鈣激活鉀通道與心力衰竭關(guān)系的研究進(jìn)展

干鵬程，毛威

（浙江中醫(yī)藥大學(xué)，浙江 杭州 310053）

心力衰竭是各種心臟疾病發(fā)展的終末階段，發(fā)病率高，是目前世界上最重要的心血管疾病之一[1]。心力衰竭中心臟收縮或舒張功能障礙可引起機(jī)體組織灌注不足及靜脈系統(tǒng)淤血，其病理生理改變主要是心室重構(gòu)，表現(xiàn)為心肌細(xì)胞肥大、凋亡及心肌間質(zhì)纖維化等。雖然對(duì)心力衰竭的發(fā)病機(jī)制和治療研究已取得一定進(jìn)展，但其預(yù)后依然不佳。近年來，鉀離子通道的研究得到很多關(guān)注。鉀離子通道可分為延遲整流鉀通道、瞬時(shí)鉀通道、鈣激活鉀通道、內(nèi)向整流鉀通道及ATP敏感性鉀通道等。鈣激活鉀通道相對(duì)于其他幾種鉀通道對(duì)心血管疾病尤其對(duì)心力衰竭被越來越廣范地認(rèn)識(shí)。目前的研究表明，心力衰竭的發(fā)生和發(fā)展與鈣激活鉀通道改變密切相關(guān)，鈣激活鉀通道表達(dá)異常，可通過各種機(jī)制加重心室重構(gòu)從而導(dǎo)致心力衰竭。鈣激活鉀通道是一種受細(xì)胞膜去極化和細(xì)胞內(nèi)鈣離子增高而活化的離子通道，按其電導(dǎo)特性可分為大電導(dǎo)鈣激活鉀通道 （Large conductance Ca2+-activated K+channel，BKCa）、中電導(dǎo)鈣激活鉀通道 （Intermediate conductance Ca2+-activated K+channel，IKCa）、小電導(dǎo)鈣激活鉀通道 （Small conductance Ca2+-activated K+channel，SKCa）。本文將分別闡述三種鈣激活鉀通道的基本結(jié)構(gòu)以及對(duì)心力衰竭的影響。

1 三種鈣激活鉀通道的基本結(jié)構(gòu)以及對(duì)心力衰竭的影響

1.1 大電導(dǎo)鈣激活鉀通道與心力衰竭

1.1.1 BKCa的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) BKCa是1981年

在牛嗜鉻細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)的，BKCa又稱“KCa1.1”，是由α亞單位和β亞單位組成的四聚體結(jié)構(gòu)。α亞基是一個(gè)7次跨膜蛋白，N端在細(xì)胞外，C端在細(xì)胞內(nèi)，由KCNMA1基因編碼。α亞基的跨膜蛋白有7個(gè)跨膜區(qū)域（S0～S6），以及位于細(xì)胞內(nèi)與羧基端相連的 4個(gè)疏水性片段（S7～S10）。S1～S4形成電壓感受區(qū)，S5～S6形成孔道，S7～S10組成了鈣離子敏感區(qū)域，能夠調(diào)節(jié)通道的鈣離子依從性。β亞基（KCNMB1-4）有4個(gè)不同的基因編碼，每個(gè)β亞基形成BKCa通道不同的門控特性。BKCa主要特點(diǎn)為對(duì)K+離子的導(dǎo)電作用強(qiáng)，對(duì)Ca2+敏感性高，電壓依賴性強(qiáng)[2]。BKCa表達(dá)于多種細(xì)胞類型，如神經(jīng)元、血管和子宮肌層平滑肌和分泌細(xì)胞。在正常生理狀態(tài)下，BKCa對(duì)人體大部分細(xì)胞都能起重要的調(diào)節(jié)作用，表現(xiàn)出明顯的生物物理、藥理和功能特征。相關(guān)研究表明，BKCa在心血管系統(tǒng)中發(fā)揮著積極的調(diào)節(jié)作用[3]。

1.1.2 BKCa對(duì)心力衰竭的影響 Wang等[4]分別在慢性心力衰竭組及非心力衰竭組大鼠的下丘腦室旁核慢性灌注BKCa抑制劑IBTX，發(fā)現(xiàn)兩組大鼠交感驅(qū)動(dòng)指標(biāo)明顯升高，心力衰竭組的大鼠的交感驅(qū)動(dòng)指標(biāo)均高于非心力衰竭組。通過熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）檢測(cè)大鼠下丘腦室旁核BKCa基因的表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)心力衰竭組大鼠下丘腦室旁核內(nèi)BKCa表達(dá)量明顯低于非心力衰竭組。此外，敲減BKCa基因KCNMB4的大鼠交感指標(biāo)比未敲減的大鼠更高，提示BKCa表達(dá)下調(diào)可以引起交感神經(jīng)激活，且心力衰竭可導(dǎo)致大鼠下丘腦室旁核BKCa表達(dá)的下調(diào)和功能鈍化，通過增強(qiáng)交感神經(jīng)興奮性，進(jìn)一步激活RAAS系統(tǒng)加重心力衰竭。He等[5]通過體外培養(yǎng)人心肌成纖維細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)使用特定的阻滯劑抑制BKCa后，心肌成纖維細(xì)胞在不同細(xì)胞周期中數(shù)量發(fā)生變化，在G0/G1期增多，S期細(xì)胞數(shù)量減少，并且伴隨著cyclin D1和cyclin E表達(dá)的降低，提示BKCa可通過調(diào)節(jié)cyclin D1和cyclin E的表達(dá)促進(jìn)心肌成纖維細(xì)胞周期進(jìn)展，參與了心肌成纖維細(xì)胞增殖的調(diào)控，而心臟成纖維細(xì)胞的增殖和膠原合成是心臟纖維化的主要病理基礎(chǔ)，并可進(jìn)一步導(dǎo)致心室重構(gòu)引起心力衰竭。此外，BKCa介導(dǎo)的心肌保護(hù)作用能夠防止心衰的發(fā)展。已有多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，BKCa的開放可以減少心肌細(xì)胞的缺血再灌注損傷[3]。在心肌缺血再灌注時(shí)，BKCa可通過抑制線粒體內(nèi)鈣離子超載[6]、減少心肌細(xì)胞線粒體缺氧后活性氧的增加[7]以及增加線粒體的呼吸作用[8]等方式來減少線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔（mPTP）的開放，從而減少大量凋亡因子的釋放，抑制心肌細(xì)胞凋亡或壞死[9]。BKCa除了通過線粒體機(jī)制保護(hù)心肌外，還可通過增加冠脈血流及較少心肌梗死面積等非線粒體活性氧調(diào)節(jié)機(jī)制介導(dǎo)心肌保護(hù)作用[10]。既往研究報(bào)道，BKCa的激活可減少血管平滑肌細(xì)胞電壓依賴的鈣離子通道的活性和鈣離子內(nèi)流，從而降低血管收縮。有多種途徑例如血管緊張素Ⅱ（AngII）刺激血管緊張素受體2（AT2），多巴胺刺激多巴胺受體1（DAl）以及緩激肽的作用均可激活血管平滑肌細(xì)胞膜上的BKCa，使血管平滑肌肌細(xì)胞膜復(fù)極化增強(qiáng)，從而促進(jìn)血管擴(kuò)張[11]，并且還發(fā)現(xiàn)，通過激活BKCa也能使血栓素等一些特殊信號(hào)誘導(dǎo)的血管收縮作用減弱[12]。目前已有多項(xiàng)研究表明，BKCa的通道激活可以擴(kuò)張冠狀動(dòng)脈，增加對(duì)心肌的血流灌注，減輕心肌梗死后的心臟癥狀[13-15]。

1.2 中電導(dǎo)鈣激活鉀通道與心力衰竭

1.2.1 IKCa的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) IKCa又稱“KCa3.1”或“SK4”，其編碼基因KCNN4是在1997年首次從人胰腺組織中克隆出來[16]。IKCa由4個(gè)α亞基和6個(gè)跨膜片段（S1～S6）組成，其N端和C端均位于胞內(nèi)，IKCa對(duì)胞內(nèi)Ca2+高度敏感，C端連著鈣調(diào)蛋白，是該通道對(duì)鈣敏感性調(diào)節(jié)的重要結(jié)構(gòu)。IKCa廣泛表達(dá)于哺乳動(dòng)物的各個(gè)器官組織，由細(xì)胞內(nèi)Ca2+激活，使K+外流，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鈣信號(hào)和細(xì)胞膜電位，參與細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)以及細(xì)胞的增殖、遷移等[17]。

1.2.2 IKCa對(duì)心力衰竭的影響 眾所周知，AngII對(duì)心力衰竭的發(fā)生發(fā)展有著不可小覷的作用。AngII可刺激多種細(xì)胞因子及炎癥因子，通過激活多種細(xì)胞信號(hào)通路、誘導(dǎo)細(xì)胞活性氧增多等方式引起心肌細(xì)胞肥大、纖維化以及凋亡，從而發(fā)生心力衰竭。Zhao等[18]發(fā)現(xiàn)，使用IKCa阻滯劑TRAM-34可以緩解壓力過載大鼠炎癥改變引起的心肌纖維化，并且TRAM-34對(duì)炎癥細(xì)胞因子的作用不僅與AngII水平降低的繼發(fā)效應(yīng)有關(guān)，還與直接抑制炎癥細(xì)胞有關(guān)，提示IKCa在AngII通過炎癥改變引起心肌纖維化的過程中有重要作用。另有證據(jù)表明，AngII結(jié)合血管緊張素受體 （AT1R）時(shí)，通過ERK1/2、p38-MAPK和PI3K/Akt信號(hào)通路激活A(yù)P-1復(fù)合體，從而上調(diào)IKCa，促使大鼠心肌成纖維細(xì)胞增殖。王麗萍等[19]通過實(shí)驗(yàn)說明氧化應(yīng)激可能通過誘導(dǎo)IKCa的表達(dá)從而影響心肌纖維化。在原代培養(yǎng)雄性AGT-REN雙轉(zhuǎn)基因高血壓小鼠的心肌成纖維細(xì)胞上試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著小鼠年齡的增長(zhǎng)，心肌成纖維細(xì)胞活性氧（ROS）逐漸增多，而在使用ROS清除劑N-乙酰半胱氨酸 （NAC）后，小鼠心肌成纖維細(xì)胞上PI3K/Akt信號(hào)通路磷酸化水平、IKCa通道蛋白表達(dá)及膠原合成均明顯降低。如前所述，PI3K/Akt等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活可以誘導(dǎo)IKCa通道蛋白活性及表達(dá)上調(diào)，從而推測(cè)IKCa表達(dá)增強(qiáng)在AngⅡ誘導(dǎo)的ROS增多引起的心肌纖維化過程中也有重要的作用。另外，Ju等[20]通過測(cè)試IKCa在新生小鼠AngII刺激心肌成纖維細(xì)胞中的作用中發(fā)現(xiàn)，IKCa的阻斷可通過AKT、ERK1/2信號(hào)通路抑制心肌梗死后成纖維細(xì)胞增殖、分化和原纖維基因的表達(dá)，從而減輕心室重構(gòu)，減緩心衰的進(jìn)一步發(fā)展。

1.3 小電導(dǎo)鈣激活鉀通道與心力衰竭

1.3.1 SKCa的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 1986年Blatz和Megleby等[21]在體外培養(yǎng)的大鼠骨骼肌中發(fā)現(xiàn)無神經(jīng)支配的骨骼肌的后超極化點(diǎn)位是由電導(dǎo)較小的鈣激活鉀通道介導(dǎo)，并將這種通道命名為小電導(dǎo)鈣激活鉀通道 （SKCa），SK通道由3個(gè)基因編碼，分別為 SK1、SK2、SK3（KCNNl、KCNN2、KCNN3）。 其基因產(chǎn)物在腦組織、周圍神經(jīng)系統(tǒng)、平滑肌、骨骼肌、心肌細(xì)胞均有表達(dá)。SKCa主要由4個(gè)α亞基和與之相連的4個(gè)鈣調(diào)蛋白（CaM）亞基組成的四聚體結(jié)構(gòu)構(gòu)成。SKCa結(jié)構(gòu)上的S4區(qū)僅有2個(gè)正電荷氨基酸殘基，因此導(dǎo)致其對(duì)膜電位的變化相對(duì)不敏感。已有多項(xiàng)證據(jù)表明，SKCa通道的異常與房顫、室顫等心律失常有一定關(guān)系[22]，而近期的研究表明，SKCa與心力衰竭也存在相關(guān)性。

1.3.2 SKCa對(duì)心力衰竭的影響 SKCa表達(dá)下降時(shí)可以參與心力衰竭的形成，有研究發(fā)現(xiàn)，心力衰竭時(shí)大鼠的下丘腦神經(jīng)分泌細(xì)胞（MNCs）興奮性增加與SKCa通道的表達(dá)減少有關(guān)。SKCa表達(dá)障礙使下丘腦神經(jīng)分泌細(xì)胞膜的后極化作用減弱，從而增加其興奮性，并能釋放大量血管升壓素，進(jìn)一步導(dǎo)致神經(jīng)體液調(diào)節(jié)失衡，對(duì)心力衰竭的發(fā)生發(fā)展起到了一定作用[23]。李曉燕等[24]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，心衰大鼠中SK2明顯減少；并且通過在大鼠下丘腦室旁核注射SK2腺病毒使SKCa過表達(dá)處理后，大鼠的腎交感神經(jīng)興奮性出現(xiàn)明顯降低，推測(cè)下丘腦室旁核SK通道蛋白在心衰狀態(tài)下表達(dá)降低可使SK2通道介導(dǎo)的中樞負(fù)性交感調(diào)節(jié)通路降低，從而增加了腎交感神經(jīng)的興奮性，激活腎素血管緊張素系統(tǒng)影響心衰的進(jìn)展。另有研究表明，SKCa能通過改變心肌線粒體的能量代謝起到保護(hù)損傷心肌的作用，通過使用SKCa通道激活劑改善心肌缺血再灌注時(shí)的細(xì)胞代謝及功能，啟動(dòng)心臟藥物預(yù)處理作用，從而降低細(xì)胞氧化還原狀態(tài)，減少氧自由基的產(chǎn)生，減少心肌損傷，降低心力衰竭的發(fā)生[25]。

2 心力衰竭對(duì)鈣激活鉀通道的影響

鈣激活鉀通道表達(dá)的異?？捎绊懶牧λソ叩陌l(fā)生和發(fā)展，反之，心力衰竭同樣可以作用于鈣激活鉀通道引起其結(jié)構(gòu)的改變或表達(dá)異常。Wan等[26]發(fā)現(xiàn)，收縮性心力衰竭的小鼠腸系膜動(dòng)脈血管收縮性會(huì)發(fā)生改變，推測(cè)其可能為在心衰時(shí)腸系膜血管平滑肌細(xì)胞膜上的BKCa通道上的α及β1亞單位表達(dá)減少導(dǎo)致；Idres等[27]發(fā)現(xiàn)，心力衰竭時(shí)大鼠冠狀動(dòng)脈上的BKCa對(duì)3型和4型磷酸二酯酶（PDE3，PDE4）抑制作用出現(xiàn)降低，從而使冠狀動(dòng)脈的舒張能力減弱。但心力衰竭引起B(yǎng)KCa表達(dá)變化的具體機(jī)制尚不完全明確。此外，心力衰竭時(shí)心室肌細(xì)胞膜上的SK2表達(dá)增加，推測(cè)其機(jī)制可能為心衰時(shí)Jnctophilin 2（JP2）表達(dá)減少，導(dǎo)致細(xì)胞膜鈣通道與肌質(zhì)網(wǎng)鈣釋放通道“脫耦聯(lián)”，使細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度改變引起鈣調(diào)蛋白、蛋白激酶或蛋白磷酸化酶的改變，而這些物質(zhì)均可以調(diào)節(jié)SK2通道的功能和表達(dá)，從而引起心肌SK2通道表達(dá)量的變化[28]。Yang等[29]在構(gòu)建大鼠的容量負(fù)荷性心衰模型中發(fā)現(xiàn)，大鼠心肌的蛋白磷酸酯酶2A（PP2A）與酪蛋白激酶2（CK2）的失衡可以影響SK2通道的功能。

BKCa的電導(dǎo)特性最強(qiáng)，可由鈣離子和膜電壓激活，IKCa和SKCa的激活和失活主要是鈣離子結(jié)合或釋放的結(jié)果[22]。三種鈣激活鉀通在結(jié)構(gòu)、功能及作用機(jī)制均有所不同，對(duì)心力衰竭的發(fā)生發(fā)展均具有不可忽略的作用，然而其機(jī)制復(fù)雜，涉及的內(nèi)容廣泛，還有很多問題有待探討。例如，腎素血管緊張素醛固酮系統(tǒng)（RAAS）對(duì)心衰的發(fā)展有明確的意義，而RAAS同樣對(duì)BKCa具有調(diào)節(jié)作用。RAAS激活時(shí)，腎素能夠上調(diào)BKCa的表達(dá)，而AngII與AT1R結(jié)合后對(duì)BKCa反而有抑制作用，此外，醛固酮不僅能作用于腎臟上皮鈉離子通道及鈉鉀離子泵，還能調(diào)控BKCa在內(nèi)的多種鉀離子通道[30]。那么，RAAS在引起心力衰竭的過程中，BKCa的變化是否起到了作用也有待進(jìn)一步探討。Thompson等[31]發(fā)現(xiàn)，在唾液腺腺泡細(xì)胞中的IKCa的激活可以通過阻斷細(xì)胞質(zhì)孔的方式抑制BKCa，而在心力衰竭的發(fā)展過程中，三種鈣激活鉀通道是否會(huì)相互協(xié)同或抑制進(jìn)而影響心衰進(jìn)程，目前未見報(bào)道。

有關(guān)鈣激活鉀通道的藥物目前已有許多研究成果，例如，川芎嗪[32]能直接激活豬的冠狀動(dòng)脈平滑肌BKCa通道，從而擴(kuò)張冠狀動(dòng)脈；John等[33]發(fā)現(xiàn)，SKCa的一種激活劑SKA-31可降低阻力血管的肌張力，起到抗高血壓和改善動(dòng)脈粥樣硬化等重要作用。但是基于目前的研究，與心力衰竭明確相關(guān)的鈣激活鉀通道的靶點(diǎn)藥物仍未見報(bào)道。

3 展望

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和對(duì)離子通道的深入研究，越來越多的疾病與離子通道的相關(guān)性被逐漸證實(shí)。鈣激活鉀通道在心血管方面的研究已經(jīng)取得部分進(jìn)展，而與心力衰竭相關(guān)的研究目前仍比較少。鈣激活鉀通道對(duì)心力衰竭的影響，心力衰竭時(shí)鈣激活鉀通道的具體變化和相關(guān)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。期待鈣激活鉀通道的研究能夠進(jìn)一步闡述心力衰竭的發(fā)生和發(fā)展機(jī)制，并以此為靶點(diǎn)研發(fā)出治療心力衰竭的新型藥物。