего.

Таблица 3

Эволюционная дивергенция каналов K _V 7.1.

6. НЕКОТОРЫЕ КАНЕЛОПАТИИ ЧЕЛОВЕКА НЕ МОГУТ БЫТЬ ПОЛНОСТЬЮ ПОВТОРНЫМ В МОДЕЛЯХ ЖИВОТНЫХ

Каннелопатии человека, возникающие в результате четко определенной мутации, часто могут быть воспроизведены в моделях на животных, что приводит к фенотипу, идентичному или очень похожему на человеческое заболевание. Например, de novo усиление функциональных мутаций в гене SCN8A , кодирующем канал Na _V 1.6, вызывает раннюю детскую эпилептическую энцефалопатию с повышенным риском внезапной необъяснимой смерти при эпилепсии.Усиление функциональной мутации SCN8A у мышей индуцировало фенотип, аналогичный описанному у людей (111). Сходным образом потеря функции Ca _V 1.3 вызывает брадикардию и врожденную глухоту как у людей, так и у мышей (112). Однако в некоторых случаях каннелопатии на животных моделях не полностью воспроизводят человеческие симптомы. Ниже приведены несколько примеров таких каннелопатий.

6,1. Манипулирование CFTR не повторяет все аспекты муковисцидоза у разных видов.

Муковисцидоз поражает все этнические группы, но является наиболее распространенным наследственным заболеванием у кавказцев с частотой 1 на каждые 2500 новорожденных.От него страдают 70 000 человек во всем мире (113, 114). Муковисцидоз — это аутосомно-рецессивное заболевание, вызванное мутациями в гене, регулирующем трансмембранную проводимость муковисцидоза ( CFTR ). CFTR — это зависимый от АТФ и цАМФ хлоридный канал с небольшой проводимостью, обнаруженный на апикальной границе эпителиальных клеток в большинстве экзокринных желез. Его основная функция — регулировать объем жидкости на эпителиальных поверхностях. Описано почти 2000 мутаций гена CFTR , хотя наиболее распространенной при муковисцидозе является делеция фенилаланина в кодоне 508 (стр.Phe508del или F508del), встречающийся у ~ 70% пациентов. Хотя заболевание легких с наибольшей вероятностью приведет к преждевременной смерти при муковисцидозе, болезнь проявляется во многих органах.

Модели муковисцидоза были созданы у пяти различных видов: мышей, крыс, хорьков, свиней и рыбок данио (114, 115). Однако ни одна из этих моделей не отражает всех аспектов болезни человека. Хотя все они демонстрируют аберрантный транспорт хлоридов, другие аспекты муковисцидоза либо усилены, либо отсутствуют в моделях на животных (114).Помимо людей, только модели свиней и хорьков демонстрируют обструктивную болезнь легких и сахарный диабет. В то время как у людей возникают кишечные непроходимости, они более серьезны у свиней, хорьков, мышей и крыс и не наблюдаются у рыбок данио. Нарушение роста, наблюдаемое у людей и крыс, было более выражено у свиней, хорьков и мышей, но отсутствовало у рыбок данио. Аномальный семявыносящий проток наблюдался у всех видов, кроме мышей и рыбок данио, в то время как недоразвитие трахеи наблюдалось у людей и всех моделей, кроме рыбок данио.Наконец, дисфункция печени и экзокринной поджелудочной железы в одинаковой степени наблюдалась у людей и хорьков, была усилена у свиней и отсутствовала у других изученных видов.

Некоторые различия в фенотипе можно объяснить различиями между мутацией у людей и изменениями, внесенными в CFTR во время создания модели на животных. Из почти 2000 вариантов CFTR , идентифицированных при муковисцидозе, 40% вызывают замену аминокислоты, 36% влияют на процессинг РНК посредством бессмысленных мутаций или мутаций сдвига рамки считывания и альтернативного сплайсинга, 14% являются нейтральными вариантами, 3% связаны с большими перестройками и 1% влияет на промоторные области.Эффекты оставшихся 6% мутаций остаются неясными (114). Наиболее распространенная мутация CFTR при муковисцидозе, F508del, вызывает аберрантный фолдинг белка, что приводит к его деградации. Меньшая часть CFTR, которая достигает плазматической мембраны, имеет аберрантную функцию хлоридных каналов. У крыс модель была создана путем введения делеции 16 пар оснований в экзон 3, что привело к потере экспрессии CFTR (116). У рыбок данио модель была вызвана потерей функции CFTR (117). В хорьке модель была целиком подделкой CFTR (118).У свиней как полный нокаут CFTR , так и мутация F508del CFTR были использованы в качестве моделей с аналогичными результатами (119, 120).

Неспособность животных моделей полностью имитировать человеческое заболевание предполагает, что CFTR может не иметь одинакового тканевого распределения у разных изученных видов. Альтернативно, экспрессия другого хлоридного канала может обеспечивать избыточность в некоторых тканях у некоторых видов, но не в других, или CFTR может регулировать различные функции у разных видов.

6.2. Потеря функции Kv11.1 или K

Кардиомиоциты желудочков человека экспрессируют K _V 11,1 (он же HERG или KCNh3 ) и Kv7.1 (он же minK или ). KCNQ1 ) (121), как и миоциты желудочков мини-свиней Göttigen (21). У людей мутации потери функции в K _V 7.1 или K _V 11.1 приводят к синдрому удлиненного интервала QT, наследственному сердечному заболеванию, которое вызывает обмороки, судороги и внезапную смерть у здоровых людей (121, 122).Синдром удлиненного интервала QT также может быть результатом фармакологических агентов, которые подавляют функцию K _V 11.1 или K _V 7.1. Поэтому нецелевые эффекты терапевтических средств на эти каналы являются серьезной проблемой безопасности и привели к изъятию с рынка высокопрофильных препаратов, включая цизаприд, предназначенный для повышения моторики верхних отделов желудочно-кишечного тракта, и астемизол, антигистаминный препарат (123). ).

Мутация G628S в K _V 11.1 связана с особенно тяжелой формой синдрома удлиненного интервала QT у людей.Его использовали для получения трансгенных мышей, у которых мутация K _V 11.1 G628S оказывает доминирующий негативный эффект. Эти мыши, однако, демонстрируют электрокардиограммы, неотличимые от таковых у их собратьев дикого типа с нормальным потенциалом желудочкового действия (124, 125).

Две модели мышей KCNQ1 ^{— / —} были созданы путем делеции либо экзона 1 (126), либо экзона 2 (125, 127). Оба демонстрируют поведение шейкера-вальсера, которое состоит из гиперактивности, тряски головой и кружения (127), а также гиперплазии желудка и гипохлорита желудочного сока (126).Последние аномалии не описаны у пациентов с синдромом удлиненного интервала QT. Интересно, что две модели мышей демонстрируют разные сердечные фенотипы. Экзон 2 KCNQ1 ^{— / —} мышей демонстрируют удлиненные интервалы QT, аномальные зубцы P и T и задержку атриовентрикулярной проводимости. Напротив, экзон 1 KCNQ1 ^{— / —} мышей имеет нормальную частоту сердечных сокращений, вариабельность сердечного ритма, реполяризацию желудочков и атриовентрикулярную проводимость.

Эти различия в фенотипах человека и мышей подчеркивают тот факт, что наличие одного и того же канала в одних и тех же клетках у двух разных видов не всегда приводит к тому, что этот канал играет одинаковую роль.Это может быть решающим компонентом для одного вида и менее важным для другого.

6.3. Перинатальная летальность у мышей с дефицитом ORAI1 и STIM1

Приток кальция через поступление кальция через запасы важен для многих неэлектрически возбудимых клеток и некоторых электрически возбудимых клеток. Из этих каналов лучше всего охарактеризован кальциевый канал, активируемый высвобождением кальция. Он образуется в результате взаимодействия ORAI1, порообразующей субъединицы, присутствующей в плазматической мембране, и молекулы взаимодействия стромы 1 (STIM1), расположенной в мембране эндоплазматического ретикулума.

Люди, лишенные ORAI1 или STIM1, серьезно ослаблены иммунитетом и умирают в течение первых лет жизни. Напротив, мыши с дефицитом ORAI1 и STIM-1 умирают перинатально по неизвестным причинам (128). Однако следует отметить, что пенетрантность этой летальности зависит от линии мышей, в которой был введен дефицит (129, 130).

Это различие в фенотипе между людьми и мышами предполагает, что ORAI1 и STIM1 либо экспрессируются и необходимы на разных стадиях развития человека и мыши, что их распределение в тканях варьируется между двумя видами, либо что они выполняют разные функции у двух видов. независимо от тканевого распределения.

7. ПЕРСПЕКТИВЫ ОЦЕНКИ МОДЕЛЕЙ ЖИВОТНЫХ

Несмотря на то, что животные модели имеют решающее значение для разработки новых терапевтических средств, они, если они не будут правильно выбраны для ответа на вопрос, могут ввести в заблуждение исследователей и дать результаты, которые не применимы для оказания помощи человеку. В идеальной ситуации одни и те же клетки и ткани можно изучать на людях и животных, чтобы выбрать наиболее подходящую животную модель. Это относительно легко сделать с помощью клеток, которые можно получить с помощью неинвазивных или минимально инвазивных процедур, таких как сбор индуцированной мокроты или крови для изучения циркулирующих иммунных клеток, тромбоцитов или эритроцитов (31, 44, 131).Некоторые клетки также могут быть извлечены из тканей, удаленных после хирургических процедур, выполняемых в терапевтических целях, как при тяжелом ревматоидном артрите, остеоартрите или солидных опухолях (12, 132). Однако многие клетки, такие как нейроны или кардиомиоциты, труднодоступны для живых добровольцев по очевидным этическим причинам. Точно так же получение здоровых тканей может представлять трудности, поскольку хирурги будут стремиться удалять только больные ткани с ограниченным воздействием на остальные окружающие ткани.Это исключает или ограничивает прямое сравнение тканей модели человека и животного в некоторых ситуациях.

Изучение ионных каналов в первичных клетках, поддерживаемых в культуре, также должно учитывать потенциальные изменения фенотипа каналов с течением времени. Например, повторная активация наивных Т-лимфоцитов приведет к их дифференцировке в Т-лимфоциты памяти и, таким образом, к изменению фенотипа калиевых каналов (31).

Даже когда один и тот же канал идентифицируется в клетках разных видов, следует позаботиться о том, чтобы определить, присутствуют ли другие каналы в одной из выборок, которые могут играть избыточную роль, например, K _V 1.1, K _V 1.2 и K _V 1.6 каналов в CD4 ⁺ мышиных Т-лимфоцитах, которые могут компенсировать потерю каналов K _V 1.3 или препятствовать связыванию селективных блокаторов K _V 1.3 через образование гетеротетрамеров (36–39). Также следует проявлять осторожность, чтобы убедиться, что мельчайшие аминокислотные различия не изменяют кардинально ответ на сигнальную молекулу или лиганд, как было показано для K _V 7.1 и PKC (123).

Разница в результатах между блокировками K _V 11.1 у людей и мышей особенно проблематичны при разработке новых модуляторов ионных каналов, а также других лекарств. Маловероятно, что исследования безопасности на мышах выявят неожиданные нецелевые эффекты соединения на этом канале. Следовательно, необходимо использовать другие анализы, такие как высокопроизводительные анализы связывания на клетках, экспрессирующих K _V 11.1, или даже электрофизиологию на культивируемых кардиомиоцитах (123).

Хотя некоторые животные модели не полностью воспроизводят все аспекты человеческого заболевания, например, животные модели муковисцидоза, они все же могут быть полезны для ответа на конкретные вопросы при условии, что животные модели выбраны с умом для каждого конкретного вопроса.Например, исследование нарушения роста, вызванного муковисцидозом, следует проводить на крысах, тогда как эта модель не подходит для изучения обструктивного заболевания легких или сахарного диабета при муковисцидозе. В целом, исследования, выделенные здесь, демонстрируют необходимость усердия в выборе подходящей животной модели для ответа на конкретный вопрос, чтобы завершить качественное и переводимое исследование.

Определение каналов Дончиана и пример

Что такое каналы Дончиана?

Каналы Дончиана — это три линии, созданные расчетами скользящего среднего, которые включают индикатор, образованный верхней и нижней полосами вокруг средней полосы или медианной полосы.Верхняя полоса отмечает самую высокую цену ценной бумаги за N периодов, а нижняя полоса отмечает самую низкую цену ценной бумаги за N периодов. Область между верхней и нижней полосами представляет канал Дончиана.

Карьерный фьючерсный трейдер Ричард Дончиан разработал индикатор в середине 20-го века, чтобы помочь ему определять тенденции. Позже его прозвали «Отцом следования за трендом».

Ключевые выводы

• Индикатор направлен на выявление бычьих и медвежьих экстремумов, которые благоприятствуют разворотам, а также более высоким и низким пробоям, пробоям и возникающим тенденциям.
• Средняя полоса просто вычисляет среднее значение между самым высоким максимумом за N периодов и самым низким минимумом за N периодов, определяя медианную или среднюю цену возврата.

Формула для каналов Дончиана:

UC = Самый высокий в прошлом N Периоды Средний канал знак равно ( ( U C + L C ) / 2 ) LC = Самый низкий минимум за последний N периоды куда: U C знак равно Верхний канал N знак равно Количество минут, часов, дней, недели, месяцы Период знак равно Минуты, часы, дни, недели, месяцы L C знак равно Нижний канал \ begin {align} & \ text {UC = Самый высокий максимум за последний} N \ text {Periods} \\ & \ text {Средний канал} = ((UC + LC) / 2) \\ & \ text {LC = Самый низкий Low in Last} N \ text {period} \\ & \ textbf {где:} \\ & UC = \ text {Верхний канал} \\ & \ begin {align} N = & \ text {Количество минут, часов, дней ,} \\ & \ text {недели, месяцы} \ end {выровнены} \\ & \ begin {align} \ text {Period} = & \ text {Минуты, часы, дни, недели,} \\ & \ text { месяцев} \ end {выровнен} \\ & LC = \ text {Нижний канал} \ end {выровнен} UC = самый высокий максимум за последние N периодов Средний канал = ((UC + LC) / 2) LC = самый низкий минимум за последние N периодов, где: UC = Верхний канал N = Количество минут, часов, дней, недель, месяцев Период = Минуты, часы, дни, недели, месяцы LC = нижний канал

Как рассчитать каналы Дончиана

Высокий канал

1. Выберите период времени (N минут / часов / дней / недель / месяцев).
2. Сравните максимальную отметку для каждой минуты, часа, дня, недели или месяца за этот период.
3. Выберите самый высокий отпечаток.
4. Постройте результат.

Низкий канал

1. Выберите период времени (N минут / часов / дней / недель / месяцев).
2. Сравните отпечаток минимума для каждой минуты, часа, дня, недели или месяца за этот период.
3. Выберите самый низкий отпечаток.
4. Постройте результат.

Центральный канал

1. Выберите период времени (N минут / часов / дней / недель / месяцев).
2. Сравните максимальные и минимальные отпечатки для каждой минуты, часа, дня, недели или месяца за этот период.
3. Вычтите самый низкий отпечаток из самого высокого и разделите на 2.
4. Постройте результат.

Что вам говорят каналы Дончиана?

Каналы Дончиана определяют сравнительные отношения между текущей ценой и торговыми диапазонами за заранее определенные периоды. Три значения строят визуальную карту цены во времени, аналогично полосам Боллинджера, показывая степень бычьего и медвежьего настроения для выбранного периода.Верхняя линия определяет степень бычьей энергии, выделяя самую высокую цену, достигнутую за период в результате конфликта быков и медведей.

Центральная линия определяет среднюю или среднюю цену возврата за период, выделяя золотую середину, достигнутую за период в результате конфликта быков и медведей. Нижняя строка определяет степень медвежьей энергии, выделяя самую низкую цену, достигнутую за период в результате конфликта быков и медведей.

Пример использования каналов Дончиана

Изображение Сабрины Цзян © Investopedia 2021

Что такое каналы Дончиана?

В этом примере канал Дончиана — это заштрихованная область, ограниченная верхней зеленой линией и нижней красной линией, обе из которых используют 20 дней в качестве периодов построения полосы (N).Когда цена поднимается до самой высокой точки за последние 20 дней или более, ценовые полосы «подталкивают» зеленую линию выше, а когда цена опускается до самой низкой точки за 20 дней или более, ценовые полосы «подталкивают» красную линию. линия ниже.

Когда цена снижается в течение 20 дней от максимума, зеленая линия будет горизонтальной, а затем начнет снижаться. И наоборот, когда цена поднимается от минимума в течение 20 дней, красная линия будет горизонтальной в течение 20 дней, а затем начнет расти.

Разница между каналами Дончиана и полосами Боллинджера

Каналы Дончиана отображают самый высокий максимум и самый низкий минимум за N периодов, в то время как полосы Боллинджера показывают простую скользящую среднюю (SMA) для N периодов плюс / минус стандартное отклонение цены для N периодов X 2.Это приводит к более сбалансированному расчету, который снижает влияние больших высоких или низких отпечатков.

Ограничения использования каналов Дончиана

Рынки движутся согласно многим циклам активности. Произвольное или обычно используемое значение периода N для каналов Дончиана может не отражать текущие рыночные условия, генерируя ложные сигналы, которые могут подорвать торговую и инвестиционную эффективность.

Реконфигурируемый и масштабируемый 2,4- и 6-канальный плазмонный демультиплексор, использующий симметричные прямоугольные резонаторы, содержащие дефекты серебряных наностержней методом FDTD

% PDF-1.6 % 1 0 объект > эндобдж 2 0 obj > поток 2021-06-25T07: 35: 08 + 05: 30Springer2021-06-25T05: 22: 13 + 02: 002021-06-25T05: 22: 13 + 02: 00application / pdfhttps: //doi.org/10.1038/s41598- 021--y

— Технические статьи

В этом техническом обзоре описывается модуляция длины канала и ее влияние на вольт-амперные характеристики полевого МОП-транзистора.

Дополнительная информация

(Примечание: Эта статья упрощает обсуждение, обращаясь только к транзисторам NMOS; информация применима также к устройствам PMOS, с типичными модификациями, например, V _TH отрицательный, V _GS TH к оставить область отсечки, µ _p вместо µ _n .)

Анализ схем MOSFET основан на трех возможных режимах работы: отсечка, триод (также известный как линейный) и насыщение.(Подпороговая область — это четвертый режим, но нам не нужно беспокоиться об этом в этой статье.)

В режиме отсечки напряжение затвор-исток не превышает пороговое напряжение, и полевой МОП-транзистор неактивен.

В триоде напряжение затвор-исток достаточно высокое, чтобы позволить току течь от стока к истоку, а природа индуцированного канала такова, что на величину тока стока влияют напряжение затвор-исток и напряжение сток-исток. По мере увеличения напряжения сток-исток триодная область переходит в область насыщения, в которой ток стока (в идеале) не зависит от напряжения сток-исток и, таким образом, зависит только от физических характеристик полевого транзистора и затвора. к источнику напряжения.2 $$

Переход в режим насыщения происходит из-за того, что канал «защемляется» на конце стока:

К сожалению, «отсечка» — это еще не конец влияния напряжения сток-исток. Дальнейшее увеличение продолжает влиять на канал, потому что точка отсечки приближается к источнику:

Сопротивление канала обратно пропорционально отношению его ширины к длине; уменьшение длины приводит к уменьшению сопротивления и, следовательно, более высокому току.2 (1+ \ frac {\ Delta L} {L}) $$

Теперь нам просто нужно придумать параметр, который учитывает, как определенная технология обработки полупроводников реагирует на изменения напряжения сток-исток. Как насчет того, чтобы мы назвали этот параметр лямбда (λ), так что

$$ \ frac {\ Delta L} {L} = \ lambda V_ {DS} $$

Это подводит нас к нашему совместимому с модуляцией длине канала выражению для тока стока в области насыщения:

$$ I_D = \ frac {1} {2} \ mu_nC_ {ox} \ frac {W} {L} (V_ {GS} -V_ {TH}) ^ 2 (1+ \ lambda V_ {DS}) $ $

Вы также можете увидеть следующий вариант:

$$ I_D = \ frac {1} {2} \ mu_nC_ {ox} \ frac {W} {L} (V_ {GS} -V_ {TH}) ^ 2 (1+ \ frac {V_ {DS}} {V_A}) $$

где

$$ V_A = \ frac {1} {\ lambda} $$

Это модифицированное выражение для тока стока представляет собой приближение первого порядка, которое достаточно точно для полевых транзисторов с длиной канала, превышающей, скажем, 2 мкм.По мере уменьшения длины канала так называемые «эффекты короткого канала» становятся более влиятельными, и, таким образом, приведенное выше выражение (которое не учитывает эффекты короткого канала) становится менее достоверным.

Отметим также, что приведенное выше выражение включает предположение, что ΔL намного меньше L; это предположение становится менее оправданным при более коротких длинах каналов, и действительно, исследователи разработали более сложную модель модуляции длины канала для использования при моделировании с использованием современных устройств с коротким каналом.