心房肌T型管在心房顫動發(fā)生機制中的作用

程呈 劉元生

心肌T型管(橫小管)是心肌細胞膜上特異性的細胞器,在心肌規(guī)律性收縮中對于鈣離子信號和興奮- 收縮偶聯(lián)起關(guān)鍵作用。心肌T型管是肌膜內(nèi)陷形成的沿細胞Z線附近以規(guī)則的間隔出現(xiàn)的橫向結(jié)構(gòu),可以使動作電位快速傳播到細胞內(nèi)部。心肌T型管富含L- 型鈣離子通道(LTCC),其介導(dǎo)初始動作電位觸發(fā)的鈣離子進入心肌細胞內(nèi)。已有許多在小型實驗動物模型進行的關(guān)于如何調(diào)控心房興奮- 收縮偶聯(lián)以及在房顫等疾病中作用的研究結(jié)果。最近的實驗表明小型動物與大型動物(包括人類)的心房肌在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上存在差異。這些結(jié)構(gòu)差異更具體地說是大型動物(包括人)的心房肌存在完善的T型管網(wǎng)絡(luò),這可能會徹底改變我們對心房肌鈣穩(wěn)態(tài)以及T型管在疾病中作用的觀點。

一、心房肌T型管的分布特點及表達

心肌細胞T型管的結(jié)構(gòu)與功能,已在心室肌進行了大量的研究,但其他心肌細胞被認為不存在T型管。事實上在浦肯野細胞和多種動物的心房肌細胞都觀察到T型管,只是密度比心室肌要小。雖然以前研究人心房肌是否存在T型管還未被證實,但推測很可能是存在的,因為在多種大型哺乳動物如綿羊、犬心房內(nèi)都存在高密度的T型管。而且近年來對心房肌T型管的研究更加重視。例如,Smyrnias等[1]研究發(fā)現(xiàn)T型管存在于小部分成年大鼠心房肌內(nèi)存在T型管,且與心室肌的T型管不同。Frisk等人又在冰凍組織切片和分離心肌內(nèi)發(fā)現(xiàn)大約1/3的大鼠心房肌內(nèi)存在T型管,其中約10%的心房肌細胞,T型管網(wǎng)像心室肌樣呈橫向排列。除此,在大鼠和豬的心房組織都證明心外膜T型管密度比心內(nèi)膜大。并有34%的豬心房肌內(nèi)存在功能性T型管網(wǎng)。而且,右房心肌比左房心肌體積大。Dibb[2]發(fā)現(xiàn)在分離的綿羊心房肌以及來自馬、牛和人的心房組織切片內(nèi)存在大量的T型管網(wǎng)。T型管也存在于犬大部分心房肌,但是密度非常稀疏,更重要的是左右心房許多細胞完全缺乏T型管,但也有實驗證明心房內(nèi)不同區(qū)域的T型管網(wǎng)和T型管密度并無差異。最近的研究證明大型哺乳動物(包括人類)的心房肌細胞具有完善的、有功能的T型管網(wǎng),這推翻了之前認為的人類大部分心房肌缺乏完善的T型管網(wǎng)的認識?？偠灾?多種大型動物和一些小型動物的心房肌內(nèi)都證實存在T型管網(wǎng)。

實驗研究發(fā)現(xiàn)在大部分右房和左房心肌內(nèi)至少存在局部T型管網(wǎng)(75%右房和87.5%左房)。這個數(shù)字明顯高于Frisk的研究報告。這些差異也許是因為種屬不同或者是心內(nèi)膜與心外膜T型管的差異。T型管的形態(tài)在培養(yǎng)狀態(tài)、急性牽張、心力衰竭和房顫時可以改變。雖然未檢出肺靜脈和左右心房間T型管密度的明顯差異,但一個重要發(fā)現(xiàn)是右房有25%和左房12.5%心房肌細胞完全缺乏T型管,這也許有重要的生理性或病理性意義。肺靜脈處心房肌要比左心耳或者右房游離壁心肌更寬,肌小節(jié)間隙也更大。因此,推測T型管密度/分布、肌小節(jié)間隙以及細胞寬度可能是左房肺靜脈處心房肌獨特的電生理特征。

二、心房肌T型管與鈣瞬態(tài)變化

早期在分離人新鮮心房肌細胞測量胞內(nèi)鈣離子的研究表明收縮期鈣瞬態(tài)的上升階段呈先快后慢直到平穩(wěn)特點。這種現(xiàn)象與之前幾項研究小動物缺乏T型管的心房結(jié)果相一致。大鼠與小鼠等小型動物的心房肌T型管網(wǎng)與心室肌不同。心室肌細胞T型管的主要特征是沿垂直于細胞長軸的Z線分布,相臨T型管之間有分支相連。相反,有T型管的心房肌細胞,T型管主要沿細胞長軸分布,并且排列紊亂。而在缺乏T型管的心房肌,收縮期鈣瞬態(tài)的時間與空間特征表現(xiàn)為細胞除極時胞內(nèi)鈣離子升高首先出現(xiàn)在細胞周邊,隨后由鈣觸發(fā)鈣釋放機制釋放鈣離子并播散到細胞中央。此機制使細胞中心鈣瞬態(tài)延遲的特征在熒光共聚焦顯微鏡下觀察到鈣瞬態(tài)曲線呈U型或V型。橫向T型管對收縮期鈣瞬態(tài)空間和時間的影響更加難以預(yù)測,可能主要取決于T型管網(wǎng)的面積。然而,這些研究中發(fā)現(xiàn)在熒光共聚焦下收縮期鈣瞬態(tài)曲線明顯不均勻,其始端呈鋸齒狀。

T型管網(wǎng)的面積與構(gòu)造對細胞內(nèi)肌漿網(wǎng)鈣離子釋放的空間異質(zhì)性起著決定性作用。心室肌細胞的鈣觸發(fā)鈣釋放是由肌膜內(nèi)折形成的狹窄(～200 nm)而廣泛的T型管網(wǎng)所驅(qū)動。而成人心房肌內(nèi)則缺乏這種比較發(fā)達的T型管網(wǎng)。稠密而排列有序的T型管網(wǎng),例如在大鼠和小鼠心室肌所觀察到的,細胞內(nèi)呈現(xiàn)同步性鈣觸發(fā)鈣釋放。但在T型管密度小的細胞,胞內(nèi)鈣離子的釋放最初是由肌膜與T型管介導(dǎo)的鈣離子內(nèi)流觸發(fā),隨后鈣離子擴散到無T型管的區(qū)域。由于心肌內(nèi)蘭尼堿受體分布均勻,擴散的鈣離子隨后觸發(fā)肌漿網(wǎng)鈣釋放。心房肌內(nèi),鈣觸發(fā)鈣釋放的播散范圍取決于肌漿網(wǎng)鈣儲備與β腎上腺素能神經(jīng)張力。因此,控制鈣離子同步釋放不僅取決于T型管結(jié)構(gòu),也取決于心肌狀態(tài)。

正常心室肌細胞收縮時肌膜與胞內(nèi)鈣離子是同步升高的,這得益于發(fā)達的T型管網(wǎng)。相反,心房肌細胞的鈣瞬態(tài)不具備這種同步性:首先是細胞周邊先出現(xiàn)鈣瞬態(tài),隨后因鈣觸發(fā)鈣釋放機制傳遞至細胞中心(出現(xiàn)細胞中心鈣瞬態(tài)延遲的特征,表現(xiàn)為U或V形鈣波)。由于缺乏T型管,心房肌細胞鈣緩沖能力增強,肌膜下線粒體鈣擴散屏障以及肌漿網(wǎng)鈣ATP酶泵(SERCA),這三者被認為使細胞內(nèi)鈣瞬態(tài)延遲的發(fā)生。Frisk等[3]報道犬和大鼠心房肌細胞的T型管和鈣通道分布明顯不同,這與T型管密度的L- 型鈣電流強度相平行,即T型管密度最高的細胞其同步鈣釋放的量也最多。作者推斷心房肌T管結(jié)構(gòu)梯度導(dǎo)致了心肌鈣穩(wěn)態(tài)的變化。

三、心房肌T型管在興奮- 收縮偶聯(lián)中的作用

比較早的研究顯示,心房肌細胞幾乎完全缺乏T型管,心房肌細胞的興奮- 收縮偶聯(lián)推測來自心房肌細胞周圍的L型電壓門控鈣通道(LTCCs),并由局部肌膜下連接的蘭尼堿受體放大。最近的研究表明成人心房肌細胞內(nèi)至少有未發(fā)育完善(初級的)的橫向管狀網(wǎng)絡(luò)。心房收縮是由收縮期細胞內(nèi)鈣離子升高所觸發(fā)。L型鈣流在興奮- 收縮偶聯(lián)中有兩個作用:一是觸發(fā)作用,經(jīng)L型鈣通道入胞鈣離子引起肌漿網(wǎng)釋放鈣;二是流入胞內(nèi)的鈣離子起著鈣負載以及維持肌漿網(wǎng)鈣儲備的作用。沿T型管分布的L型鈣通道對收縮期鈣離子以及細胞內(nèi)鈣離子的同步性具有重要作用。心房與心室收縮期產(chǎn)生鈣瞬態(tài)的機制是相似的,但在調(diào)控鈣瞬態(tài)方面存在很大的不同。例如,大鼠心房肌與心室肌比較,心房肌比較小且鈣瞬態(tài)幅度低,肌漿網(wǎng)鈣泵活性高使鈣離子回收速度快,鈣離子緩沖更強并且肌漿網(wǎng)鈣儲量更大。這些差異中例如快速舒張時使肌漿網(wǎng)鈣泵更容易被受磷蛋白肽所抑制。而其他的差異如收縮期鈣瞬態(tài)主要是結(jié)構(gòu)性原因,因為小型動物的心房完全缺乏或僅有少量的不完善T型管網(wǎng)。然而,T型管在興奮- 收縮偶聯(lián)中發(fā)揮著重要作用,包括將動作電位傳遞到細胞內(nèi)部以及連接可興奮細胞膜與胞內(nèi)儲存鈣離子的肌漿網(wǎng),使兩者相鄰。肌漿網(wǎng)在高度特異性的聯(lián)接微區(qū)與T型管網(wǎng)相鄰。

心肌興奮- 收縮偶聯(lián)是由心肌細胞除極使肌膜上L型電壓門控鈣通道開放,鈣離子內(nèi)流激活蘭尼堿受體(RyR),并引起肌漿網(wǎng)鈣池鈣釋放。這種影響鈣觸發(fā)鈣釋放(CICR)過程可產(chǎn)生觸發(fā)活動或折返。最新研究表明,心房肌與心室肌鈣瞬態(tài)有明顯的差異,這種差異至少部分反映了心房肌與心室肌之間橫向T型管的結(jié)構(gòu)不同。雖然心房肌細胞的T型管網(wǎng)稀少的確切生理學(xué)意義還不完全清楚,但不同于心室肌細胞,心房肌細胞相對稀少和不規(guī)則分布的T型管可能對心房肌的興奮- 收縮偶聯(lián)起更微妙的作用,不論神經(jīng)激素受體存在與否。還有一些研究證實了心房肌細胞寬度與T型管表達之間的關(guān)系,據(jù)推測正常心房肌T型管的生理意義是促進收縮與舒張的同步。無論T型管和興奮- 收縮偶聯(lián)在心房肌收縮中的作用如何,如沒有T型管的細胞就會出現(xiàn)明顯的非同步鈣釋放。同時,心房肌內(nèi)T型管形成梯度也有可能與建立興奮- 收縮偶聯(lián)梯度有關(guān)。這種梯度在心力衰竭和房顫等病例狀態(tài)下由于T型管的進一步缺失而被放大。最初通過細胞培養(yǎng)或去T型管的方法來探究T型管缺失重塑對興奮- 收縮偶聯(lián)的影響,結(jié)果顯示T型管缺失都與細胞非同步鈣釋放相關(guān)。

四、心房肌T型管在心房顫動發(fā)生機制中的作用

心房肌細胞的興奮- 收縮偶聯(lián)異常在心房顫動(房顫)的發(fā)生機制中起十分重要的作用。從動物模型以及人心耳分離的心肌細胞實驗表明,鈣電流密度減小是房顫的一個特征。

最近有研究發(fā)現(xiàn)心力衰竭或房顫的心房肌存在同樣的T型管喪失。這種T型管喪失對收縮期的鈣瞬態(tài)影響很大,僅細胞周邊出現(xiàn)鈣瞬態(tài)。但大型動物的心房肌內(nèi)T型管增多,這可解釋大型動物比小型物種更易發(fā)生房顫。不管T型管的喪失是縮短還是延長心房肌的有效不應(yīng)期,T型管喪失均可引起T型管梯度的改變,這可能會影響心房復(fù)極,因而可能對房顫有重要的病理生理意義。

Frisk[4]的研究表明跨壁T型管梯度對心房肌有效不應(yīng)期的不同起著一定的作用。由于L- 型電壓門控鈣通道和Na+/Ca2+交換體都集中在T型管及其周圍,因此,T型管喪失可能會明顯影響細胞膜除極時的這兩種電流。事實上,Lenaerts的研究表明,羊房顫模型中,心房肌L型鈣電流的減弱與T型管喪失相關(guān)。除此,Louch[5]的研究表明低密度T型管的細胞,盡管存在小幅度的L- 型鈣電流,但動作電位時限明顯延長,可能是因為鉀電流(內(nèi)向整流鉀流[IK1]、超速外向電流[IKur]、快速激活的延遲整流鉀通道電流[IKr]、以及乙酰膽堿激活的內(nèi)向整流鉀通道電流[IKAch])減弱了。

缺失T型管的心室肌,盡管蘭尼堿受體沒發(fā)生改變,也會導(dǎo)致肌漿網(wǎng)鈣釋放不同步以及鈣瞬態(tài)幅度減弱。在長期房顫的心房肌內(nèi)也存在類似的機制。雖然心房的T型管系統(tǒng)稀疏,心房肌內(nèi)鈣離子沿長軸釋放與收縮軸線是明顯同步的,但在房顫中同步性卻顯著減弱。以前對心房肌鈣釋放同步性的研究表明,沿細胞短軸線掃描,鈣從肌膜到細胞中心的擴散速度緩慢,鈣瞬態(tài)曲線呈馬蹄形。但我們的研究顯示,短軸線上鈣瞬態(tài)曲線并不完全符合馬蹄形,這可能因為存在著T型管的交叉點,但是總的來說短軸線的鈣瞬態(tài)擴散速度要比長軸線慢的多,無論是對照組還是房顫組。房顫時心肌肌膜下鈣釋放減少,可能的機制是鈣通道數(shù)量或活性減弱,也或是由于鈉鈣交換增加導(dǎo)致使局部觸發(fā)性鈣離子減少。相反,慢性房顫時鈣離子在蘭尼堿受體之間的傳播速度未受影響。即使蘭尼堿受體的功能未受影響,但是心肌細胞增寬以及非偶聯(lián)蘭尼堿受體數(shù)量增加會延長鈣離子從肌漿網(wǎng)到細胞中心的傳播時間。慢性房顫細胞的鈣通道與蘭尼堿受體的偶聯(lián)減少,可能與T型管缺失和肌膜下偶聯(lián)效率降低,共同導(dǎo)致肌漿網(wǎng)釋放鈣離子減少。

T型管包含多種β腎上腺素通路的元素,通過β腎上腺素刺激和鈣釋放再同步化可阻止去除T型管產(chǎn)生的影響。β腎上腺素減弱動作電位時程變化可能與減弱鈣變化具有相似的機制。數(shù)學(xué)模型表明T型管缺失使鈣離子擴散出現(xiàn)空間異質(zhì)性,從而促進了鈣變化。心力衰竭時心房T型管幾乎完全缺失,對收縮期鈣瞬態(tài)的影響非常顯著,鈣瞬態(tài)僅出現(xiàn)在細胞周邊。而房顫時T型管缺失與雜亂程度比心力衰竭要輕。近期研究發(fā)現(xiàn)大型哺乳動物心房肌內(nèi)普遍存在T型管和以前小型動物心房內(nèi)缺乏T型管的研究都證明了T型管在房顫病理中的重要作用并且作為房顫的一種發(fā)生機制。大型哺乳動物可自發(fā)房顫,因為心房足夠大,有足夠的組織維持房顫的顫動轉(zhuǎn)子,也就是心房比顫動轉(zhuǎn)子波長大。相反,在缺乏T型管的小型動物,如小鼠,心房太小以至于不能維持房顫的顫動轉(zhuǎn)子。由于小鼠與綿羊心房肌T型管密度不同,而綿羊更易發(fā)生房顫則說明可能正是T型管使大型動物易發(fā)房顫。另一種觀點是大型動物心房肌較大,正如前面所述,心房的大小對房顫的顫動轉(zhuǎn)子的形成起著重要作用,心房肌越大,T型管密度也越大。心房T型管與重塑在不同疾病房顫病理機制有兩個獨立的作用。首先,T型管與T型管膜上的鈉鈣交換體通道可能會增加鈣離子依賴性遲后除極的發(fā)生,從而觸發(fā)房顫。其次,因為離子通道集中分布于T型管,在房顫發(fā)展中T型管的缺失,使心房的L型鈣流、動作電位時程、有效不應(yīng)期都縮短,從而促進了興奮波折返。由于房顫的顫動轉(zhuǎn)子波長縮短而使房顫持續(xù)。