ATP敏感性鉀離子通道與低氧性肺動(dòng)脈高壓關(guān)系的研究進(jìn)展

陳馬云，崔志敏，章琳，王良興，黃曉穎

（溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 呼吸內(nèi)科 溫州市呼吸循環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 溫州 325015）

·綜 述·

ATP敏感性鉀離子通道與低氧性肺動(dòng)脈高壓關(guān)系的研究進(jìn)展

陳馬云，崔志敏，章琳，王良興，黃曉穎

（溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 呼吸內(nèi)科 溫州市呼吸循環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 溫州 325015）

ATP敏感性鉀離子通道（KATP）是一種存在于細(xì)胞膜和線粒體膜上的內(nèi)向整流型鉀離子通道。該通道對(duì)低氧非常敏感，通過(guò)調(diào)節(jié)生物膜電位而參與生物體一系列生理和病理作用。目前對(duì)低氧性肺動(dòng)脈高壓（HPAH）的研究有較長(zhǎng)歷史，但其發(fā)病機(jī)制尚未完全清楚。近年研究表明，KATP與HPAH中肺血管收縮和肺血管結(jié)構(gòu)重塑關(guān)系密切，且研究結(jié)果存在一些爭(zhēng)議。本文就KATP與HPAH關(guān)系的研究現(xiàn)狀作一綜述，為今后進(jìn)一步深入研究通過(guò)KATP防治HPAH提供新思路。

ATP敏感性鉀離子通道；低氧；肺動(dòng)脈高壓；線粒體；綜述文獻(xiàn)

離子通道存在于生物體的生物膜上，參與細(xì)胞增殖、血壓調(diào)節(jié)、激素分泌、神經(jīng)元和肌細(xì)胞興奮等。1952年HODGKIN等[1]創(chuàng)新使用電壓鉗技術(shù)在槍烏賊巨神經(jīng)軸突上記錄到細(xì)胞膜電流和電導(dǎo)，并對(duì)其進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)Na+和K+的電流和電導(dǎo)與膜電位和時(shí)間存在函數(shù)關(guān)系，從而首次提出了離子通道的概念。隨后人類(lèi)對(duì)離子通道的研究從未間斷。鉀離子通道是離子通道中亞型最多、存在最廣泛、作用最復(fù)雜的一類(lèi)離子通道，在人體的多種生命活動(dòng)中起著非常重要的作用。在鉀離子通道60余年的研究發(fā)展史中，不同的研究方法（如電流特征、通道蛋白同源性等）使其分類(lèi)變得復(fù)雜且不統(tǒng)一。目前主流的分類(lèi)方法是依據(jù)該通道的構(gòu)象特征兼顧細(xì)胞生理學(xué)特點(diǎn)形成的。主要分為四大類(lèi)[2-4]：電壓門(mén)控型鉀離子通道（voltage-gated potassium channel，KV）、Ca2+激活型鉀離子通道（calcium activate potassium ion channel，KCa）、內(nèi)向整流型鉀離子通道（inward rectifier potassium ion channel，Kir）、串連孔域型鉀離子通道（tandem pore domain potassium ion channel，K2p）。本文闡述的ATP敏感性鉀離子通道（ATP-sensitive potassium ion channel，KATP）屬于Kir，在缺氧、缺血等病理狀態(tài)下，影響細(xì)胞功能而發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。

1 KATP概述

KATP在結(jié)構(gòu)上較KV簡(jiǎn)單，因缺乏S4跨膜區(qū)由氨基酸構(gòu)建的帶正電荷的膜電壓感受器，所以不受電壓門(mén)控，是一種非電壓依賴(lài)性配體門(mén)控通道。按其在生物膜上分布位置的不同，可分為細(xì)胞膜KATP（sarcolemmal KATP，sarc KATP）和線粒體KATP（mitochondrial KATP，mito KATP）。前者由NOMA等[5]于1983年利用膜片鉗技術(shù)研究豚鼠心室肌細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)，并首次記錄到一種外向電流，該電流可被細(xì)胞內(nèi)注射ATP所抑制，而AMP對(duì)此電流無(wú)影響，故將其命名為KATP。隨后人類(lèi)又在許多組織，包括血管、胰腺、骨骼肌等發(fā)現(xiàn)該通道。1991年，INOUE等[6]在大鼠肝細(xì)胞線粒體內(nèi)膜的膜片鉗單通道記錄中首次發(fā)現(xiàn)mito KATP。研究表明，KATP在不同的生物膜部位發(fā)揮不同的生理學(xué)、病理學(xué)效應(yīng)和功能。

2 KATP的結(jié)構(gòu)

目前，對(duì)sarc KATP結(jié)構(gòu)研究比較清楚。其是由Kir亞單位（Kir6.x）和調(diào)控性磺酰脲類(lèi)受體（sulfonylurea receptor，SUR）亞單位以4∶4比例組成的八聚體復(fù)合物，見(jiàn)圖1[7]。Kir亞單位是Kir超家族成員，形成KATP的K+通透孔道，決定K+擇性?xún)?nèi)向整流作用和單位導(dǎo)電系數(shù)[8]。SUR亞單位屬于ATP結(jié)合盒（ATP-bingding cassette，ABC）蛋白超家族，決定了KATP對(duì)核苷酸等的敏感性和藥理學(xué)特性[9-10]。KATP雖歸類(lèi)于Kir并包含有Kir亞基，但又不同于其他Kir。有研究發(fā)現(xiàn)，Kir6.x（Kir6.1或Kir6.2）單獨(dú)被不同程度表達(dá)時(shí)不具有活性，只有2個(gè)亞單位共表達(dá)才能表現(xiàn)出KATP功能性活性。功能性KATP的結(jié)構(gòu)模式包括上述的八聚體復(fù)合物、轉(zhuǎn)換亞單位（transducer unit，T）及其上磷酸化位點(diǎn)、ATP結(jié)合抑制亞單位（ATP-binding inhibi-tory unit，A）和二磷酸核苷結(jié)合位點(diǎn)（nucleoside diphosphate binding site，N）。mito KATP的分子結(jié)構(gòu)尚未清楚，最近的研究[11]顯示，其可能包含Kir 6.1亞單位或Kir 6.2亞單位和SUR2亞單位。

3 KATP的調(diào)控

3.1 內(nèi)源性物質(zhì)調(diào)控 決定KATP開(kāi)放情況的因素主要是ATP與ADP的濃度。ATP是該通道最強(qiáng)有效的內(nèi)源性阻斷劑，呈濃度依賴(lài)性，且其抑制作用與Mg2+無(wú)關(guān)。當(dāng)ATP與KATP上A結(jié)合時(shí)，發(fā)揮配基作用，KATP通道開(kāi)放受抑制而關(guān)閉。值得注意的是，ATP對(duì)KATP的調(diào)節(jié)具有雙向性。當(dāng)Mg2+存在時(shí)，關(guān)閉的通道由于ATP的作用使KATP上T磷酸化而開(kāi)放，即Mg2+-ATP為KATP的激活劑。ADP或其他二磷酸核苷（NDPs）是KATP的內(nèi)源性激動(dòng)劑。在Mg2+缺乏的情況下，ADP抑制KATP活性；當(dāng)Mg2+存在時(shí)，Mg2+-ADP刺激其活性。因此，ATP和ATP/ADP比值對(duì)KATP的活性調(diào)節(jié)至關(guān)重要[12-13]。

圖1 KATP的結(jié)構(gòu)

3.2 外源性藥物調(diào)控 格列本脲、格列吡嗪、甲苯磺丁脲等磺酰脲類(lèi)藥物（SUs）以及5-羥基葵酸鹽（5-hydroxydecanoate，5-HD）等為KATP外源性阻滯劑。SUs通過(guò)與SUR結(jié)合抑制KATP的開(kāi)放。5-HD為mito KATP特異性抑制劑。吡那地爾、克羅卡林、阿普卡林、二氮嗪、尼可地爾等為KATP外源性性激動(dòng)劑。其中二氮嗪、尼可地爾為mito KATP特異性激動(dòng)劑[14]，見(jiàn)表1。

表1 KATP的開(kāi)放劑與阻滯劑對(duì)sarc KATP或mito KATP的選擇性

4 KATP與低氧性肺動(dòng)脈高壓(hypoxic pulmonary artery hypertension，HPAH)的關(guān)系

4.1 HPAH機(jī)制研究概況 HPAH屬于肺動(dòng)脈高壓的第三大類(lèi)—低氧血癥相關(guān)性肺動(dòng)脈高壓，主要是由于慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）等疾病所致的慢性缺氧引起，其病程進(jìn)展快、病死率高，臨床上尚無(wú)理想的有效防治藥物。低氧所致的肺動(dòng)脈高壓機(jī)制十分復(fù)雜，目前研究認(rèn)為，其病因與低氧性肺血管收縮和肺血管結(jié)構(gòu)重塑有關(guān)，但肺血管結(jié)構(gòu)重塑的發(fā)生機(jī)制尚未闡明。肺動(dòng)脈的內(nèi)膜、中膜和外膜均參與了肺血管結(jié)構(gòu)重塑中復(fù)雜的病理生理過(guò)程。其中，中膜的肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞（pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs）異常增殖和凋亡抵抗在HPAH形成和發(fā)展過(guò)程中起關(guān)鍵性作用[15]。研究表明，PASMCs中至少分布3種以上鉀離子通道：KV、KCa2+和KATP[16]。其中，KATP與缺氧導(dǎo)致的ATP/ADP失衡等病理生理過(guò)程密切相關(guān)，而且由于其在細(xì)胞膜和線粒體內(nèi)膜上分布不同產(chǎn)生不同的調(diào)節(jié)作用，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

4.2 KATP與HPAH的關(guān)系 KATP對(duì)低氧非常敏感。當(dāng)組織或細(xì)胞低氧時(shí)，ATP與ADP比值發(fā)生改變而導(dǎo)致sarc KATP和mito KATP開(kāi)放。大量的研究資料表明，KATP與HPAH的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。

4.2.1 KATP開(kāi)放與HPAH的關(guān)系：Sarc KATP的開(kāi)放導(dǎo)致細(xì)胞膜發(fā)生超極化，使Ca2+內(nèi)流減少，可減輕低氧性肺血管收縮反應(yīng)。KATP作為一種應(yīng)激活化分子，其活化可調(diào)節(jié)機(jī)體對(duì)低氧的適應(yīng)性，啟發(fā)了研究人員使用KATP開(kāi)放劑治療HPAH的想法。陳磊等[17]報(bào)道經(jīng)典的KATP開(kāi)放劑吡那地爾可逆轉(zhuǎn)慢性低氧所致的肺動(dòng)脈高壓。此外，還有克羅卡林、阿普卡林等亦可降低大鼠低氧性肺動(dòng)脈高壓[18-19]。然而，與此相反，HU等[20]報(bào)道m(xù)ito KATP特異性開(kāi)放劑二氮嗪可抑制PASMCs凋亡，加劇低氧所致的肺血管結(jié)構(gòu)重建、肺動(dòng)脈高壓。其研究發(fā)現(xiàn)低氧或二氮嗪（mito KATP特異性開(kāi)放劑）所致的mito KATP開(kāi)放可抑制MPT，線粒體膜電位（Δψm）去極化，抑制細(xì)胞色素C從線粒體釋放至胞漿，從而抑制PASMCs凋亡。此外，ALBERICI等[21]研究也發(fā)現(xiàn)mito KATP的開(kāi)放使線粒體K+內(nèi)流，內(nèi)膜電位去極化，減少細(xì)胞色素C等促凋亡因子外溢，明顯抑制凋亡。

4.2.2 KATP阻滯與HPAH的關(guān)系：WANG等[22]研究發(fā)現(xiàn)mito KATP特異性抑制劑5-HD減輕低氧或二氮嗪誘導(dǎo)的人PASMCs增殖。李秋等[23]以大鼠為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)mito KATP特異性阻滯劑5-HD能逆轉(zhuǎn)低氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓。DONG等[24]通過(guò)活體動(dòng)物和原代PASMCs實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了5-HD是通過(guò)阻斷Δψm去極化，進(jìn)而防治低氧誘導(dǎo)的大鼠肺動(dòng)脈高壓。上述研究一致認(rèn)為阻滯mito KATP開(kāi)放可減輕HPAH。

4.2.3 阻滯或開(kāi)放KATP與HPAH相關(guān)研究結(jié)果矛盾的原因分析：我們可以發(fā)現(xiàn)在HPAH研究中，開(kāi)放KATP似乎非常矛盾。一方面，開(kāi)放KATP（使用KATP開(kāi)放劑吡那地爾、克羅卡林、阿普卡林等）可減輕低氧性肺血管收縮反應(yīng)、降低低氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓。另一方面，開(kāi)放KATP（使用二氮嗪）卻可引起PASMCs增殖、抑制凋亡，導(dǎo)致肺血管結(jié)構(gòu)重建。分析其原因可能如下：

①不同的KATP開(kāi)放劑靶向的部位不同或者同時(shí)靶向2個(gè)部位產(chǎn)生的總效應(yīng)不同。如吡那地爾、克羅卡林、阿普卡林等既可開(kāi)放sarc KATP又可開(kāi)放mito KATP，產(chǎn)生的總效應(yīng)是降低低氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓。如二氮嗪這種mito KATP相對(duì)特異性開(kāi)放劑可導(dǎo)致PASMCs凋亡抵抗、肺血管結(jié)構(gòu)重建。

②實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者在低氧造模方式、藥物的用量和注射方法上均有所不同。有研究[25]發(fā)現(xiàn)，二氮嗪可以對(duì)抗由低氧所致的大鼠肺動(dòng)脈高壓。也有研究[17]持相反的觀點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)二氮嗪能加重HPAH。對(duì)比2篇論著發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者在低氧造模方式、藥物的用量和注射方法上均有所不同；從藥物用量上分析前者用量為50 mg/kg·d，后者用量為1.5 mg/kg·d。有研究比較了sarc KATP與mito KATP的異同，結(jié)果發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞mito KATP對(duì)二氮嗪的敏感性是sarc KATP的2 000倍，這就是說(shuō)，當(dāng)一定劑量的二氮嗪在線粒體發(fā)揮心肌保護(hù)作用的同時(shí)，對(duì)sarc KATP并無(wú)效應(yīng)。這觀點(diǎn)呼應(yīng)了二氮嗪在肺循環(huán)中的矛盾現(xiàn)象。

③sarc KATP與mito KATP之間的開(kāi)放或抑制可能起著完全相反的作用。二氮嗪作為相對(duì)特異性mito KATP開(kāi)放劑可能由于干預(yù)濃度的不同起著完全相反的作用，高濃度的二氮嗪可能激活了sarc KATP而發(fā)揮相反的生物學(xué)效應(yīng)。吡那地爾等非特異性KATP開(kāi)放劑總的藥物效應(yīng)偏向于對(duì)sarc KATP的開(kāi)放作用。這些研究均停留在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物層面。但是，2015年7月美國(guó)食品藥品管理局發(fā)布藥物安全公告，應(yīng)用二氮嗪會(huì)增加低血糖的新生兒和嬰兒肺動(dòng)脈高壓風(fēng)險(xiǎn)[26]，因此協(xié)調(diào)sarc KATP與mito KATP之間的開(kāi)放或抑制至關(guān)重要。理想的治療HPAH藥物應(yīng)既減輕低氧性肺血管收縮又能逆轉(zhuǎn)肺血管結(jié)構(gòu)重建。MCC-134作為一種sarc KATP開(kāi)放劑同時(shí)又是mito KATP阻滯劑，在肺動(dòng)脈高壓防治策略中可能是一個(gè)有研究?jī)r(jià)值的治療藥物[27]。

5 小結(jié)與展望

mito KATP和sarc KATP的功能及其機(jī)制還有待進(jìn)一步研究，協(xié)調(diào)他們之間的開(kāi)放或抑制至關(guān)重要。最近，本課題組在研究中藥紅景天提取物藥理作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)其通過(guò)線粒體凋亡途徑減輕低氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓[28]，并發(fā)現(xiàn)凋亡程序的啟動(dòng)和藥物激活mito KATP有關(guān)。KATP發(fā)現(xiàn)已30余年，其在HPAH中扮演了雙重角色。在今后的研究中，針對(duì)sarc KATP與mito KATP開(kāi)發(fā)更具特異的開(kāi)放劑和阻滯劑，以及如何擴(kuò)大sarc KATP激活并增強(qiáng)mito KATP阻滯引起的協(xié)同作用，是非常值得關(guān)注的研究方面。隨著藥物開(kāi)發(fā)和機(jī)理研究的不斷深入，相信在不久的將來(lái)，KATP將可能成為HPAH治療中的一個(gè)新突破點(diǎn)。

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R541.2

A

10.3969/j.issn.2095-9400.2017.11.018

2016-07-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81473406）；浙江省衛(wèi)生廳平臺(tái)計(jì)劃研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2012ZDA033）；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（LQ16H010003）；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016R413076）。

陳馬云（1990-），男，浙江溫州人，住院醫(yī)師，博士。通信作者：黃曉穎，主任醫(yī)師，教授，Email：zjwzhxy@126.com。

趙翠翠）