竇房結(jié)細(xì)胞鉀離子通道結(jié)構(gòu)及電生理研究進(jìn)展

汪艷麗，劉如秀，劉金鳳

竇房結(jié)是心臟活動(dòng)的正常起搏點(diǎn)，在心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)中自律性最高，竇房結(jié)細(xì)胞自發(fā)性動(dòng)作電位是其自律性產(chǎn)生的基礎(chǔ)。鉀離子通道種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相應(yīng)鉀電流對(duì)竇房結(jié)細(xì)胞自律性的維持發(fā)揮重要作用，現(xiàn)就近年國內(nèi)外對(duì)竇房結(jié)細(xì)胞鉀離子通道及電生理特性研究進(jìn)展作一綜述。

1 竇房結(jié)細(xì)胞的電生理特性

自上世紀(jì)80年代心肌細(xì)胞電生理領(lǐng)域的興起，有關(guān)竇房結(jié)（SAN）自律性離子基礎(chǔ)的爭議就開始存在，周期性的被各種新的理論所完善或替代[1,2]。SAN主要生理功能是控制并維持心率在一個(gè)穩(wěn)定的水平，SAN中央?yún)^(qū)可觸發(fā)動(dòng)作電位（AP）上升支的舒張期自動(dòng)去極化，興奮的動(dòng)作電位通過竇房結(jié)周圍的區(qū)域擴(kuò)散到界嵴及心房肌。竇房結(jié)細(xì)胞（SNC）有最高自律性，產(chǎn)生不同于周圍心房肌細(xì)胞的自發(fā)性動(dòng)作電位，這一獨(dú)特電生理特性使SAN能產(chǎn)生節(jié)律性心臟搏動(dòng)。SNC的正常生理功能對(duì)正常心臟電生理至關(guān)重要[3]。

SNC屬于慢反應(yīng)電位的節(jié)律性活動(dòng)細(xì)胞，其AP幅度小，沒有穩(wěn)定的靜息電位，AP中沒有平臺(tái)期，只有0、3、4期，4期不穩(wěn)定，在復(fù)極完畢后，能夠自動(dòng)地、緩慢地除極，使膜電位逐漸減小，即4期自動(dòng)除極（圖1）。當(dāng)除極達(dá)到閾電位水平（約-40mV）時(shí)即可暴發(fā)AP，因此，4期自動(dòng)除極是形成SNC自律性的基礎(chǔ)。該除極過程是通過細(xì)胞膜上各種離子流的參與實(shí)現(xiàn)的[4]。SNC電興奮的產(chǎn)生與細(xì)胞膜上的各種離子通道直接相關(guān)[5]。經(jīng)典的電生理理論認(rèn)為參與SNC 4期自動(dòng)除極的離子流包括超極化激活環(huán)核苷酸門控陽離子電流（If）、延遲整流鉀電流（IK）、內(nèi)向鈣電流（ICa）等[6,7]。SNC的復(fù)極過程保證了SAN自發(fā)興奮性的循環(huán)，這種固有的內(nèi)在循環(huán)使SAN為心臟的正常起搏服務(wù)[8,9]。

圖1 -1 心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)

圖1 -2 竇房結(jié)細(xì)胞動(dòng)作電位

早在上世紀(jì)50年代，細(xì)胞膜興奮理論認(rèn)為，細(xì)胞膜離子通道的綜合作用是心臟起搏的主要機(jī)制（Membrane clock，膜鐘）。近年來研究發(fā)現(xiàn)，SNC的起搏取決于細(xì)胞內(nèi)的Ca2+循環(huán)（Ca2+clock，Ca2+鐘），SNC肌漿網(wǎng)通過膜上蘭尼堿受體釋放鈣離子，激活鈉鈣交換，Ca2+鐘引發(fā)膜鐘從而爆發(fā)動(dòng)作電位[10]，膜離子通道的循環(huán)激活和失活、肌漿網(wǎng)節(jié)律性自發(fā)釋放鈣離子共同調(diào)節(jié)SAN自律性，即Ca2+鐘和膜鐘共同調(diào)控著SNC的起搏功能[3]。因此，產(chǎn)生SNC舒張期去極化的主要機(jī)制有：L型鈣電流ICaL和T型鈣電流ICaT的激活；延遲整流鉀電流（IK）的失活；超極化激活環(huán)核苷酸門控陽離子通道電流（If）的發(fā)展；肌漿網(wǎng)自發(fā)性釋放鈣離子從而激活Na+-Ca2+交換電流（INCX）[10-15]。Brahmajothi[9]認(rèn)為不同種族中離子通道表達(dá)的模式可能也是復(fù)雜而變化的。

2 竇房結(jié)細(xì)胞鉀離子通道研究進(jìn)展

鉀離子通道是SNC膜上重要離子通道之一，在SNC自發(fā)性動(dòng)作電位復(fù)極過程中發(fā)揮重要作用，鉀離子通道種類繁多，特征各異。

2.1 鉀離子通道的種類和結(jié)構(gòu) 心臟鉀離子通道是心肌細(xì)胞膜蛋白，該通道亞型多、分布廣、作用復(fù)雜（圖2），其中最大一組是電壓門控性鉀通道（Kv）家族，主要包括瞬時(shí)外向鉀電流（Ito）通道、快激活延遲整流鉀電流（IKr）通道、慢激活延遲整流鉀電流（IKs）通道及超速激活延遲整流鉀電流（IKur）通道等。還有一組是配體門控性鉀通道，主要有內(nèi)向整流鉀通道（Kir）家族，包括內(nèi)向整流鉀通道（IK1）、乙酰膽堿敏感鉀通道（IKACh）、ATP敏感鉀通道（IKATP）等。它決定SNC靜息膜電位、動(dòng)作電位形態(tài)和時(shí)程。鉀離子通道表達(dá)的區(qū)域性不同，決定了從竇房結(jié)和心房到心室肌細(xì)胞（甚至心室肌內(nèi)膜到中層到心包膜）動(dòng)作電位形態(tài)和時(shí)程的不同[16]。鉀離子通道由4個(gè)亞單位組成，每個(gè)亞單位都由六個(gè)跨膜片段（S1～S6）構(gòu)成、電壓感受器S4、存在于S5和S6之間的執(zhí)行孔道（P）區(qū)，每個(gè)通道的四個(gè)亞單位可以相同也可不同[16]。主要參與組成電壓敏感性鉀通道（Ito、IKur、IKr、IKs）（圖3）。

Brahmajothi等[9]采用免疫熒光法測定出了最接近人類竇房結(jié)的雪貂竇房結(jié)K離子通道亞單位特征性表達(dá)情況，研究了20種來自不同家族的電壓門控K通道α亞單位（Kv1.1-Kv1.6，Kv2.1和Kv2.2，Kv3.1-Kv3.4，Kv4.1-Kv4.3，Kv7.1，Kv10.1，Kv11.1-Kv11.3）及3種K通道輔助亞單位（minK，Kv5.1, Kv6.1）。研究發(fā)現(xiàn)，在竇房結(jié)Kv1通道轉(zhuǎn)染中，高度表達(dá)Kv1.1，Kv1.4，Kv1.5，Kv1.1主要集中在SAN中央?yún)^(qū)，Kv1.4和Kv1.5在整個(gè)結(jié)區(qū)都有表達(dá)。提示，竇房結(jié)Kv1.1，Kv1.4，Kv1.5亞單位在鉀離子通道正常功能中發(fā)揮重要作用（圖3）。這些研究對(duì)理解雪貂正常生理起搏活動(dòng)具有重要意義，也為人類SNC功能異常的病理生理學(xué)研究做出巨大貢獻(xiàn)。在竇房結(jié)Kv4通道轉(zhuǎn)染中，Kv4.2，Kv4.3和Kv1.4參與瞬時(shí)外向鉀電流，Kv7.1和Kv11.1分別參與緩慢激活和快速激活的延遲整流鉀電流，表明IKs在雪貂竇房結(jié)中的作用較小。

圖2 鉀離子通道家族結(jié)構(gòu)圖

圖3 鉀離子通道結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 鉀離子通道電流 在SNC中，多種離子流參與其AP不同時(shí)相的形成和舒張期自動(dòng)去極化[9]，因此，任何一種離子流發(fā)生變化，都可能會(huì)使AP發(fā)生改變，進(jìn)而影響整個(gè)心臟活動(dòng)。鉀離子電流是心肌細(xì)胞去極化后的復(fù)極電流，因而對(duì)AP時(shí)程具有重要意義。鉀離子電流種類很多，目前確定至少有四種電壓依賴性鉀電流（Ito、IKr、IKs、IKur），還有相對(duì)于心室肌細(xì)胞較少的內(nèi)向整流鉀電流IK1，在SAN起搏過程中各自發(fā)揮著不同的作用[17-20]。

2.2.1 瞬時(shí)外向鉀電流（Ito） Ito是心肌細(xì)胞膜上較早發(fā)現(xiàn)的一種離子流，是鉀通道電流的重要亞型之一，首先在浦肯野細(xì)胞上發(fā)現(xiàn)，呈電壓依賴快速激活和失活，在去極化早期被激活，是SNC動(dòng)作電位的第一個(gè)復(fù)極電流，形成快速復(fù)極相（1相）[21]。Ito作為復(fù)極的主要電流，其電流值和門控動(dòng)力學(xué)特征的改變，影響著動(dòng)作電位、動(dòng)作電位時(shí)程（APD）及有效不應(yīng)期。Ito受到細(xì)胞微環(huán)境（缺氧、PH值變化、代謝產(chǎn)物堆積等）及激素的調(diào)控，Ito通道阻滯劑可以使動(dòng)作電位和不應(yīng)期延長而發(fā)揮抗心律失常作用，因此Ito的異常可能是某些心臟疾病的電生理基礎(chǔ)，提示Ito可能作為防治心臟疾病的重要靶點(diǎn)[16,22]。

Ito分兩類[23]，一類是快成分Ito,fast，是構(gòu)成AP復(fù)極相的主要電流，對(duì)4-氨基吡啶（4-AP）敏感，廣泛分布于哺乳動(dòng)物心肌細(xì)胞中；另一類是慢成分Ito,slow，又稱依賴性氯電流，對(duì)4-AP不敏感。Ito通道是一個(gè)大分子蛋白復(fù)合物，每一個(gè)Ito通道由四個(gè)α亞單位組成，每個(gè)α亞單位都由六個(gè)跨膜α螺旋（S1-S6）構(gòu)成，其中Kv4.2，Kv4.3的表達(dá)與Ito,fast通道特性一致，Kv1.4的表達(dá)與Ito,slow通道特性一致[16]。由于Ito,slow情況復(fù)雜，目前研究甚少，尚不能確定人心房肌細(xì)胞是否存在Ito,slow。Kv4.3被認(rèn)為是人SNC Ito的主要通道[21]。Ito在不同種屬、同一種屬動(dòng)物不同部位中的分布存在差異，這種異質(zhì)性與心臟正常電信號(hào)傳導(dǎo)及心臟疾病的發(fā)生都密切相關(guān)。人類從幼兒到成年的過程中，心房細(xì)胞Ito的通道蛋白表達(dá)呈增加趨勢[24]。在心衰、心肌肥厚、心律失常等疾病中，Ito的通道蛋白表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致APD的延長[25,26]。

2.2.2 延遲整流鉀電流（IK） 在心肌上發(fā)現(xiàn)的這種離子流激活緩慢，且在充分開放時(shí)，電流電壓關(guān)系呈整流性質(zhì)，故稱為延遲整流鉀電流（IK）?！把舆t”是IKr通道激活門緩慢開放和關(guān)閉一起的；“內(nèi)向整流”現(xiàn)象是由于IKr通道快速失活引起的。SNC起搏原理中IKr外向離子流的衰減不是由其通道失活引起，而是由于去激活引起[27]。IK是參與AP復(fù)極過程的主要電流，對(duì)調(diào)節(jié)APD起著重要的作用，根據(jù)激活時(shí)間長短分為：超速激活延遲整流鉀電流（IKur）、快速激活延遲整流鉀電流（IKr）和緩慢激活延遲整流鉀電流（IKs）3種。

IKur存在于人、狗及鼠的心房中，在人類的心房肌發(fā)揮作用[28]，在AP平臺(tái)期迅速激活，它的激活速度比IKr快并且接近Ito，在AP過程中與Ito部分重疊，具有外向整流特性且失活非常緩慢，對(duì)4-AP高度敏感，被認(rèn)為是抗心律失常藥物很有前景的作用靶點(diǎn)[29]。Chandler等[21]在人SNC研究中發(fā)現(xiàn)，IKur、IKr、IKs分別由KV1.5、ERG（ether-a-go-go-related gene）和KvLQT1編碼。

IKr在AP過程中激活快，失活也快，有內(nèi)向整流特性，在AP復(fù)極3期發(fā)揮作用，是第Ⅲ類抗心律失常藥物的作用靶點(diǎn)；IKs激活緩慢，激活后幾乎不失活，在心肌細(xì)胞AP復(fù)極2期發(fā)揮作用。IKATP和IKACh也參與竇房結(jié)細(xì)胞的起搏活動(dòng)。

3 結(jié)語

竇房結(jié)細(xì)胞鉀通道種類復(fù)雜而繁多，參與SNC除極和復(fù)極不同過程，鉀離子通道及電流在心臟起搏活動(dòng)中起著重要的作用，它的失衡可能是病態(tài)竇房結(jié)綜合征（SSS）發(fā)生的主要離子基礎(chǔ)，也是各種新的抗心律失常藥物的可能作用靶點(diǎn)。竇房結(jié)細(xì)胞鉀離子通道結(jié)構(gòu)和電流的病理和生理機(jī)制研究，可為今后藥物研究提供理論基礎(chǔ)。

[1] Lakatta EG,Maltsev VA,Bogdanov KY,et al. Cyclic variation of intracellular calcium: A critical factor for cardiac pacemaker cell dominance[J]. Circ Res,2003,92(3):e45-50.

[2] Baruscotti M,Barbuti A,Bucchi A. The cardiac pacemaker current[J].J Mol Cell Cardiol,2010,48(1):55-64.

[3] Joung B,Chen PS,Lin SF. The role of the calcium and the voltage clocks in sinoatrial node dysfunction[J]. Yonsei Med J,2011,52(2):211-9.

[4] Alboni P,Gianfranchi L,Brignole M. Treatment of persistent sinus bradycardia with intermittent symptoms: Are guidelines clear[J]Europace,2009,11(5):562-4.

[5] Pan Z,Yamaguchi R,Doi S. Bifurcation analysis and effects of changing ionic conductances on pacemaker rhythm in a sinoatrial node cell model[J]. Biosystems,2011,106(1):9-18

[6] Adan V,Crown LA. Diagnosis and treatment of sick sinus syndrome[J]. Am Fam Physician,2003,67(8):1725-32.

[7] Lyashkov AE,Juhaszova M,Dobrzynski H,et al. Calcium cycling protein density and functional importance to automaticity of isolated sinoatrial nodal cells are independent of cell size[J]. Circ Res,2007,100(12):1723-31.

[8] Yerra L,Reddy PC. Effects of electromagnetic interference on implanted cardiac devices and their management[J]. Cardiol Rev,2007,15(6):304-9.

[9] Brahmajothi MV,Morales MJ,Campbell DL,et al. Expression and distribution of voltage-gated ion channels in ferret sinoatrial node[J].Physiol Genomics,2010,42A(2):131-40.

[10] Lakatta EG,Maltsev VA,Vinogradova TM. A coupled system of intracellular Ca2+clocks and surface membrane voltage clocks controls the timekeeping mechanism of the heart's pacemaker[J]. Circ Res,2010,106(4):659-73.

[11] Yanagihara K,Noma A,Irisawa H. Reconstruction of sino-atrial node pacemaker potential based on the voltage clamp experiments[J]. Jpn J Physiol,1980,30(6):841-57.

[12] Noble D. The surprising heart: A review of recent progress in cardiac electrophysiology[J]. J Physiol,1984,353:1-50.

[13] Barbuti A,DiFrancesco D. Control of cardiac rate by "funny" channels in health and disease[J]. Ann N Y Acad Sci,2008,1123:213-23.

[14] Maltsev VA,Lakatta EG. Synergism of coupled subsarcolemmal Ca2+clocks and sarcolemmal voltage clocks confers robust and flexible pacemaker function in a novel pacemaker cell model[J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol,2009,296(3):H594-615.

[15] Lakatta EG,Vinogradova TM,Maltsev VA. The missing link in the mystery of normal automaticity of cardiac pacemaker cells[J]. Ann N Y Acad Sci,2008,1123:41-57.

[16] Li GR,Dong MQ. Pharmacology of cardiac potassium channels[J].Adv Pharmacol,2010, 59:93-134.

[17] Ono K,Ito H. Role of rapidly activating delayed rectifier K+current in sinoatrial node pacemaker activity[J]. Am J Physiol,1995,269(2):H453-62.

[18] Lei M,Honjo H,Kodama I,et al. Heterogeneous expression of the delayed-rectifier K+currents iK,rand iK,sin rabbit sinoatrial node cells[J]. J Physiol,2001,535(3):703-14.

[19] Clark RB,Mangoni ME,Lueger A,et al. A rapidly activating delayed rectifier K+current regulates pacemaker activity in adult mouse sinoatrial node cells[J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol,2004,286(5):H1757-66.

[20] Niwa N,Nerbonne JM. Molecular determinants of cardiac transient outward potassium current (Ito) expression and regulation[J]. J Mol Cell Cardiol,2010,48(1):12-25.

[21] Chandler NJ,Greener ID,Tellez JO,et al. Molecular architecture of the human sinus node: Insights into the function of the cardiac pacemaker[J]. Circulation,2009,119(12):1562-75.

[22] Bett GC,Rasmusson RL. Inactivation and recovery in Kv1.4 K+channels: Lipophilic interactions at the intracellular mouth of the pore[J]. J Physiol,2004,556(1):109-20.

[23] Zicha S,Xiao L,Stafford S,et al. Transmural expression of transient outward potassium current subunits in normal and failing canine and human hearts[J]. J Physiol,2004,561(3):735-48.

[24] Crumb WJ,Clark CW,Pigott JD,et al. Comparison of ito in young and adult human atrial myocytes: Evidence for developmental changes[J].Am J Physiol,1995,268(3):H1335-42.

[25] Oudit GY,Kassiri Z,Sah R,et al. The molecular physiology of the cardiac transient outward potassium current Itoin normal and diseased myocardium[J]. J Mol Cell Cardiol,2001,33(5):851-72.

[26] Shieh CC,Coghlan M,Sullivan JP,et al. Potassium channels: Molecular defects, diseases, and therapeutic opportunities[J]. Pharmacol Rev,2000,52(4):557-94.

[27] Matsuura H,Ehara T,Ding WG,et al. Rapidly and slowly activating components of delayed rectifier K+current in guinea-pig sino-atrial node pacemaker cells[J]. J Physiol,2002,540(3):815-30.

[28] Li GR,Feng J,Yue L,et al. Evidence for two components of delayed rectifier K+current in human ventricular myocytes[J]. Circ Res,1996,78(4):689-96.

[29] Tamargo J,Caballero R,Gomez R,et al. I(kur)/kv1.5 channel blockers for the treatment of atrial fibrillation[J]. Expert Opin Investig Drugs,2009,18(4):399-416.