在交感神经支配下，哺乳动物心脏的泵血能力可以在短时间内增强，以应对环境中的危险因素，这一过程主要由β-肾上腺素能受体（β-adrenergic receptor，DAR）所介导。心肌细胞的收缩受到胞内钙瞬变活动的控制，而βAR信号能够通过增强钙瞬变产生正变力性效应。在动作电位驱动下，心室肌细胞膜上的L-型钙通道（L-type Ca2+channel，LCC）开放，以钙致钙释放方式触发肌质网钙释放通道ryanodine受体（ryanodine receptor，RyR）产生全细胞钙瞬变。βAR信号能够激活cAMP-蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）激酶通路，对上述过程中的多个环节进行修饰。在PKA修饰作用下，LCC电流幅度、肌质网钙储量均被上调，这被认为是影响钙瞬变幅度的重要因素；另一方面，尽管βAR-PKA通路能够修饰RyR，但这一过程对RyR活动性的影响并不明确，其生理意义尚需阐明。　　 在心肌细胞中，成簇RyR开放产生的钙火花是肌质网钙释放活动的基本单元。LCC介导的钙内流（钙小星）能够以随机方式触发RyR簇开放产生钙火花，其触发过程的延迟时间和成功率反映了LCC-RyR的分子间耦联效率。本文利用激光共聚焦钙成像方法结合松钳技术，通过去极化方法激活大鼠心室肌细胞表面膜片内单个LCC通道的开放，记录RyR钙火花对其反应情况，以此研究βAR对LCC-RyR耦联过程的调节效应。实验结果表明，在βAR激动剂异丙肾上腺素（isoprotcrenol，ISO：1μM）作用5-20分钟内，单个LCC通道触发的钙火花幅度显著上升，而上升相时程保持不变。由于单纯提高LCC单通道电流幅度及持续时间并不影响钙火花幅度，上述效应并非源于βAR信号对LCC的修饰。在ISO作用下，钙火花事件中的钙释放电流幅度Ispark与肌质网钙储量的比值显著提高，这一结果表明βAR信号动员了RyR簇中更多的通道参与钙释放活动。与对照组相比，ISO组中钙小星触发钙火花的耦联延迟时间缩短，而成功率上升，这表明βAR刺激增强了LCC-RyR的分子间耦联效率。在降低胞外钙浓度或抑制肌质网钙摄取条件下，ISO组肌质网钙储量降低，但βAR信号对LCC-RyR.耦联的修饰作用没有改变。PKA抑制剂Rp-8-CPT-cAMP（100μM）和H89（10μM）都能够消除ISO的上述效应，因此短期βAR信号是通过激活PKA而调节LCC-RyR耦联的。上述结果证明：βAR信号能够提高RyR对LCC单通道电流做出响应的速度和同步性。　　 哺乳动物心脏中的βAR包括3种亚型：β1-、β2-、和β3AR。其中β1-与β2AR都能够激动cAMP-PKA通路，但其生理效应并不相同。本文对其效应进行了比较，发现在β2AR特异性激动剂沙丁胺醇（salbutamol，Salb；50μM）作用下，β2AR信号能够通过激活cAMP-PKA通路修饰LCC活动，但并不改变RyR反应敏感性和钙火花幅度。另一方面，β2AR阻断剂ICI118551（0.5μM）并不影响ISO对LCC-RyR耦联的调节作用，因此βAR对RyR活动的修饰是由β1AR介导的。进一步研究表明：β1-和β2AR对RyR活动的不同影响依赖于心肌细胞膜上的胞膜窖结构；当破坏胞膜窖后，β2AR同样能够提高LCC-RyR耦联效率。在Gi及磷酸二酯酶等信号分子的负反馈作用下，β2AR-cAMP信号无法在细胞内传播，因此β2AR在胞膜窖中的选择性定位控制着其下游信号的空间分布，阻止了β2AR信号对RyR活动的调节。　　 βAR信号在生理条件下具有强心作用。然而在心衰等病理条件下，尽管心脏泵血能力下降，但β1AR激动剂无法对此进行挽救，而β1AR拮抗剂反而有助于恢复心功能并降低患者的死亡风险。与β1AR不同，β2AR在病理条件下的地位尚不明确。本文通过血管狭窄化手术建立去代偿期心肌肥厚（DHT）大鼠模型，观察β2AR对其心肌细胞功能的影响。实验结果表明：DHT心肌细胞的钙瞬变幅度低于假手术组，这一变化源自其LCC-RyR耦联效率的降低。50μM Salb能够提高DHT组钙瞬变幅度，但对假手术组没有影响。无论在假手术组还是DHT组中，Salb都提高了钙电流幅度，但没有改变LCC-RyR耦联效率及肌质网钙储量。根据上述结果及数学模拟运算，本文提出如下解释：在DHT状态下，心肌细胞LCC-RyR耦联效率严重衰退，钙电流不足以充分激活RyR，而β2AR信号提高了LCC钙电流幅度和有效时程，从而弥补了RyR反应的缺陷，改善了心肌细胞功能；而在健康细胞中，由于钙电流触发信号已经处于饱和状态，β2AR信号无法进一步提高钙瞬变幅度。模拟运算进一步推测：当LCC钙内流不足时，健康心肌的钙瞬变幅度同样会在β2AR刺激下得到增强。这一预测得到了实验结果的证实，从而验证了上述理论的可靠性。　　 综上所述，本文中的工作阐明了βAR调节LCC-RyR反应的分子机制及生理意义，发现并解释了β1-和β2AR对RyR活动的不同影响，并由此提出了β2AR信号缓解心力衰竭的可能机制。这些发现对进一步研究心脏功能在生理及病理条件下的交感神经调制具有重要意义。