鈉氫交換蛋白1及其抑制劑的研究進(jìn)展

馬嘉琪 陳章煒 錢菊英

鈉氫交換蛋白[sodium hydrogen exchange protein(Na+/H+exchanger)，NHE]是一種離子轉(zhuǎn)運蛋白。1976年，Murer等[1]首次報道了存在于大鼠小腸和腎臟微絨毛結(jié)構(gòu)中的NHE。至此，已發(fā)現(xiàn)10種NHE異構(gòu)體，即NHE-1至10[2-3]。其中，NHE-1主要分布于心肌細(xì)胞膜上，NHE-2至4主要分布于腎臟及胃腸道細(xì)胞膜，NHE-5分布于大腦細(xì)胞膜，NHE-10分布于破骨細(xì)胞膜[3]，而不同于前幾種異構(gòu)體，NHE-6至9則主要分布于胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)[4]。

NHE-1可通過使心肌細(xì)胞外鈉離子與細(xì)胞內(nèi)氫離子1∶1交換，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)pH值，維持細(xì)胞容積，同時在心肌細(xì)胞生長等過程中也發(fā)揮著重要作用[4-5]。研究已證實，NHE-1 在多種心血管疾病中，尤其是心力衰竭、心肌肥厚、冠心病等的發(fā)生、發(fā)展中起著重要作用。本文將就NHE-1的蛋白結(jié)構(gòu)、生物學(xué)功能及其在心血管疾病中的變化及病理生理學(xué)機制做一綜述。

1 NHE-1的結(jié)構(gòu)及功能

NHE-1蛋白分子量為90 000，糖基化后分子量為110 000，由815個氨基酸組成[6]。其包含兩個功能結(jié)構(gòu)域：一部分為-NH2端(N-端)，是由500個氨基酸組成的12次跨膜結(jié)構(gòu)，主要發(fā)揮跨膜離子轉(zhuǎn)運功能，是介導(dǎo)一個胞外Na+與一個胞內(nèi)H+互相交換的充分必要結(jié)構(gòu)；另一部分是-COOH 端(C-端)，是由315個氨基酸組成的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)，為胞漿內(nèi)通過蛋白激酶誘導(dǎo)的磷酸化等方式進(jìn)行功能調(diào)節(jié)的區(qū)域[7]。

NHE-1蛋白的活性受多種胞內(nèi)外因素的影響而改變，各種結(jié)合蛋白或生物活性物質(zhì)與胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域結(jié)合以激活或抑制NHE-1的功能。NHE-1的C-端含有細(xì)胞內(nèi)質(zhì)子調(diào)節(jié)位點[8]、絲氨酸/蘇氨酸的磷酸化/脫磷酸化位點以及多個NHE相關(guān)功能蛋白結(jié)合位點?，F(xiàn)有研究證實，鈣離子結(jié)合蛋白、蛋白激酶、磷酸酶及一些細(xì)胞骨架蛋白均可與NHE-1胞內(nèi)結(jié)構(gòu)特定結(jié)合位點相互作用[9-13]。

2 NHE-1的生理學(xué)及病理生理學(xué)作用

Grinstein等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)胞遭受某些刺激因素后，細(xì)胞內(nèi)pH值一旦下降，便可激活NHE-1，使其發(fā)揮Na+/H+交換作用，從而使細(xì)胞內(nèi)pH值盡快恢復(fù)正常，在糾正了細(xì)胞內(nèi)酸中毒的同時提高了Na+水平。由此，證實了NHE-1主要在pH值變化時發(fā)揮作用[14-15]。而在缺血缺氧時，細(xì)胞產(chǎn)生ATP不足，不能通過正常的Na+/K+交換將NHE-1轉(zhuǎn)移入胞內(nèi)的Na+轉(zhuǎn)移至胞外，細(xì)胞內(nèi)Na+水平顯著升高。這可進(jìn)一步激活Na+/Ca2+反向轉(zhuǎn)運，使細(xì)胞外Ca2+大量轉(zhuǎn)移至細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載[16-18]。眾所周知，Ca2+超載是眾多細(xì)胞病理過程的啟動因素，通過激活絲裂原活化蛋白激酶家族等細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，導(dǎo)致細(xì)胞損傷、肥大、凋亡、腫脹和纖維化以及氧自由基大量產(chǎn)生等病理生理過程的發(fā)生。

此外，NHE的激活還與細(xì)胞增殖、分化、細(xì)胞骨架形成和細(xì)胞遷移有關(guān)。NHE突變的細(xì)胞在通過G2-M檢查點時顯著延緩，進(jìn)而導(dǎo)致增殖能力下降[19]。另有研究發(fā)現(xiàn)，抑制NHE-1可影響P19細(xì)胞的分化[20]。NHE-1基因敲除小鼠雖可成活，但其生長及生存率均明顯低于野生型[21]。在腫瘤細(xì)胞中，NHE-1還可調(diào)控細(xì)胞的遷移及上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化[22]。

3 NHE-1與心血管疾病

3.1 NHE-1與心肌缺血再灌注損傷

研究表明，NHE-1在心肌缺血再灌注損傷中發(fā)揮著重要作用。正如前文所述，NHE-1與胞內(nèi)pH值的穩(wěn)定密切相關(guān)。在正常的生理狀態(tài)下，胞內(nèi)pH值正常，NHE-1活性很弱。而當(dāng)心肌缺血缺氧時，心肌細(xì)胞內(nèi)無氧糖酵解增多，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)H+明顯增多，繼而激活NHE-1，促進(jìn)H+/Na+交換，使細(xì)胞內(nèi)Na+水平顯著升高[23]。當(dāng)心肌細(xì)胞恢復(fù)供血供氧后，細(xì)胞外pH值恢復(fù)，加之缺血期細(xì)胞產(chǎn)生的各種活性物質(zhì)的激活作用，NHE-1活性迅速增加，使得更多的Na+大量涌入細(xì)胞內(nèi)。此時，細(xì)胞內(nèi)高濃度的Na+將使鈉鈣交換蛋白進(jìn)行反向運輸，Na+轉(zhuǎn)移至胞外，Ca2+轉(zhuǎn)移至胞內(nèi)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載進(jìn)而造成心肌細(xì)胞損傷[16-17]。因此，心肌缺血再灌注損傷并不是NHE-1直接作用的結(jié)果，而是其導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)鈣超載造成的[24]。在多種缺血再灌注動物模型中均已證實，NHE-1抑制劑具有保護(hù)作用[25-27]。此外，NHE-1也參與了缺血預(yù)適應(yīng)對心肌細(xì)胞的保護(hù)作用[28]，這也反證了NHE-1在缺血再灌注損傷中的重要促進(jìn)作用。

3.2 NHE-1與心肌肥厚和心力衰竭

NHE活性提高也可直接造成心肌肥大和心力衰竭。NHE-1的活性不僅受細(xì)胞內(nèi)pH值調(diào)控，同時也受各種激素、旁分泌和自分泌細(xì)胞因子以及機械牽拉作用的調(diào)控。α受體激動劑、血管緊張素Ⅱ和內(nèi)皮素1這些可明確導(dǎo)致心肌肥厚的因子均可調(diào)控NHE-1活性[29-31]。這提示了NHE-1在心肌肥厚過程中的調(diào)控、促進(jìn)作用。轉(zhuǎn)基因過表達(dá)NHE-1的小鼠表現(xiàn)出了明顯的心肌肥大和心力衰竭[17]，深入研究其機制發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)基因小鼠的心肌細(xì)胞中，Na+和Ca2+均較野生型升高，而轉(zhuǎn)基因小鼠的心肌收縮力也隨之下降。在原代心肌細(xì)胞中過表達(dá)NHE-1，可發(fā)現(xiàn)活化T細(xì)胞核因子(nuclear factor of activated T cell，NFAT)的核內(nèi)轉(zhuǎn)移。另有研究在NHE-1轉(zhuǎn)基因小鼠中發(fā)現(xiàn)，眾多與NFAT相關(guān)的microRNA存在表達(dá)差異[32]，一定程度上表明了NHE-1可通過調(diào)控NFAT促進(jìn)細(xì)胞肥大。在多個心肌梗死、轉(zhuǎn)基因和心肌肥厚動物模型研究中，NHE-1抑制劑均可改善心肌肥大和心臟功能[33-35]，更加驗證了NHE-1與心肌肥厚和心力衰竭密不可分。

4 NHE-1抑制劑的基礎(chǔ)研究

基于NHE-1在各種心血管疾病中的促進(jìn)作用，那么NHE-1抑制劑是否可以發(fā)揮保護(hù)作用呢？Amiloride是第1個被發(fā)現(xiàn)的NHE抑制劑，其原本是一個保鉀利尿劑，后被發(fā)現(xiàn)具有抑制NHE-1的作用，不僅可抑制鈉通道，還可抑制鈉鈣交換蛋白。研究顯示，Amiloride可有效提高大鼠缺血再灌注心肌的心室修復(fù)，減少肌酶釋放[36]。但是，Amiloride為非選擇性NHE-1抑制劑，后續(xù)通過調(diào)整Amiloride的分子結(jié)構(gòu)得到了新的NHE抑制劑，如HOE-694、Cariporide和Eniporide等，均為苯甲酰胍類藥物，可與NHE跨膜區(qū)(M4和M9為最重要的結(jié)合區(qū)域)結(jié)合，改變NHE構(gòu)型，從而發(fā)揮抑制作用。該類藥物沒有抑制鈉鈣交換蛋白和鈉離子通道的作用，因此特異性更強、不良反應(yīng)更少。其中，Cariporide和Eniporide對NHE-1的選擇性較好[37]。

一系列有關(guān)NHE-1抑制劑的動物實驗研究已在心臟疾病方面有了重大發(fā)現(xiàn)。在狗心肌缺血再灌注模型中，結(jié)扎前降支前15 min給予Eniporide可明顯減少心肌梗死面積[26]。而Zoniporide同樣可減少兔心肌缺血再灌注后的梗死面積，且其保護(hù)作用較Eniporide和Cariporide更好[27]。在同一模型中，分別于缺血前及再灌注前給予BIIB-513，也得到了同樣的結(jié)果，同時也減少了心律失常發(fā)生率[38]。在大鼠心肌缺血再灌注模型中，單獨使用5 μM Cariporide可顯著延長竇性心律時間，減少缺血再灌注所造成的心律失常[39]。一項有關(guān)保存供體心臟的研究表明，在停搏液中加入Cariporide可減少心臟復(fù)跳后心肌細(xì)胞的壞死和凋亡[40]。而在豬模型中，合用NHE抑制劑和碳酸氫鈉可減少窒息引起的心臟驟停[41]。

5 NHE-1抑制劑的臨床試驗

針對NHE-1特異性抑制劑——Cariporide和Eniporide，已有多個中心進(jìn)行了規(guī)模不等的臨床研究，然而結(jié)果并不盡如人意(表1)。總體來說，NHE-1在臨床應(yīng)用上并未顯示出如動物實驗中的良好效果，同時其嚴(yán)重的不良反應(yīng)也不容忽視[42]。

表1 NHE-1抑制劑的臨床研究匯總

注：NA：不適用；PTCA：經(jīng)皮冠狀動脈腔內(nèi)血管成形術(shù)；UA：不穩(wěn)定型心絞痛；NSTEMI：非ST段抬高型心肌梗死；PCI：經(jīng)皮冠狀動脈介入治療；CABG：冠狀動脈旁路移植術(shù)

5.1 Rupprecht等的研究

Rupprecht等[43]進(jìn)行的一項小規(guī)模、多中心、隨機、對照的臨床研究，納入了100例ST段抬高型心肌梗死接受直接冠狀動脈成形術(shù)的患者。于再灌注治療前，51例患者使用安慰劑，49例患者接受40 mg Cariporide靜脈彈丸式注射。分別于術(shù)前及術(shù)后21 d評估心室功能和心肌受損程度。結(jié)果顯示，Cariporide組患者的心臟射血分?jǐn)?shù)較高(50% 比 40%，P<0.05)，左室收縮末容積較小(69.0 ml 比 97.0 ml，P<0.05)，心肌的運動障礙區(qū)域及心肌酶譜升高程度也均明顯小于安慰劑組。

5.2 ESCAMI研究[44]

雖然前述研究證實了在再灌注前給予NHE-1抑制劑可減少心肌梗死面積，但在接下來的大規(guī)模臨床試驗——ESCAMI(Evaluation of the Safety and Cardioprotective effects of eniporide in Acute Myocardial Infarction)研究中，卻得到了與之不同的結(jié)果。

ESCAMI研究納入癥狀持續(xù)大于30 min的急性ST段抬高型心肌梗死患者，且均于發(fā)病6 h以內(nèi)給予了再灌注治療(溶栓或冠狀動脈成形術(shù))。研究分為兩個階段：第1階段納入了5個國家的433例患者。為了確定最佳用藥劑量，首先于再灌注前10 min內(nèi)緩慢注射不同劑量的Eniporide(50、100、150和200 mg)或安慰劑。結(jié)果顯示，50和200 mg治療組與安慰劑組比較無明顯優(yōu)勢，但在100和150 mg治療組中心肌壞死面積明顯減少。因此，將100和150 mg用于試驗的第2階段；第2階段納入10個國家的978例患者，重復(fù)前述試驗過程。但結(jié)果卻顯示，與安慰劑組相比，無論是100 mg還是150 mg Eniporide治療組的心肌梗死面積、臨床預(yù)后均無明顯改善。

有趣的是，在發(fā)病4 h以后接受再灌注治療的亞組分析中發(fā)現(xiàn)，150 mg Eniporide可明顯減少患者發(fā)病1周后的心力衰竭發(fā)生率(11.1% 比 21.9%，P=0.02)。

5.3 GUARDIAN研究[45-46]

GUARDIAN(During Ischemia Against Necrosis)是一項國際性針對Cariporide應(yīng)用于不穩(wěn)定性心絞痛、非ST段抬高型心肌梗死、血管成形術(shù)或CABG高風(fēng)險人群的Ⅱ期/Ⅲ期臨床研究。共納入11 590例患者，每8小時分別給予不同劑量藥物(4組平行對照組：20、80和120 mg Cariporide以及安慰劑)直至PCI或CABG術(shù)前2 h，利用靜脈泵入方法，給藥時間約為1 h?？傮w來說，研究并未發(fā)現(xiàn)Cariporide可減少全因死亡率或心肌梗死發(fā)生率。然而在120 mg亞組中發(fā)現(xiàn)，總體事件率下降了10%，尤其是在接受CABG的患者中，死亡和心肌梗死發(fā)生率下降達(dá)25%之多，其中非致死性心肌梗死發(fā)生率下降了32%，但仍需進(jìn)一步研究證實。

5.4 EXPEDITION研究[47]

EXPEDITION(sodium-hydrogen Exchange inhibition to Prevent coronary Events in acute cardiac conDITION)是一個雙盲、隨機對照的Ⅲ期臨床研究，其主要研究目的是驗證Cariporide在高風(fēng)險CABG患者中的心肌保護(hù)作用。患者于麻醉前2 h開始給藥，首先給予180 mg負(fù)荷劑量，然后給予40 mg/h持續(xù)24 h，再給予20 mg/h持續(xù)24 h，整個給藥時間持續(xù)約49 h(如患者體重<50 kg，則改為負(fù)荷劑量后20 mg/h維持48 h。研究發(fā)現(xiàn)，Cariporide組患者CABG術(shù)后死亡和非致死性心肌梗死的總相對風(fēng)險明顯減少(16.6% 比 20.3%，P=0.0002)。

但是，Cariporide的益處主要表現(xiàn)在術(shù)后非致死性心肌梗死發(fā)生率的減少(14.4% 比 18.9%，P<0.001)，而Cariporide組術(shù)后死亡率確有所升高(2.2% 比 1.4%，P=0.02)?？紤]死亡率升高的最主要原因是血栓栓塞性卒中所致的腦血管事件，可能與NHE-1調(diào)控血小板活化有關(guān)[49]。

雖然Cariporide致卒中的不良反應(yīng)嚴(yán)重阻礙了其臨床應(yīng)用，但同時也明確了Cariporide在接受CABG術(shù)的患者中有著明顯的心肌保護(hù)作用。

5.5 Fleisher等的研究

Fleishe等[48]的最新研究探討了NHE抑制劑Zoniporide能否減少非心臟血管手術(shù)患者圍術(shù)期的心臟缺血事件。共納入769例具有冠心病高危因素的擬行非心臟血管手術(shù)患者，于術(shù)前60 min給予負(fù)荷劑量并維持靜脈用藥至術(shù)后7天(4個平行對照組，分別為3、6和12 mg·kg-1·d-1Zoniporide組和安慰劑組)。最終術(shù)后30 d復(fù)合終點(死亡、心肌梗死、充血性心力衰竭、心律失常)發(fā)生率在安慰劑組和各劑量組無明顯差異，考慮可能原因至少部分是因為在此過程中并未發(fā)生過心肌缺血再灌注。

6 小結(jié)

盡管有關(guān)NHE抑制劑的基礎(chǔ)研究證實了其有心肌保護(hù)作用，但目前多個大規(guī)模臨床研究的結(jié)果不盡如人意。我們應(yīng)采用辯證的方法來仔細(xì)審視這些研究結(jié)果，從中發(fā)現(xiàn)研究中的不足以便改進(jìn)，尋找最適宜的人群及藥物劑量、給藥方法等，充分發(fā)揮其心肌保護(hù)作用。

利益沖突：無