心力衰竭與心肌細胞鉀離子通道(上)

趙冬冬，魏毅東

心力衰竭(心衰)是各種器質性心臟病發(fā)展的最終通路，臨床上以心功能顯著減退和各種心律失常的發(fā)生為特點。在細胞水平，因各種離子通道的調控而導致的單個心肌細胞電生理性質異常，是參與各種惡性心律失常發(fā)生的一個重要機制。本文就幾種主要離子通道在心衰狀態(tài)下的重構現(xiàn)象進行闡述。

1 鉀通道改變

鉀通道介導的鉀電流是復極電流的重要組成部分，鉀通道的重構是導致復極異常和動作電位時程(action potential duration，APD)延長的最重要的機制，也是導致心律失常發(fā)生的重要因素。心衰時影響的鉀通道電流包括非鈣離子依賴性的一過性外向鉀電流(Ito1)、延遲整流性鉀通道(IKr)、內向整流電流(IK1)等;不同學者研究發(fā)現(xiàn)，心衰時各種鉀通道的變化存在轉錄、轉錄后、翻譯、翻譯后等多個不同水平的調節(jié)。

1.1 非鈣離子依賴性的一過性外向鉀電流 Ito1是心肌細胞動作電位(AP)復極1期的主要成分，Kv4.3可能編碼全部或部分這種通道。研究發(fā)現(xiàn)心衰時心室肌細胞動作電位復極1期切跡變平，Ito1密度下調30%，Kv4.3 mRNA 含量減少，Ito1密度下調和 Kv4.3 mRNA 含量減少呈相關關系(r=0.83，P ＜0.01)。還有學者發(fā)現(xiàn)，盡管Ito1密度和Kv4.3 mRNA水平幾乎是平行減少，但Kv4.3通道蛋白含量在心衰中并無明顯變化。提示Kv4.3編碼生理狀態(tài)下心臟的全部或大部分的Ito1，Ito1密度減少與轉錄水平調節(jié)有關，但并不意味著不存在其它調節(jié)方式，因為mRNA水平不能換算成蛋白質水平。認識和干預包括轉錄水平在內的各種調節(jié)機制，是現(xiàn)在和將來要解決的問題［1］。

研究發(fā)現(xiàn)對鈣離子敏感的KChIP(Kv channelinteracting protein)家族具有調節(jié)Kv4鉀通道亞家族的A-型鉀通道的能力。hKChIP2在成人心房中有表達，與hKv4.3共同表達時可增加后者幅度，減慢失活，加快失活狀態(tài)的恢復，增加其離散度。hKChIP2可能是人類心房Ito1的一種調節(jié)性β-亞單位，在心臟疾病中對其產生影響［2］。KChIP2在犬心室游離壁中表達水平的跨壁梯度決定了Ito1電流密度的跨壁梯度。KChIP2 mRNA在心外膜水平是心內膜的25倍，這個梯度和Ito1電流密度的跨壁梯度平行，Kv4.3 mRNA在心室游離壁的水平卻無此梯度。心外膜和心內膜的Ito1電流對于氟卡胺的敏感性相同，提示兩種組織中Ito1電流是同一種通道介導。

有研究者認為，決定人類和犬等大型哺乳動物心室游離壁Ito1電流密度的跨壁梯度的關鍵因素，是KChIP2在轉錄水平對鉀通道β-亞單位的調節(jié)，而不是Kv4.3在轉錄水平對 α-亞單位的調節(jié)［3］。在橫向和縱向的空間離散度存在的情況下，很難將心衰時Ito1的減少簡單歸結于心衰本身;即使在與變化高度相關的情況下，也要考慮其他水平調控機制作用存在。

Ito1的變化更重要的意義在于心臟不同部位的這種離子通道的分布特點也因此改變。Volk等［4］發(fā)現(xiàn)在主動脈縮窄造成的大鼠心肌肥厚模型中，心室游離壁外膜和中層的Ito1減少30%，而心內膜的Ito1并無變化。IK和IK1有輕度減少，但在游離壁三層結構間并無差異。由此提出肥厚時動作電位復極90%時間(APD90)的延長主要是Ito1減少所致，IK和IK1也有輕度的減少可能是為緩和心肌肥厚時這一復極跨壁梯度的形成。Ito1減少在游離壁三層結構之間的差異，使肥厚心肌的復極順序異常，在心電圖上表現(xiàn)為相關導聯(lián)的QRS波和T波倒置。

細胞電生理和細胞外離子環(huán)境的變化被認為是衰竭心臟發(fā)生心律失常的原因，通過對正常和衰竭心肌在急性缺血狀態(tài)下變化的研究，發(fā)現(xiàn)衰竭心肌有更明顯的APD延長和傳導速度下降;在預先阻斷IK，ATP的情況下測量細胞外鉀濃度的變化，發(fā)現(xiàn)衰竭心肌在缺血時胞外鉀離子濃度升高更加明顯。缺血帶心肌細胞電生理的變化和空間離散度增加，以及細胞外鉀濃度的變化，可以解釋為什么衰竭心臟急性缺血時折返性心律失常的發(fā)生會增加［5］。細胞外鉀濃度的變化可能與心衰時神經體液因素異常影響到鉀通道的功能狀態(tài)和表達有關。研究者們從不同方面探索了各種體液因素對鉀通道的影響。Wang等［6］在犬的心室肌細胞上研究了通過α-腎上腺素能受體對IK1和Ito1調控。他們發(fā)現(xiàn)10 M的苯腎上腺素只能使Ito1降低而不能影響IK1;100 M的苯腎上腺素則可對兩者都抑制。苯腎上腺素對Ito1的這種效應可以被A型腎上腺素能受體阻斷劑阻斷，而不能被B型或D型腎上腺素能受體阻斷劑阻斷。而苯腎上腺素對IK1的這種效應只能被BMY-7378(1 nM，D型腎上腺素能受體阻斷劑)阻斷。一種佛波脂類的蛋白激酶C(PKC)激動劑PDD(100 nM)可以增強苯腎上腺素的作用而PKC抑制劑雙吲哚基順丁烯二酰亞胺(50 nM)可以削弱這種效應;但是兩者都只對Ito1的調節(jié)有效，對IK1的調解無效。鈣離子/鈣調蛋白依賴性激酶Ⅱ(CaMKⅡ)的抑制劑KN-93和抑制肽則可以消除苯腎上腺素對IK1的影響。他們由此提出不同的腎上腺素能受體通過不同的機制調節(jié)不同的鉀通道:A型腎上腺素能受體通過PKC調節(jié) Ito1，而 D型腎上腺素能受體(alpha1dARs)通過CaMKⅡ調節(jié)IK1。

Banyasz等［7］研究了內皮素-1(endothelin-1，ET-1)對犬心室肌細胞鈣電流和鉀電流的影響。他們發(fā)現(xiàn)，ET-1(8 nM)可以顯著減少犬心室肌細胞L-型鈣電流的幅度，但卻并沒有改變L-型鈣通道的激活和失活特性，也沒有影響心室肌細胞內的鈣運轉和收縮功能。預先使用異丙基腎上腺素可以削弱ET-1對鈣電流的這種效應。ET-1對于Ito1，IK，IK1的電流幅度沒有影響，但是卻可以使Ito1通道從失活狀態(tài)恢復所需要的時間顯著增加。ET-1和異丙基腎上腺素對IK的影響也存在明顯的相互拮抗的效應。在大劑量的cAMP制劑的作用下使蛋白激酶達到最大的激活狀態(tài)時，ET-1對鈣電流和鉀電流的上述效應不復存在。由此證明，ET-1對L-型鈣電流和Ito1，IK的不同效應跟后者對cAMP的敏感性不同有關。

Rozanski等［8］發(fā)現(xiàn)，在大鼠心室肌細胞上的Ito1鉀通道α-亞單位或其他蛋白上存在結合巰基的調節(jié)位點，在培養(yǎng)液中加入氧化型谷胱甘肽以后，Ito1電流幅度明顯減少，從而證明在這種鉀通道上存在一種受內源性氧化還原劑共價調節(jié)的翻譯后調節(jié)機制。分離的糖尿病小鼠心肌細胞在含有胰島素或者其它可以激活丙酮酸脫氫酶的物質的培養(yǎng)基中培養(yǎng)后，可以觀察到明顯的Ito1密度增加，研究顯示這種機制并非只存在于糖尿病心肌病的小鼠，在其它非糖尿病心肌病導致的心力衰竭模型中，代謝刺激也可以產生Ito1上調的相似效應。降低的鉀通道活性也可以被增加降低的心肌細胞谷胱甘肽水平所逆轉，這提示氧化應激參與了電學重建的機制;而且，葡萄糖利用激活物使Ito1上調的效應可以被谷胱甘肽代謝抑制物阻斷，表明葡萄糖利用和谷胱甘肽系統(tǒng)之間存在功能上的聯(lián)系。對糖尿病和非糖尿病條件下心臟電生理的研究提示，鉀通道被一種對氧化還原敏感的機制所調節(jié)，葡萄糖的利用對維持心肌細胞正常狀態(tài)起著重要的作用。這種假設為逆轉各種心臟疾病狀態(tài)下病態(tài)的電學重構提供了一條新的思路［9］。

還有學者研究了激素水平的調控對鉀通道功能和表達的影響。Song等［10］利用動物孕期子宮研究了性激素對于Kv4.3通道的調節(jié)作用，發(fā)現(xiàn)孕期子宮內膜的Kv4.3通道蛋白及轉錄物有很大程度的減少。研究者同時在切除卵巢的小鼠上進行試驗，發(fā)現(xiàn)雌激素是分娩之外Kv4.3通道蛋白及轉錄物減少和通道功能下降的一個機制。Kv4.3通道蛋白及轉錄物表達減少局限在核周區(qū)域也提示這種變化是受到了性激素的控制。由此得出結論:雌激素通過直接的抑制轉錄和間接的抑制轉錄物向質膜的轉運兩種方式控制孕期子宮內膜Kv4.3通道的重構。這種研究為思考心力衰竭和心律失常轉歸的性別差異提供了啟示。Murray等［11］研究了促生長抑素-14(Somatostatin-14)對心室肌收縮性的正性和負性影響。生長抑素-14對基礎的心室肌收縮反應沒有影響，但是卻可以阻斷心室肌對異丙基腎上腺素的反應;在4氨基吡啶(4-aminopyridine)500 M預處理的情況下，生長抑素-14可以引起心室肌顯著的收縮反應，這種效應可以被L-型鈣通道阻斷劑削弱。他們得出結論:在Ito1激活的情況下，生長抑素-14可以減弱心室肌收縮反應;但是在4氨基吡啶的作用下卻表現(xiàn)出顯著的增加收縮反應的效應，這種效應是經過L型鈣通道介導的。由此得出結論生長抑素-14可以刺激靜息心肌細胞產生收縮，然而在局部兒茶酚胺濃度增高的情況下，卻可以抑制過度刺激引起收縮反應。

Kv4.2也被認為是Ito1的候選基因，在K(v)4.2鉀通道亞單位表達減少的轉基因小鼠模型中，2～4周齡轉基因小鼠心肌的Ito1密度明顯減少，伴隨單向APD延長，同時觀察到平均動脈壓和心室舒張壓的升高，提示收縮功能的增強;10～12周齡的轉基因小鼠則出現(xiàn)充血性心衰的臨床和血液動力學證據，衰竭的轉基因心臟表現(xiàn)出分子和細胞重建，出現(xiàn)肥大，心腔擴張和間質纖維化的證據;單個心肌細胞則出現(xiàn)Ito1和IK1的密度顯著減少和APD的延長。這個實驗在小鼠身上證明了K(v)4.2亞單位對于Ito1的作用，也證明了對心臟興奮性的調節(jié)可以影響其收縮功能。

1.2 延遲整流性鉀通道 延遲整流鉀通道(主要是IKr，IKs和 IKur)，延遲整流性鉀通的改變主要影響(APD)。Xu等［12］研究了左室肥大(LVH)對遲發(fā)整流鉀電流的影響，以及隨后內膜和外膜心肌動作電位復極的變化。在一側腎切除，一側腎動脈狹窄造成的左室肥大模型中，用全細胞膜片鉗技術記錄了肥大左室細胞的快速和緩慢遲發(fā)整流鉀電流IKr和IKs，微電極技術記錄動作電位。在正常家兔左室心肌細胞中IKs的密度在心外膜要高于心內膜，而IKr在心外膜和心內膜密度相似，左室肥大使心外膜和心內膜IKs的密度發(fā)生相同程度的減少，但是對兩者IKr的密度并沒有明顯的影響。所以在左室肥大狀態(tài)下IKr對動作電位的貢獻增加，實驗中IKr的特異性阻斷劑多非利特使APD延長的程度在LVH狀態(tài)下要高于對照組也證明了這一點。而IKs的特異性阻斷劑L-768 673使APD延長的程度在LVH狀態(tài)下要低于對照組。LVH下心內膜降低的IKs的密度使得這一區(qū)域在多非利特作用下發(fā)生早期后除極(EAD)的機會增加。

衰竭心臟的心室肌動作電位延長，與之類似，作為決定心律失常產生的因素，長QT間期綜合征(LQTS)患者的復極期也是延長的。與7號染色體相關的LQTS就是 HERG突變的結果，為了檢測HERG的基因產物是否參與心率相關的復極異常的機制，有學者測定了在心力衰竭和正常情況下HERG mRNA的水平，HERG RNA在人類心室的含量非常豐富，在心力衰竭情況下并沒有觀察到HERG mRNA的水平的變化(85% ±18%，與正常狀態(tài)比較);健康人群內部HERG mRNA水平存在比Kv4.3 mRNA和hH1 mRNA更加明顯的波動，三者樣本標準差占均數的比值分別為28%，16%，15%。這種變異不能用年齡和處理因素加以解釋(實驗中不同個體的取材部位相同，排除了部位差異性的影響)，當然也不能證明HERG mRNA水平同心力衰竭的相關性。

然而Nuss等［13］通過轉基因技術在家兔身上證明了增加鉀通道基因HERG的表達可以加速復極和抑制早期后除極，從而提供了一種利用遲發(fā)整流鉀通道的轉基因技術作為一種新型的有效地抑制復極異常導致心律失常的策略。他們發(fā)現(xiàn)，在對照組攜帶綠色熒光蛋白的腺病毒(ADGFP)感染的細胞中，在前次AP剛剛復極到靜息電位就立即又發(fā)生下一次AP;而在攜帶HERG基因的腺病毒(ADHERG)感染的心肌細胞中，前次動作電位復極完全后有明顯的不應期。同HERG通道表達水平相關的不應期(RRP)的變化，揭示了一種新的調控RRP的細胞和分子機制。HERG的過度表達(alpha亞單位編碼IKR)可以使心肌細胞產生上述變化，但是在哺乳動物的其他細胞或者是卵母細胞中，這種效應要弱得多。這是因為心臟所獨有的其他調節(jié)亞單位(β亞單位，minkGENE等)以及翻譯后調控的作用。

Zhou等利用電壓箝制技術在表達 HERG的HEK293細胞中以心室動作電位波形為控制電壓檢測了HERG在AP復極過程中的作用。他們發(fā)現(xiàn)HERG電流隨AP上升支迅速激活，在復極期繼續(xù)增加，在AP的2相和3相達到最大值，甚至在膜電位恢復到靜息電位以后還有外向電流產生，HERG/IKr電流的這種行為是心肌鉀通道所特有的，是其特有的快速激活和緩慢失活的門控機制的產物。這樣就可以解釋為什么在離體培養(yǎng)的成年動物心室肌細胞中腺病毒介導的HERG過度表達能夠如此有效地抑制2相EAD和增加不應期。

1.3 內向整流電流 內向整流鉀電流(IK1)在復極終末相激活，在人類和犬的心力衰竭狀態(tài)下功能性下調，其編碼基因Kir2.1在人心室中含量豐富，但是在心力衰竭和正常情況下并沒有變化，可能是翻譯后調節(jié)使通道功能喪失，也可能是轉錄后調節(jié)使通道蛋白的含量減少。Kir2.1 mRNA的穩(wěn)定狀態(tài)的含量也存在較大的個體差異性，標準差與均數之比為28。

內向整流鉀電流是掌管細胞電學活性的重要角色，在心房和心室的功能不同。幾種不同功能的內向整流鉀通道(hIRK，HH-IRK1，HIR和TWIK-1)已經從人類心臟中克隆出來，但是它們在心臟組織中的表達還沒有定量。Wang等［14］測定各種IKrs在人類心房和衰竭和非衰竭的心室中mRNA的相對水平后發(fā)現(xiàn)，HIRK mRNA在心房中含量比心室豐富，而TWIK-1 mRNA在心室含量比心房豐富，hIRK和HH-IRK1在心房和心室的分布沒有明顯的差別。所有內向整流鉀通道的轉錄水平在正常和衰竭心室肌之間沒有明顯差別。這些亞單位在分布的差異可能是IK1在心房和心室功能不同的分子基礎。

應激條件下兒茶酚胺的釋放可以激活PKC，通過暴露在各種調節(jié)蛋白和通道蛋白上的磷酸化位點調節(jié)心肌細胞動作電位。心肌中PKC的激活途徑是通過副交感和毒蕈堿系統(tǒng)完成的。人類心房肌細胞的內向整流鉀電流及其通道Kir(2.1b)可以被應激狀態(tài)下激活的 PKC依賴性的信號傳導通路所抑制，這可能與伴PKC激活的器質性心臟患者心律失常的發(fā)生有關［15］。

IK1的異常主要見于遺傳性的心律失常，但也可能合并心力衰竭存在。Pogwizd［16］等提出心力衰竭時IK1減少49%，在殘余腎上腺素能物質的作用下，IK1的減少使鈉鈣交換蛋白(NCX)介導的內向除極電流相對增加而引發(fā)除極，引起心律失常的發(fā)生［17］。

1.4 鉀離子調節(jié)通道 ATP敏感性鉀通道(KATP)，以及其他離子敏感性鉀通道等，在正常情況下這些通道一般關閉，在應急或代謝環(huán)境改變的情況下才被代謝產物或中間物激活而發(fā)揮作用，以彌補鉀通道功能或表達下調的不足。在心肌細胞中ATP敏感性鉀通道主要分布在線粒體和肌漿網膜上。

最近Maslov等研究發(fā)現(xiàn)，兩種選擇性δ鴉片肽受體激活物DPDPE(δ-1鴉片肽受體激活物)和DSLET(δ-2鴉片肽受體激活物)可以影響心肌缺血后硬化心臟的室顫發(fā)生閾值，這兩種物質對于缺血后心臟電生理穩(wěn)定性的調節(jié)作用可以被線粒體KATP抑制劑阻斷五羥色胺(5-HT)或優(yōu)降糖(glibenclamide)阻斷;而單獨使用這兩種KATP抑制劑并不能對心肌缺血后室顫發(fā)生的閾值產生影響。這提示線粒體KATP在內源性阿片樣物質作用下也可能參與缺血后心臟心律失常的發(fā)生，但其參與機制還不清楚。

與毒蕈堿受體偶聯(lián)的G蛋白G-i可以直接激活激活心房和起搏組織中特殊的鉀通道IK(ACh)。心室中G蛋白和鉀通道的偶聯(lián)還沒有明了。用膜片鉗技術對離體心室肌細胞的研究發(fā)現(xiàn)，細胞外液中1 mM的ACh能夠時動作電位可逆的縮短74.4% ±12.1%，并且可以在沒有β腎上腺素能刺激的情況下增加整個心室肌細胞的膜電流。這種效應可以被阿托品逆轉(1 mM)。微克級的GTP可以激活IK(ACh)和IK1兩種通道，兩種通道開放時間不同，且G蛋白激活的IK1不需要GTP保持其通道活性，提示其有著不同的激活機制。百日咳毒素可以阻斷GTP對這些通道的激活，提示毒蕈堿受體-百日咳毒素敏感的G蛋白(G-I)的偶聯(lián)對兩種通道的激活都非常重要。G蛋白激活鉀通道的特性在豚鼠的正常和心力衰竭心肌中并沒有不同。這些研究結果提示，ACH可以通過人類心室肌細胞的毒蕈堿受體-百日咳毒素敏感的G蛋白的途徑激活IK(ACh)和IK1。

(未完待續(xù))

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