氣道平滑肌鉀通道對哮喘作用的研究進展

洪璨武怡

支氣管哮喘是一種氣道慢性炎癥疾病，氣道重塑是其重要的病理改變，臨床上以突出表現(xiàn)為氣道高反應(yīng)性，可逆或部分可逆的氣道阻塞，發(fā)作性的呼氣性呼吸困難。目前治療哮喘的主要藥物仍舊是激素類，但多項試驗研究證明，早期激素類藥物的使用并不能完全逆轉(zhuǎn)哮喘氣道重塑，臨床研究也顯示一部分耐激素型的重癥哮喘患者治療效果不佳，因此，尋求新的治療哮喘的有效途徑是當(dāng)下研究的熱點。鉀離子通道是最為復(fù)雜的一類離子通道，廣泛存在各組織中執(zhí)行著非常重要的生物功能。鉀離子通道也廣泛存在于氣道平滑肌細胞(airway smooth muscle cells，ASMCs)，是各種生化因子的作用目標，了解其結(jié)構(gòu)和功能有重大意義，可為哮喘的防治提供新的靶點和思路。

一、鉀通道分類

鉀通道在ASMCs的興奮性調(diào)控中具有重要的生理意義，參與維持細胞的膜電位及閾電位水平，促進復(fù)極化，穩(wěn)定細胞的興奮性。多項研究表明ASMCs至少存在ATP敏感鉀離子通道(ATP-sensitive K+channels，KATP)、鈣激活鉀通道(calcium-activated K+Channels，KCa)、電壓依賴性鉀離子通道(voltage-dependent K+channels，Kv)，其中 KCa分為3 種:大電導(dǎo)鈣激活鉀通道(large conductance calcium-activated potassium channels，BKCa)、中電導(dǎo)鈣激活鉀通道(intermediate conductance calcium-activated potassium channels，IKCa)、小電導(dǎo)鈣激活鉀通道(small conductance calcium-activated potassium channels，SKCa)。本文重點介紹近年來有關(guān)哮喘機制研究較多的 BKCa、IKCa、Kv。

二、鉀通道的結(jié)構(gòu)和功能

1．BKCa:BKCa氣道平滑肌細胞上分布最廣泛的鉀通道之一，1991年，Atkinson等首次由果蠅中克隆出BKCa通道，它由α-亞單位和β-亞單位共同組成，其中α-亞單位是結(jié)構(gòu)亞單位，構(gòu)成孔道，由Slo1(KNCMA1)基因編碼，分為跨膜區(qū)和細胞內(nèi)C-末端區(qū)兩部分?？缒^(qū)由7個跨膜片段(S0～S6)構(gòu)成，β-亞單位是調(diào)節(jié)亞單位，感受Ca2+及電壓的變化，從而調(diào)控通道的動力學(xué)特性。已發(fā)現(xiàn)BKCa通道有4種不同類型的β-亞單位(β1～β4)，研究顯示BK鈣通道在人的氣道平滑肌細胞亞型表達β1亞基［1］，這與小鼠氣管平滑肌上發(fā)現(xiàn)表達β1亞基是一致的［2］。BKCa依賴電壓和胞內(nèi)Ca2+濃度雙重調(diào)節(jié)來限制Ca2+內(nèi)流，對細胞的興奮起到負反饋調(diào)節(jié)的作用。

2．IKCa:1997 年，Ishii等［3］從人胰腺組織中克隆出 KCa3．1(IKCa)的編碼基因KCNN4，位于第19號染色體(19q13．2)。KCa3．1含有428個氨基酸，肽鏈的N、C末端終止于膜內(nèi)側(cè)，以及S1～S6的6個α螺旋結(jié)構(gòu)的疏水跨膜域組成，同源四聚體合并成1個有功能的 KCa3．1 通道蛋白［3，4］。KCa3．1 是非電壓依賴性通道，因細胞內(nèi)鈣離子與鈣調(diào)蛋白結(jié)合而激活，鈣調(diào)蛋白位于C末端，起鈣離子感受器的作用。KCa3．1分布在多種不同類型的細胞上，Shepherd等［5］第1次證實了該通道也表達于正常以及哮喘的人體的ASMCs上。

3．Kv:近年來的研究已證實Kv通道基因是個超級家族，存在著許多基因亞型。Kv通道在維持靜息膜電位中起重要作用。電壓依賴性K+通道Kv7家族是目前研究的熱點，由KCNQ基因編碼。其具有6種不同類型的S1～S6跨膜結(jié)構(gòu)，S1～S4這4個跨膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成了通道的電壓感受器，N、C末端均在胞內(nèi)。到目前為止，一共發(fā)現(xiàn) 5個家族成員:Kv7．1～Kv7．5［6］。在人的 ASMCs中的表達模式與鼠的動脈平滑肌細胞類似，表達KCNQ1、KCNQ4和KCNQ5基因，幾乎不表達或者很少表達KCNQ2和KCNQ3，不象其他類型的電壓依賴的K+通道，Kv7通道是可在非常低的電壓(約-60mV)被激活和在多種類型的可興奮細胞中維持的靜息膜電壓的穩(wěn)定［7］。

三、鉀離子通道與平滑肌的張力調(diào)控

BKCa在ASMCs上大量存在，被認為是控制氣道張力調(diào)控的一個重要的途徑。氣道平滑肌大量存在毒蕈堿受體，刺激這些受體抑制BKCa負反饋的調(diào)節(jié)器，從而促進收縮。副交感神經(jīng)激活M3和M2毒蕈堿型乙酰膽堿受體，調(diào)節(jié)控制氣道平滑肌收縮的肌質(zhì)網(wǎng)鈣釋放。BKCa的β1基因的敲除可增強M2受體介導(dǎo)的平滑肌收縮［8］。Zhou 等［9］研究發(fā)現(xiàn)，毒蕈堿型受體通過磷脂酶C-PKC路徑抑制氣道平滑肌BKCa通道活性，但是是否有其他途徑參與仍是未知的。另外緩激肽是一種炎性介質(zhì)，可激活 BKCa通道。ASMCs通過細胞色素P-450(CYP-450)ω-羥化酶等各種酶途徑代謝花生四烯酸(AA)，產(chǎn)生20-羥二十碳四烯酸(20-HETE)，從而激活BKCa通道，使人體ASMCs超極化和舒張［10］。還有IL-4，是哮喘病理生理的一個重要的細胞因子，已知的可促進哮喘表型的細胞因子，可迅速增加 BKCa通道在正常人體ASMCs的活性，有利于細胞松弛［11］。

另外，KV通道也參與調(diào)節(jié)細胞的張力效應(yīng)。最近，布呂格曼等首先發(fā)現(xiàn)KCNQ通道均可表達在豚鼠和人體ASMCs上，封鎖KCNQ通道明顯增強組胺、乙酰膽堿引起的 ASMCs收縮［12］。

事實上，KCNQ和BKCa通道的作用被認為可能是互補的。細胞內(nèi)鈣離子低時，低電壓閾值的KCNQ通道可能控制靜息膜電位，由于膜電位去極化和胞內(nèi)鈣離子升高，BKCa通道被激活，在毒蕈堿信號中影響更大。KCNQ通道是BKCa通道激活時控制氣道收縮的重要補充，KCNQ通道可以通過激動劑對抗毒蕈堿誘發(fā)的收縮［13］。已有實驗證明硝普鈉能部分開放被動致敏的人體ASMCs的BKCa和Kv通道，使ASMCs極化，降低其興奮性，使氣道松弛［14］。

四、鉀通道與氣道平滑肌增殖和遷移

多項研究均證實，ASMCs的增殖是造成哮喘患者氣道阻塞、氣道重塑的首要原因，另外，ASMCs遷移也是哮喘氣道重塑形成的一個需要重視的因素。其具體機制尚不明確?？梢钥隙ǖ氖牵峭ㄟ^多條途徑的聯(lián)合作用，而不是靠單一的某個通路來實現(xiàn)。鉀離子通道就是其中一個重要的信號通路。

細胞進入細胞周期需要K+通道的激活，進入G2期和S期的細胞數(shù)量增多，促進細胞的增殖［15］。K+通道激活介導(dǎo)的超極化能調(diào)節(jié)Ca2+信號，以改變細胞的功能，有選擇地激活平滑肌的生長機制，如生長因子基因的表達，參與細胞分裂激酶和其他進程的激活和磷酸化［16，17］。

近些年研究較多的KCa3．1通道，調(diào)節(jié)多種不同類型細胞的活化、增殖、遷移，包括氣道的炎癥及結(jié)構(gòu)細胞，但是其機制和功能還有待探索。堿性成纖維細胞生長因子(FGF)和TGF-β可刺激氣道平滑肌KCa3．1表達上調(diào)，抑制該通道可導(dǎo)致有絲分裂原刺激細胞的生長的停滯［5］。

Cruse等［18］通過對體外培養(yǎng)健康受試者和哮喘患者外周血纖維細胞的研究，證實了封鎖KCa3．1通道能明顯抑制成纖維細胞的遷移，ASMCs部分可由成纖維細胞分化而來，間接提示了封鎖KCa3．1通道可能于ASMCs會有相似的效果。血小板衍生生長因子(PDGF)，眾所周知是有絲分裂原，也是細胞遷移的趨化因子，有研究顯示PDGF可以上調(diào)KCa3．1在氣道平滑肌上的表達，從而誘導(dǎo)平滑肌細胞的遷移性生長［19］。

最近的研究證實了特定的KCa3．1阻滯劑TRAM-34可減少嗜酸性粒細胞，減輕氣道重塑［20］。Yu等［19］進一步證實，TRAM-34通過增加 Th2型細胞因子和減少Th1型細胞因子抑制卵清蛋白誘導(dǎo)的氣道炎癥，減少上皮下細胞外基質(zhì)沉積、杯狀細胞增生，以及氣道高反應(yīng)性。從藥理、基因上封鎖KCa3．1，可抑制哮喘ASMCs增殖和遷移，并使細胞周期停滯在 G0/G1期。以上的研究表明KCa3．1在以氣道炎癥和重塑為特征的哮喘中重要的作用，可以推測KCa3．1受體阻滯劑可能為臨床提供新的有效的治療策略。

五、鉀通道與哮喘平滑肌細胞表型轉(zhuǎn)變

支氣管哮喘氣道重塑的發(fā)生和發(fā)展機制是極其復(fù)雜的病理生理過程，而氣道平滑肌在其中所起的作用受到重視，它不僅參與氣道壁的收縮和增殖，而且在細胞外因子刺激下可能有表型的轉(zhuǎn)變，即從收縮型轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣尚?也稱增殖型)平滑肌細胞，從而發(fā)揮哮喘“炎癥細胞”的功能［20，21］。

大電導(dǎo)和中電導(dǎo)通道表達的變化是伴隨著血管平滑肌細胞“收縮”和“增殖”特征的表型調(diào)節(jié)的，收縮表型的血管平滑肌細胞高度表達BKCa，而增生表型主要表達IKCa。氣道重塑被認為涉及呼吸道細胞的表型轉(zhuǎn)化，包括平滑肌細胞，獲得改變的增殖表型。ASMCs的表型轉(zhuǎn)變與血管平滑肌相比有類似的地方，雖然各種不同細胞間存在細胞特異性的差異，但是其機制對研究ASMCs表型轉(zhuǎn)變有很多值得借鑒的。因此我們推測在哮喘氣道重構(gòu)ASMCs表型轉(zhuǎn)換中BKCa可能下調(diào)，IKCa表達上調(diào)，其機制尚不清楚，是一個相對沒被探及的領(lǐng)域。

六、展 望

現(xiàn)階段，糖皮質(zhì)激素仍是臨床治療哮喘的最重要的藥物，多項數(shù)據(jù)顯示，該藥對約90%的哮喘患者是有效的，但有10%的患者療效不佳。這些重癥或難治患者難以得到有效治療，針對炎癥反應(yīng)的新型治療方法不斷涌現(xiàn)，如抗TNF-α、抗白介素(IL)-4，但到今天為止，其治療效果一直令人失望，因此臨床需要新的不同作用機制的抗哮喘藥物。研究如何提高BKCa、Kv通道活性，可能成為哮喘支氣管擴張劑為緩解氣道攣縮提供治療價值。研究如何抑制KCa3．1通道活性的方法，可能部分抑制哮喘的炎癥反應(yīng)及氣道重塑。而鉀離子通道選擇性表達與平滑肌細胞表型轉(zhuǎn)變的機制的探索，為進一步研究預(yù)防或早期逆轉(zhuǎn)哮喘氣道重塑提供了全新的靶點。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，KCa3．1通道阻滯劑導(dǎo)致耐氟替卡松CX3CL1、CCL5、CCL11基因和蛋白質(zhì)表達的顯著降低，KCa3．1通道阻滯劑也恢復(fù)氟替卡松誘導(dǎo)GC-α受體的磷酸化。封鎖KCa3．1可以提高糖皮質(zhì)激素在嚴重哮喘治療中的活性。而口服活性KCa3．1阻滯劑ICA-17043已經(jīng)研發(fā)出來并進入臨床試驗階段。這為重癥哮喘，尤其是激素耐藥的哮喘患者帶來了曙光。筆者相信鉀離子通道已成為哮喘治療的重要靶點，在未來鉀離子通道的研究會取得豐碩的成果。

1 Martin G，O'Connell RJ，Pietrzykowski AZ，et al．Interleukin-4 activates large-conductance，calcium-activated potassium(BKCa)channels inhuman airway smooth muscle cells［J］．Exp Physiol，2008，93(7):908-918

2 Semenov I，Wang B，Herlihy JT，et al．BK Channel β1 subunit regulation of calcium handling and constriction in tracheal smooth muscle［J］．Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2006，291(4):802-810

3 Ishii TM，Silvia C，Hirschberg B，et al．A human intermediate conductance calcium-activated potassium channel［J］．Proc Natl Acad Sci U S A，1997，94(21):11651-11656

4 Maher AD，Kuchel PW．The Gárdos channel:a review of the Ca2+-activated K+channel in human erythrocytes［J］．Int J Biochem Cell Biol，2003，35(8):1182-1197

5 Shepherd MC，Duffy SM，Harris T，et al．KCa3．1 Ca2+activated K+channels regulate human airway smooth muscle proliferation［J］．Am J Respir Cell Mol Biol，2007，37(5):525-531

6 Robbins J．KCNQ potassium channels:physiology，pathophysiology and pharmacology［J］．Pharmacol Ther，2001，90(1):1-19

7 Mackie AR，Byron KL．Cardiovascular KCNQ(Kv7)potassium channels:physiological regulators and new targets for therapeutic intervention［J］．Mol Pharmacol，2008，74(5):1171-1179

8 Semenov I，Wang B，Herlihy JT，et al．BK channel β1 subunits regulate airway contraction secondary to M2 muscarinic acetylcholine receptor mediated depolarization［J］．J Physiol，2011，589(7):1803-1817

9 Zhou XB，Wulfsen I，Lutz S，et a1．M2 muscarinic receptors induce airway smooth muscle activation via a dual，Gbetagamma-mediated inhibition of large conductance Ca2+-activated K+channel activity［J］．J Biol Chem，2008，283(30):21036-21044

10 Morin C，Sirois M，Echave V，et al．Functional effects of 20-HETE on human bronchi:hyperpolarization and relaxation due to BKCachannel activation［J］．Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2007，293(4):1037-1044

11 Martin G，O'Connell RJ，Pietrzykowski AZ，et al．Interleukin-4 activates large-conductance，calcium-activated potassium(BKCa)channels inhuman airway smooth muscle cells［J］．Exp Physiol，2008，93(7):908-918

12 Brueggemann LI，Kakad PP，Love RB，et al．Kv7 potassium channels in airway smooth muscle cells:signal transduction intermediates and pharmacological targets for bronchodilator therapy［J］．Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2012，302(1):120-132

13 Evseev AI，Semenov I，Archer CR，et al．Functional effects of KCNQ K+channels in airway smooth muscle［J］．Front Physiol，2013，4:277

14 葉濤，徐永健，張珍祥，等．一氧化氮對被動致敏人氣道平滑肌細胞鉀通道的作用［J］．中華結(jié)核和呼吸雜志，2006，29(4):278-279

15 Neylon CB．Potassium channels and vascular proliferation［J］．Vascul Pharmacol，2002，38(1):35-41

16 Dolmetsch RE，Lewis RS，Goodnow CC，et al．Differential activation of transcription factors induced by Ca2+response amplitude and duration［J］．Nature，1997，386(6627):855-858

17 Hardingham GE，Chawla S，Johnson CM，et al．Distinct functions of nuclear and cytoplasmic calcium in the control of gene expression［J］．Nature，1997，385(6613):260-265

18 Cruse G，Singh SR，Duffy SM，et al．Functional KCa3．1 K+channels are required for human fibrocyte migration［J］．J Allergy Clin Immunol，2011，128(6):1303-1309

19 Yu ZH，Wang YX，Song Y，et al．Up-regulation of KCa3．1 promotes human airway smooth muscle cell phenotypic modulation［J］．Pharmacol Res，2013，77:30-38

20 Girodet PO，Ozier A，Carvalho G，et al．Ca2+-activated K+channel-3．1 blocker TRAM-34 attenuates airway remodeling and eosinophilia in a murine asthma model［J］．Am J Respir Cell Mol Biol，2013，48(2):212-219

21 Yu ZH，Xu JR，Wang YX，et al．Targeted inhibition of KCa3．1 channel attenuates airway inflammation and remodeling in allergic asthma［J］．Am J Respir Cell Mol Biol，2013，48(6):685-693