Ein zu hoher oder zu niedriger Kaliumspiegel kann tödlich sein. Ein neues mathematisches Modell wirft Licht auf die oft mysteriösen Wege, wie der Körper dieses wichtige Elektrolyt reguliert.
Kalium, ein häufig vorkommendes Mineral, das in Lebensmitteln wie Bananen und Blattgemüse reichlich vorhanden ist, ist für eine normale Zellfunktion unerlässlich. Es unterstützt die korrekte Funktion des Herzmuskels und hilft bei der Übertragung elektrischer Signale innerhalb der Zellen.
Unter Verwendung vorhandener biologischer Daten erstellten Forscher der University of Waterloo ein mathematisches Modell, das simuliert, wie der Körper einer durchschnittlichen Person Kalium reguliert, sowohl in Zeiten des Kaliummangels als auch während der Kaliumaufnahme. Da so viele Lebensmittel reichlich Kalium enthalten, speichert, verteilt und entsorgt unser Körper ständig Kalium, um ein gesundes Niveau aufrechtzuerhalten – ein Prozess, der als Aufrechterhaltung der Kaliumhomöostase bekannt ist. Das Verständnis der Kaliumhomöostase ist unerlässlich, um die Ursache des Problems zu diagnostizieren, wenn etwas schief geht – zum Beispiel, wenn eine Nierenerkrankung oder Medikamente zu einer Dysregulation führen.
„Zu viel Kalium im Körper oder Hyperkaliämie kann genauso gefährlich sein wie Hypokaliämie oder zu wenig“, sagte Melissa M. Stadt, Ph.D. Studentin der Angewandten Mathematik und Erstautorin der Studie. „Eine Fehlregulation von Kalium kann zu gefährlichen und möglicherweise tödlichen Folgen führen.“
Das Modell könnte für eine virtuelle Patientenstudie verwendet werden, die es den Forschern ermöglicht, Dutzende von Patienten zu generieren und dann basierend auf verschiedenen Kontrollen vorherzusagen, welche Patienten eine Hyper- oder Hypokaliämie haben würden.
„Viele unserer Modelle sind Teile eines größeren Bildes“, sagte Anita Layton, Professorin für angewandte Mathematik und Canada 150 Research Chair in mathematischer Biologie und Medizin. „Dieses Modell ist ein neues und spannendes Element, das uns hilft zu verstehen, wie unsere unglaublich komplexen internen Systeme funktionieren.“
Das Modell ist besonders spannend, weil es Wissenschaftlern ermöglicht, die sogenannte Muskel-Nieren-Übersprechsignal-Hypothese zu testen. Wissenschaftler haben die Hypothese aufgestellt, dass Skelettmuskeln, die für den größten Teil der Kaliumspeicherung im Körper verantwortlich sind, den Nieren direkt signalisieren können, dass es Zeit ist, überschüssiges Kalium auszuscheiden, wenn zu viel Kalium gespeichert ist, und umgekehrt. Als die Mathematikforscher die Hypothese in ihrem Modell testeten, spiegelte sie vorhandene biologische Daten zur Kaliumhomöostase genauer wider, was darauf hindeutet, dass Muskel-Nieren-Übersprechen ein wesentliches Teil im Puzzle der Kaliumregulierung sein könnte.
Die lernen wurde veröffentlicht in PLOS Computational Biology.
Mehr Informationen:
Melissa M. Stadt et al, Ein mathematisches Modell der Kaliumhomöostase: Wirkung von Feedforward- und Feedback-Steuerungen, PLOS Computational Biology (2022). DOI: 10.1371/journal.pcbi.1010607