Kv7鉀離子通道在血管平滑肌中的表達及功能

張 璇，劉 靈，焦曉翠，陳興娟，賈占峰，杲海霞，張海林

(河北醫(yī)科大學(xué)藥理學(xué)教研室，河北石家莊 050017)

電壓門控型鉀離子通道Kv7家族由KCNQ基因編碼。其具有6跨膜結(jié)構(gòu)(S1-S6)，第1至4跨膜結(jié)構(gòu)(S1-S4)構(gòu)成通道的電壓感受器，N、C末端均在胞內(nèi)。迄今為止，共發(fā)現(xiàn)這個家族的5個成員:Kv7.1～Kv7.5(KCNQ1-KCNQ5)［1］。KCNQ1編碼的Kv7.1主要表達于心肌細(xì)胞，因其突變后引發(fā)長QT間期綜合癥而又被稱作KvLQT1。KCNE1-5構(gòu)成KCNQ1通道的輔助亞基，參與調(diào)節(jié)KCNQ1的表達及通道的生物物理學(xué)、藥理學(xué)特性。KCNQ1/KCNE1(MinK)被認(rèn)為是心肌細(xì)胞Iks電流的分子學(xué)基礎(chǔ)。分別由KCNQ2和KCNQ3編碼的Kv7.2和Kv7.3主要表達于神經(jīng)系統(tǒng)，被認(rèn)為是M型鉀離子電流(M current)的主要分子學(xué)基礎(chǔ)，參與調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性［2］。KCNQ4編碼的Kv7.4主要表達于內(nèi)耳和聽覺神經(jīng)。KCNQ5編碼的Kv7.5廣泛分布于神經(jīng)系統(tǒng)，被認(rèn)為也參與構(gòu)成了M電流。近來，KCNQ基因在血管平滑肌的表達成為了一個新的研究熱點。KCNQ基因(KCNQ1、KCNQ4和KCNQ5)最初在小鼠門靜脈中被發(fā)現(xiàn)［3］。并且，越來越多的證據(jù)顯示KCNQ基因在大鼠、小鼠的多種血管平滑肌細(xì)胞中表達，例如:小鼠的門靜脈、胸主動脈、頸動脈、股動脈及大鼠的主動脈及腸系膜動脈;而KCNQ2和KCNQ3則幾乎無表達［4－7］。應(yīng)用Kv7鉀離子通道家族的非特異性阻斷劑XE991和linopirdine均能引起膜電位去極化和血管收縮［7－9］。相反，應(yīng)用Kv7鉀離子通道家族的開放劑瑞替加濱(retigabine)和S-1均能引起膜電位超極化和血管舒張［3，5－6，10］。此外，有研究發(fā)現(xiàn)原發(fā)和繼發(fā)性高血壓大鼠胸主動脈和腸系膜動脈的KCNQ4基因的mRNA水平及蛋白水平均大大降低［11］。

高血壓是常見的慢性心血管疾病，主要表現(xiàn)為體循環(huán)動脈血壓持續(xù)性增高。重度高血壓常伴有脂肪和糖代謝紊亂以及心、腦、腎等重要器官的不良重塑。高血壓可提高心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)和外周動脈疾病(peripheral arterial disease，PAD)的發(fā)病率，例如:心臟衰竭、主動脈瘤、動脈粥樣硬化等［12］。高血壓的發(fā)病是一個非常復(fù)雜的病理生理過程，其發(fā)病機制還沒有完全清楚。目前，臨床上使用的降壓藥物主要有五大類，按其作用機制分別為:(1)利尿劑;(2)β受體阻滯劑;(3)鈣通道阻滯劑;(4)血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑(ACEI);(5)血管緊張素Ⅱ受體拮抗劑(ARB)。上述藥物在發(fā)揮良好療效的同時，均不可避免地引發(fā)了多種不良反應(yīng)。例如:利尿劑可能引發(fā)低血鉀癥、高鈣血癥、高血糖和高血脂癥等，利尿藥還影響腎功能，對腎功能減退患者不利等。

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的不斷深入，人們已經(jīng)認(rèn)識到高血壓病的防治不再是單純的降壓問題，更重要的是預(yù)防和逆轉(zhuǎn)靶器官的損害，降低心腦血管并發(fā)癥的發(fā)病率和致死率，同時減少不良反應(yīng)。探索高血壓的發(fā)病機制，尋找新的藥物作用靶點和開發(fā)新的降壓藥具有重要意義。自發(fā)現(xiàn)Kv7鉀離子通道重要的生理功能后，研發(fā)Kv7鉀離子通道調(diào)節(jié)劑成為國際范圍內(nèi)的研究熱點。目前，已有多種小分子化合物(例如:retigabine、苯 甲 酰 胺 衍 生 物 ICA-27242［13］及 BMS-204352［14－15］)作為 Kv7鉀離子通道調(diào)節(jié)劑進入臨床研究的各個階段。這為研究Kv7鉀離子通道在血管平滑肌細(xì)胞上的功能和開發(fā)針對Kv7鉀離子通道的舒血管藥物奠定了基礎(chǔ)。本文將對血管平滑肌細(xì)胞上Kv7/KCNQ鉀離子通道的功能，以及其成為抗高血壓藥物新的作用靶點的潛力及相關(guān)機制進行總結(jié)和討論。

1 Kv7鉀離子通道調(diào)節(jié)劑的開發(fā)

KCNQ2和KCNQ3被認(rèn)為是構(gòu)成神經(jīng)元M電流的分子學(xué)基礎(chǔ)［2］。M電流是一種具有電壓及時間依賴性、慢激活、慢去活、非失活的外向鉀離子電流。研究發(fā)現(xiàn)M電流廣泛地存在于外周和中樞神經(jīng)元，起到穩(wěn)定靜息膜電位的作用。當(dāng)M電流被增大后，細(xì)胞膜因發(fā)生超極化而趨于穩(wěn)定;當(dāng)M電流被抑制后，細(xì)胞膜因發(fā)生去極化而易暴發(fā)動作電位。M通道的開放劑可以治療癲癇發(fā)作、偏頭痛，以及神經(jīng)性和炎癥性疼痛。在整體動物實驗中，M通道抑制劑XE991能夠引發(fā)動物的疼痛反應(yīng)，而其增強劑如retigabine則能有效對抗由福爾馬林、角叉菜膠 (carrageenan)及緩激肽(bradykinin)所引發(fā)的炎性疼痛［16］。

開發(fā)Kv7鉀離子通道的開放劑已經(jīng)成為一個研究熱點。研究最為深入和全面的Kv7通道開放劑是retigabine。Retigabine能激活除Kv7.1之外的其他Kv7家族成員(Kv7.2-Kv7.5)。還有研究顯示 retigabine還可增大 GABAA電流。此外，還發(fā)現(xiàn)了一些Kv7家族亞型特異性調(diào)節(jié)劑。例如:苯甲酰胺衍生物ICA-27242可選擇性地調(diào)節(jié)Kv7.2/Kv7.3電流［13］。BMS-204352的作用靶點雖然與retigabine相同，但明顯表現(xiàn)出對 Kv7.4［14］和 Kv7.5［15］很強的選擇性，而對 Kv7.2/Kv7.3沒有明顯用。Acrylamides的作用靶點也與retigabine相同，但明顯表現(xiàn)出對Kv7.4和Kv7.5具有很強的選擇性［17］。我們實驗室合成的吡唑并嘧啶酮類化合物可以開放Kv7(Kv7.1～Kv7.5)鉀離子通道［18］。目前，已有多種小分子化合物作為M/KCNQ通道的調(diào)節(jié)劑針對癲癇、疼痛等進入臨床研究階段［19］。例如:抗驚厥藥 retigabine，其作為Kv7.2/Kv7.3的開放劑被發(fā)現(xiàn)對于目前藥物無效的頑固性癲癇具有良好的療效和安全性，已于2011年上市。動物行為學(xué)研究表明retigabine可以減輕神經(jīng)性及炎癥性疼痛［16，20］。此外，retigabine可能還具有緩解皰疹后神經(jīng)痛的作用(C.g.Identifier:，NCT00612105)。

2 Kv7鉀離子通道在血管平滑肌細(xì)胞的表達

2003年，首次發(fā)現(xiàn)Kv7鉀離子通道在小鼠門靜脈中表達［4］。之后的研究發(fā)現(xiàn)Kv7鉀離子通道還在多種動脈血管平滑肌細(xì)胞中高表達，例如胸主動脈、頸動脈和肺動脈等［7，9，20］。RT-PCR、單細(xì)胞 RT-PCR、Western blot及免疫化學(xué)的結(jié)果均表明:血管平滑肌細(xì)胞上存在KCNQ1、KCNQ4和KCNQ5 mRNA及蛋白的表達，而不存在KCNQ2和KCNQ3 mRNA 及通道蛋白的表達［7，9，20］。以前認(rèn)為 KCNQ4編碼的Kv7.4主要表達于內(nèi)耳和聽覺神經(jīng)，其功能降低可引發(fā)耳聾［21－22］?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)其在血管平滑肌中表達水平很高［7，20］，且有研究顯示原發(fā)性和繼發(fā)性高血壓大鼠胸主動脈和腸系膜動脈的KCNQ4基因的mRNA水平及蛋白水平均大大降低［11］。這均證明KCNQ4基因可能是KCNQs家族中參與調(diào)節(jié)血管張力的一個重要的基因。

在多種血管平滑肌細(xì)胞上KCNQ1的表達水平與心肌細(xì)胞上KCNQ1的表達水平相當(dāng)。除KCNQ1外，其輔助亞基KCNE家族的表達也受到關(guān)注。KCNE1-5構(gòu)成KCNQ1通道的輔助亞基，參與調(diào)節(jié)KCNQ1的表達及通道的生物物理學(xué)、藥理學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)KCNE1-5選擇性地高表達于容量血管。例如KCNE4高表達于主動脈，KCNE3和KCNE5則分別高表達于門靜脈和股動脈［5］。

3 Kv7鉀離子通道在血管平滑肌細(xì)胞的功能

Kv7鉀離子通道在血管平滑肌細(xì)胞的功能主要通過利用其藥理學(xué)調(diào)節(jié)劑推論。首先，Kv7鉀離子通道的開放劑retigabine、flupirtine可以引發(fā)膜電位超極化及血管舒張。Retigabine 的舒血管作用可以被 XE991 所阻斷［5－6，10］。第2，Kv7鉀離子通道廣譜阻斷劑XE991、linopirdine可以引發(fā)腸系膜、肺及腦主動脈和門靜脈血管收縮［5－9］。另外，Retigabine可以翻轉(zhuǎn)去氧腎上腺素或4-胺基吡啶引發(fā)的血管收縮，但是不能翻轉(zhuǎn)XE991引發(fā)的血管收縮。以上結(jié)果均證明Kv7鉀離子通道在血管張力調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。研究還顯示，電壓門控型鈣通道的阻斷劑尼卡地平(nicardipine)及KATP鉀通道的開放劑吡那地爾(pinacidil，引發(fā)膜電位超極化)均可取消Kv7鉀離子通道阻斷劑引發(fā)的血管收縮。據(jù)此推測Kv7鉀離子通道在血管張力調(diào)節(jié)過程中可能的機制為:Kv7鉀離子通道的功能增強可導(dǎo)致膜電位超極化，進而抑制電壓門控型鈣通道，使胞內(nèi)鈣離子濃度降低，血管舒張;反之Kv7鉀離子通道功能抑制則可致血管收縮。

雖然研究顯示Kv7.1及其輔助亞基在血管平滑肌中高表達。但是，Kv7.1的特異性阻斷劑chromanol 293B、HMR 1556及 L-768-673均不影響血管張力［5，23］。此外，Kv7鉀離子通道開放劑retigabine和S-1均能抑制Kv7.1，卻引發(fā)血管舒張。綜上，KCNQ1及KCNEs雖然在血管平滑肌上高表達，但并沒有直接參與血管張力的調(diào)節(jié)。

4 Kv7鉀離子通道開放劑在心血管疾病中潛在的治療作用

有研究顯示，高血壓發(fā)生時外周血管張力增加是由平滑肌胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度升高導(dǎo)致的［24－25］。如上所述，高血壓發(fā)生伴隨著血管平滑肌細(xì)胞中Kv7.4鉀離子通道的下調(diào)，由此可能會使膜電位去極化進而激活電壓門控型鈣離子通道，導(dǎo)致胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度升高，血管張力增加［11］。應(yīng)用Kv7鉀離子通道開放劑可使膜電位超極化，鈣內(nèi)流減少，血管張力降低。在動物實驗及臨床用藥中，已經(jīng)證實了以上推論。

塞來昔布(celecoxib)作為非甾體解熱鎮(zhèn)痛抗炎藥(nonsteroidal anti-inflammatory drugs，NSAIDs)被廣泛應(yīng)用于臨床，其主要通過選擇性地抑制cyclooxygenase-2(COX-2)活性而發(fā)揮鎮(zhèn)痛和抗炎作用。然而，同樣具有選擇性抑制COX-2活性的羅非昔布(Rofecoxib)卻被發(fā)現(xiàn)可明顯提高心血管疾病發(fā)病率［26－27］。有研究顯示與服用羅非昔布的患者相比，服用塞來昔布的患者具有較低的高血壓發(fā)病率［28－29］。新的實驗證據(jù)提示，除了抑制COX-2活性，塞來昔布還影響離子通道功能。Brueggemann及其同事基于自己的研究結(jié)果對塞來昔布有較低心血管疾病發(fā)病率的作用機制提出假設(shè)，即:塞來昔布可能通過增大Kv7鉀電流和抑制L型鈣電流而發(fā)揮心血管保護作用的［10，30］。我們研究的結(jié)果也表明塞來昔布具有較強的增大Kv7通道電流的作用(Kv7.1及KCNQ1/E1除外)，并發(fā)現(xiàn)其是通過結(jié)合在Kv7.2通道A235和W236氨基酸殘基上而發(fā)揮作用的。而研究顯示羅非昔布具有極弱的增大Kv7鉀電流和抑制L型鈣電流的作用［10］。另外，環(huán)氧合酶(COX-1和COX-2)抑制劑雙氯芬酸(diclofenac)和甲氯芬那酸(meclofenamic acid)也被發(fā)現(xiàn)具有開放Kv7鉀離子通道的作用［31］。氟吡汀(flupirtine)作為非甾體解熱鎮(zhèn)痛抗炎藥和COX-2抑制劑，可以濃度依賴性地增大大鼠腸系膜動脈血管平滑肌細(xì)胞Kv7鉀離子電流并降低大鼠平均動脈壓［6］。

5 結(jié)論

新的研究發(fā)現(xiàn)Kv7/KCNQs家族鉀離子通道中KCNQ1、KCNQ4和KCNQ5以及KCNQ1的輔助亞基KCNE1-5在血管平滑肌細(xì)胞高表達，其中KCNQ4可能在調(diào)節(jié)血管平滑肌細(xì)胞的收縮中發(fā)揮重要作用。研究表明KCNQs鉀離子通道的開放劑具有擴血管作用。臨床上發(fā)現(xiàn)的塞來昔布具有的降血壓作用的機制可能源于其增加Kv7功能。因此深入了解Kv7鉀離子通道在心血管系統(tǒng)中發(fā)揮的作用具有廣泛的指導(dǎo)意義。另外，已經(jīng)有許多的Kv7鉀離子通道的開放劑被開發(fā)，這都將為今后研究開發(fā)治療心血管疾病的新藥物與新手段提供幫助。鑒于Kv7鉀通道在神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)均高表達并發(fā)揮著重要的生理功能，對于疾病的治療則需要具有高組織選擇性的Kv7鉀通道開放劑，這將是今后Kv7鉀通道開放劑研發(fā)的重點。

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