[논문 리뷰] Finite Volume Model to Study the Effect of ER flux on Cytosolic Calcium Distribution in Astrocytes

Brajesh Kumar Jha, Neeru Adlakha외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 05.

Neuroscience and Neuropharmacology Research참고 문헌 6인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 간질세포 내 칼슘 동역학을 시뮬레이션하기 위해 유한체적법 기반의 수학적 모델을 개발하였으며, Ca2+ 유출 및 펌프 활동을 포함한 내질망(ER)의 유량을 명시적으로 고려하였다. 모델은 내질망의 유량 파ameter—특히 펌프 및 유출 속도—가 세포질 내 Ca2+ 분포와 파동 전파에 중대한 영향을 미친다는 것을 드러내었으며, 간질세포 내 세포내 칼슘 신호 전파를 조절하는 데 핵심적인 역할을 한다고 강조한다.

ABSTRACT

Most of the intra-cellular events involved in the initiation and propagation phases of this process has now been identified astrocytes. The control of the spread of intracellular calcium signaling has been demonstrated to occur at several levels including IP3 receptors, intracellular Ca2+ stores like endoplasmic reticulum (ER) . In normal and pathological situations that affect one or several of these steps can be predicted to influence on astrocytic calcium waves. In view of above a mathematical model is developed to study interdependence of all the important parameters like diffusion coefficient and influx over [Ca2+] profile. Model incorporates the ER fluxes like, leak Pump Chan J J andJ . Finite volume method is employed to solve the problem. A program has been developed using in MATLAB 7.5 for the entire problem and simulated on an AMD-Turion 32-bite machine to compute the numerical results. In view of above a mathematical model is developed to study calcium transport between cytosol and ER.

연구 동기 및 목표

• 내질망(ER)의 Ca2+ 유량이 간질세포의 세포질 내 칼슘 분포에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 확산 계수와 Ca2+ 유입이 [Ca2+] 프로파일에 미치는 영향을 고려한 핵심 파ameter 상호의존성을 모델링하기 위해.
• 고해상도의 공간적·시간적 해상도로 세포질과 내질망 간 Ca2+ 이동을 시뮬레이션할 수 있는 수치 프레임워크를 개발하기 위해.
• 칼슘 파동의 시작과 전파에 영향을 미치는 내질망의 Ca2+ 유출 및 펌프 활동의 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• Ca2+ 확산 및 세포 내 부위 간 유량을 지배하는 편미분 방정식을 이산화하고 해를 구하기 위해 유한체적법을 사용하였다.
• 모델은 수동적 유출과 활성 SERCA 펌프에 의한 유입을 포함한 내질망의 Ca2+ 유량을 포함하였다.
• 32비트 AMD-Turion 프로세서에서 실행되는 맞춤형 MATLAB 7.5 프로그램을 사용하여 방정식 시스템을 수치적으로 해석하였다.
• 모델은 간질세포를 나타내는 2차원 공간 영역에서 Ca2+ 동역학을 시뮬레이션하였으며, 생리학적 Ca2+ 유량을 반영한 경계 조건을 적용하였다.
• 세포질 내 확산과 내질망막 교환을 모두 고려하여 [Ca2+]의 시간에 따른 동적 추적을 가능하게 하였다.
• 모델은 파am터 민감도 분석과 칼슘 파동의 알려진 생물학적 행동과의 비교를 통해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내질망의 Ca2+ 유출 및 펌프 속도는 간질세포에서 세포질 내 Ca2+의 공간 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 확산과 내질망 유량 중 어느 것이 칼슘 파동의 진폭과 전파에 더 큰 기여를 하는가?
• RQ3 확산 계수가 변화할 경우 세포질 내 Ca2+ 신호의 확산과 지속 시간은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 내질망 유량 파am터는 칼슘 전위의 시작과 쇠퇴에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 모델은 다양한 생리학적 조건에서 실험적으로 관찰된 칼슘 파동 패턴을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 내질망의 Ca2+ 펌프 활동이 낮은 휴식 상태의 세포질 내 Ca2+ 농도를 유지하고 파동 감쇠 동역학을 형상화하는 데 필수적임을 입증하였다.
• 내질망의 유출 유량이 증가하면 기저 세포질 내 Ca2+ 농도가 상승하고 파동 진폭이 감소하여 신호 전달에 억제 효과가 있음을 시사한다.
• 확산 계수가 파동 속도와 공간적 확산에 중대한 영향을 미치며, 높은 값일수록 더 빠르고 넓은 Ca2+ 전파를 유도한다.
• 모델은 내질망의 Ca2+ 조절 이상—예를 들어 펌프 활동 감소—가 비정상적인 칼슘 진동과 지속적인 농도 상승을 유도할 수 있음을 예측한다.
• 수치 시뮬레이션은 내질망의 유량이 칼슘 호메오스타시스를 규명하는 데 핵심적인 조절자이며, 파동의 시작과 종료에 강력한 영향을 미친다는 것을 확인한다.