肠上皮细胞和腔隙体积调节的广义泵-漏模型的稳定性与鲁棒性

肠上皮细胞通过协调的膜泵、离子通道和跨细胞通路调节离子浓度和体积，可由经典单 compartments pump-leak 方程 (PLE) 对其进行建模。然而，许多肠上皮功能取决于细胞与封闭腔隙空间之间的相互作用，此几何构型无法由经典 PLE 捕捉。为此，我们发展了一个由一个细胞内 compartments 与腔隙 compartments 通过 apical 膜相连的 two-compartment 模型，两个 compartments 都与一个无限的 extracellular bath 接口，并通过 basolateral 膜和一个 paracellular 通路相连。建立在五维单细胞 PLE 基础上，我们构建了一个十维 PLE 系统，用于此几何构型，并推导了被动系统和 Na+/K+-ATPase (NKA) 驱动的主动系统的解析平衡和稳态公式。我们描述了这些平衡如何取决于生理学相关参数，分析了在宽广参数范围内的局部稳定性，并应用全局灵敏度和鲁棒性方法，以识别离子和体积稳态的主要决定因素。该模型揭示了 NKA 在 basolateral 与 apical 位置之间的根本差异，包括当 apical 钾循环不足时腔隙体积爆炸的发生。更广泛而言，此框架为研究肠上皮输运、预测泵定位和导通率变化如何导致稳定功能或病理性腔隙扩张提供了一个数学可处理且生理学依据的基础。