鉀離子通道在哮喘中的研究進展

趙愛玲，姚冬

（桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，廣西 桂林 541000）

0 引言

哮喘是一種異質(zhì)性慢性炎癥疾病，主要病理特征是氣道炎癥、氣道高反應(yīng)（Airway hyperresponsiveness，AHR)和氣道重塑[1]。其發(fā)病受遺傳和環(huán)境等多種因素影響，病理機制復(fù)雜。目前治療主要針對氣道炎癥和氣道高反應(yīng)性，主要采用吸入性糖皮質(zhì)激素和長效β2受體激動劑聯(lián)合使用，但是長期使用激素的副作用和部分哮喘患者對激素不敏感，導(dǎo)致激素使用受限。因此需要進一步了解哮喘發(fā)病機制，開發(fā)新的靶向藥物。

1 鉀離子（K+）通道

K+通道位于細胞膜上，控制K+流出和流入細胞。除了一些寄生蟲外，K+通道幾乎存在所有物種中。根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能可分為三大類：電壓門控通道、內(nèi)向整流通道和串聯(lián)孔域通道。K+通道功能異常會導(dǎo)致諸如癌癥、癲癇、心律失常和神經(jīng)肌肉癥狀等疾病，這些癥狀統(tǒng)稱為離子通道病[2]。鉀通道調(diào)節(jié)劑具有抗腫瘤、抗神經(jīng)性疾病和心血管疾病的功效[3]，鑒于它們的細胞表面定位和藥理學(xué)特征，靶向鉀通道的藥理學(xué)策略可能是此類疾病有效的治療方案。

2 K+通道與哮喘

近年來研究表明K+通道與哮喘關(guān)系密切，K+通道不僅參與調(diào)節(jié)哮喘細胞增殖、活化和遷移等，還參與氣道平滑肌細胞（Airway smooth muscle cells，ASMCs）的超極化、支氣管擴張、AHR的抑制和神經(jīng)反射的抑制。因此，鉀離子通道可能是治療哮喘潛在的新靶點。目前在哮喘中研究較多的是鈣激活鉀離子通道(Calcium-activated K+channels，KCa)、電壓依賴性鉀離子通道( Voltagedependent K+channels，KV)和ATP敏 感 鉀 離 子通 道(ATP-sensitive K+channels，KATP)。KCa鉀通道的門控由細胞內(nèi)游離鈣離子濃度的升高介導(dǎo)，根據(jù)單通道電導(dǎo)可分為三個亞家族：高電導(dǎo)（BKCa、KCa1.1）、中等電導(dǎo)（IKCa、KCa3.1）和低電導(dǎo)（SKCa、KCa 2.1、2.2和2.3）[4]。本文將重點綜述BKCa、IKCa、KV和KATP四種鉀離子通道在哮喘中的研究進展。

BKCa通道由KCNMA1基因編碼。BKCa通道由α亞基的同源四聚體形成[5]。BKCa是KCa家族中最早鑒定出的鉀離子通道，在許多可興奮細胞中表達并發(fā)揮重要的生理作用，例如調(diào)節(jié)平滑肌張力、調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)釋放和神經(jīng)元尖峰頻率適應(yīng)[6]。由于BKCa具有非常高的單一電導(dǎo)，因此能夠迅速引起膜電位極化，其作為哮喘治療的潛在靶點一直被廣泛關(guān)注。

IKCa通道KCa3.1也稱為IK1、SK4或KCNN4，該通道由細胞內(nèi)Ca2+濃度的升高激活[7]。KCa3.1在哮喘相關(guān)的多種細胞表達，涉及細胞增殖、遷移和細胞因子產(chǎn)生的調(diào)節(jié)等多種細胞過程[8,9]。

KV通道由成孔α亞基的四聚體組成[5]。KV7通道在ASMCs、氣道上皮細胞和迷走神經(jīng)氣道纖維中表達[10]。

KATP是由磺脲類受體(Sulfonylurea receptor, SUR)和內(nèi)向整流鉀離子通道Kir6.X亞基形成的異源多聚體，首次在心肌細胞中發(fā)現(xiàn)[5]?；请孱愃幬锶绺窳斜倦澹ㄟ^與SUR亞基結(jié)合可阻斷KATP通道。KATP在調(diào)節(jié)ASMCs和杯狀細胞功能以及細胞因子的產(chǎn)生中起重要作用。

2.1 K+通道與氣道炎癥

氣道炎癥是哮喘的主要病理特征，主要是通過持續(xù)的Th2型反應(yīng)介導(dǎo)[11]。K+通道在抑制哮喘炎癥反應(yīng)中起重要作用。BKCa開放劑NS1619和KATP開放劑匹那地爾能夠降低哮喘豚鼠血清和支氣管肺泡灌洗液（Bronchoalveolar lavage fluid, BALF）中細胞因子IL-4、IL-5、IL-13和TNF-α水平[12]。KCa3.1通過維持負(fù)膜電位在 IgE 刺激的 Ca2+進入肥大細胞和脫顆粒中起關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)II 類磷脂酰肌醇-3-激酶C2β敲除小鼠的骨髓來源的肥大細胞中FcεRI刺激的KCa3.1通道活化、Ca2+流入、脫顆粒和細胞因子的產(chǎn)生減少，KCa3.1電流的減少是由三磷酸磷脂酰肌醇水平降低引起的，并且Ⅱ類磷脂酰肌醇-3-激酶C2β敲除小鼠對 IgE介導(dǎo)的被動全身和皮膚過敏反應(yīng)具有明顯抵抗力[9]。KCa3.1通道阻斷能夠顯著減少慢性哮喘綿羊BALF中的嗜酸性粒細胞數(shù)量[13]。KCa3.1通道阻滯劑Senicapoc處理哮喘綿羊，導(dǎo)致綿羊氣道實質(zhì)中CD8和CD45R陽性T細胞的數(shù)量呈少[13]。在慢性哮喘小鼠模型中，KCa3.1通道缺陷能夠顯著降低IL-4、IL-5、IL-13和IFN-γ的水平[8]。

過敏性哮喘患者氣道的T淋巴細胞表達大量KV1.3。利用KV1.3選擇性通道阻滯劑PAP-1治療中性粒細胞哮喘小鼠，可顯著降低血清和BALF中炎癥細胞的數(shù)量，減輕氣道周圍炎癥細胞的浸潤，PAP-1可通過抑制ERK/NF-κB通路的激活減弱卵清蛋白（Ovalbumin, OVA）和脂多糖聯(lián)合誘導(dǎo)的Th1/Th2和Treg/Th17淋巴細胞失衡，降低IL-4和IL-17水平，增加IFN-γ和IL-10的水平[14]。

KATP通道抑制劑格列本脲除了具有抗糖尿病作用外，還發(fā)現(xiàn)具有炎癥調(diào)節(jié)作用。據(jù)報道格列本脲能夠減輕OVA激發(fā)的哮喘小鼠氣道炎癥，格列本脲還下調(diào)OVA誘導(dǎo)的肺血管細胞粘附分子1和磷酸化信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子6的表達[15]。此外，OVA激發(fā)后發(fā)現(xiàn)肺中SUR1表達增加。這些發(fā)現(xiàn)表明經(jīng)典磺脲類藥物格列本脲可能具有抗哮喘作用，這不僅為格列本脲在治療糖尿病合并哮喘患者中的安全性提供證據(jù)，而且還表明靶向格列本脲相關(guān)途徑治療哮喘的新希望。

2.2 K+通道與AHR

AHR是由于各種物理、化學(xué)或藥物刺激而引起的支氣管強烈收縮，主要表現(xiàn)為氣道平滑肌收縮、支氣管痙攣和黏液高分泌。AHR是哮喘重要病理生理特征之一,是體現(xiàn)哮喘患者氣道功能異常的關(guān)鍵指標(biāo)。質(zhì)膜K+外流水平能改變組織對收縮激動劑的敏感性，導(dǎo)致氣道平滑肌收縮控制對其具有高度依賴性。硫化氫可以激活小鼠ASMCs中的BKCa通道引起膜電位的超極化，使電壓依賴性鈣通道失活并抑制Ca2+流入，最終導(dǎo)致氣管平滑肌松弛[16]。男性的雄激素可能與哮喘嚴(yán)重程度有關(guān)，將睪酮與豚鼠氣管長期孵育，發(fā)現(xiàn)可促進KV和BKCa上調(diào)并增強沙丁胺醇誘導(dǎo)的平滑肌松弛[17]。柚皮苷及其主要代謝產(chǎn)物柚皮素可通過刺激BKCa來誘導(dǎo)氣道平滑肌松弛[18]?？寡姿幬镫p氯芬酸鈉、雙醋瑞因也可增強BKCa通道導(dǎo)致氣道平滑肌松弛[19-20]。BKCa還參與氯喹誘導(dǎo)的平滑肌松弛，氯喹可通過阻斷BKca和蘭尼堿受體，導(dǎo)致自發(fā)瞬時外向電流的消除和收縮的發(fā)生。自發(fā)瞬時外向電流的消除會抵消高濃度的氯喹引起的松弛[21]。另外還發(fā)現(xiàn)選擇性BKCa通道阻滯劑Iberiotoxin可增加豬終末細支氣管的細支氣管平滑肌基礎(chǔ)張力[22]。報道顯示兩種迄今為止最有效的新型BKCa通道開放劑GoSlo-SR5-130 和化合物X，可完全抑制兔和小鼠氣道中由組胺、U46619和碳酰膽堿引起的支氣管平滑肌階段性收縮[23]。

KV7.5是人氣道平滑肌細胞中主要的KV7通道亞基。研究發(fā)現(xiàn)ASMCs中KV7通道活性的增強能促進氣道舒張，該通道傳導(dǎo)的電流會響應(yīng)βAR/cAMP/PKA通路（阻塞性氣道疾病的治療靶點）的激活而增強，進一步發(fā)現(xiàn)βAR的激活導(dǎo)致KV7.5氨基末端S53的PKA依賴性磷酸化，表明KV7.5在βAR/cAMP/PKA通路激活誘導(dǎo)的ASMCs松弛中起重要作用[24]。另有研究發(fā)現(xiàn)支氣管收縮劑組胺能劑量依賴性抑制體外培養(yǎng)的人氣管平滑肌細胞KV7.5通道電流，敲低或抑制蛋白激酶Cα，或突變hKV7.5，均可消除組胺對KV7.5電流的抑制作用。組胺對蛋白激酶Cα的激活可能導(dǎo)致KV7.5通道磷酸化和隨后對hKV7.5通道電流的抑制，促使支氣管收縮[25]。KV7通道激活劑瑞替加濱、吡啶硫酮鋅等均能顯著減輕乙酰甲膽堿誘導(dǎo)的大鼠細支氣管收縮。瑞替加濱與福莫特羅聯(lián)合給藥能夠持續(xù)減輕乙酰甲膽堿誘導(dǎo)的支氣管收縮，并減少單獨使用福莫特羅的脫敏作用。這些發(fā)現(xiàn)表明將KV7通道增強劑與福莫特羅聯(lián)合使用可改善支氣管擴張劑的治療效果[26]。五味子木脂素對離體大鼠氣管平滑肌有明顯的松弛作用，而KATP通道抑制劑格列本脲能夠顯著減弱這種松弛作用[27]。蛇婆子葉莖提取物也可通過KATP通道促進大鼠支氣管的松弛[28]。

鉀離子通道在神經(jīng)調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用，而神經(jīng)調(diào)節(jié)與AHR密切相關(guān)。迷走神經(jīng)支氣管肺傳入是呼吸道和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的主要通信途徑，這些傳入末梢以動作電位形式發(fā)出的信息進一步整合到腦干中，最終導(dǎo)致咳嗽、呼吸困難、氣道收縮和粘液分泌等。研究發(fā)現(xiàn)鈣敏感受體在支氣管肺傳入信號傳導(dǎo)中可以通過調(diào)節(jié)BKCa通道活性發(fā)揮部分作用，阻斷鈣敏感受體會抑制支氣管肺感覺神經(jīng)元中的BKCa通道活性[6]。蛋白酶激活受體2在肺和氣道的多種細胞中表達，其激活可導(dǎo)致氣道高反應(yīng)性 ,研究發(fā)現(xiàn)激活蛋白酶激活受體2可抑制BKCa通道活性并增加支氣管肺感覺神經(jīng)元的興奮性[29]。BKCa激動劑NS1619可以顯著抑制平滑肌細胞的反應(yīng)性和纖毛擺動頻率，降低哮喘豚鼠氣道高反應(yīng)性[12]。KATP開放劑匹那地爾和NS1619類似，也可降低氣道平滑肌的反應(yīng)性[12]。

氣道炎癥是導(dǎo)致AHR最重要的原因之一，當(dāng)氣道受到變應(yīng)原或其他刺激后誘發(fā)炎癥，損害氣道上皮和上皮內(nèi)神經(jīng)等，從而導(dǎo)致AHR[30]，K+通道也參與調(diào)節(jié)炎癥誘導(dǎo)的AHR。哮喘綿羊口服KCa3.1通道選擇性阻滯劑ICA-17073能夠顯著減少急性過敏原依賴性的支氣管收縮、肺阻力過敏原依賴性增加以及對卡巴膽堿的氣道高反應(yīng)性[13]。KCa3.1通道缺陷可減輕慢性哮喘小鼠的氣道高反應(yīng)性[8]。研究發(fā)現(xiàn)OVA和脂多糖聯(lián)合誘導(dǎo)的中性粒細胞哮喘小鼠肺組織中KV1.3通道的表達增加和KV電流增強。選擇性KV1.3通道阻滯劑PAP-1可通過減弱炎癥細胞浸潤降低中性粒細胞哮喘小鼠的氣道高反應(yīng)性[14]。KATP通道抑制劑格列本脲可通過下調(diào)炎癥因子水平，顯著減輕哮喘小鼠的AHR[15]。

2.3 K+通道與哮喘氣道重塑

氣道重塑是哮喘的重要病理特征之一，其表現(xiàn)為氣道上皮脫落，上皮下組織增厚，膠原沉積，ASMCs肥大增生和血管生成。K+通道在哮喘氣道重塑中發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)與正常人相比，哮喘患者KCa3.1在支氣管上皮表達增加，與體外培養(yǎng)的正常人氣道上皮細胞相比，哮喘患者的KCa3.1電流更大[31]。進一步研究發(fā)現(xiàn)KCa3.1通道阻斷可抑制轉(zhuǎn)化生長因子受體β1依賴性的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化的多個特征，包括細胞形狀變化和E-鈣粘蛋白表達的喪失。KCa3.1阻滯劑治療可能通過抑制EMT來抑制哮喘氣道重塑[31]。細胞內(nèi)Ca2+水平在調(diào)節(jié)細胞增殖中起重要作用。余志華等人發(fā)現(xiàn)KCa3.1通過膜超極化導(dǎo)致的Ca2+內(nèi)流調(diào)節(jié)人ASMCs增殖，KCa3.1通道缺陷會減弱慢性哮喘小鼠模型中的氣道重塑[8]。他們發(fā)現(xiàn)KCa3.1敲低可阻斷體外促有絲分裂信號通路，抑制人支氣管平滑肌細胞增殖。與KCa3.1基因正常的哮喘小鼠相比，KCa3.1基因缺失的哮喘小鼠α-SMA陽性染色也顯著減弱，所以KCa3.1通道缺陷會減輕慢性哮喘小鼠模型中的氣道重塑。KCa3.1還參與哮喘血管重塑，在綿羊哮喘模型中，經(jīng)KCa3.1阻斷劑Senicapoc治療的慢性哮喘綿羊氣道壁中血管的平均尺寸顯著減小，有助于減輕過敏原暴露后的氣道水腫[13]。

3 K+通道的臨床藥物研究

目前針對K+通道開發(fā)阻斷劑或者開放劑靶向治療各種疾病，已經(jīng)成為科研和臨床研究的熱點。2018年美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)鉀離子通道阻滯劑Amifampridine上市，用以治療成人Lambert-Eaton肌無力綜合征[32]。臨床研究發(fā)現(xiàn)口服Amifampridine可抑制突觸前膜鉀離子通道，從而增加乙酰膽堿的釋放及改善動作電位的傳導(dǎo)，恢復(fù)肌纖維收縮力，改善肌肉力弱癥狀[33]。一項隨機、雙盲、安慰劑對照、交叉研究發(fā)現(xiàn)KATP通道開放劑左克羅卡林能夠誘發(fā)人類先兆偏頭痛[34]，同一課題組另外一項臨床研究表明KATP通道阻滯劑格列本脲不能預(yù)防但能延遲左克羅卡林引起的頭痛發(fā)作[35]。一項英國的臨床研究發(fā)現(xiàn)BKCa通道開放劑VSN16R是一種潛在、安全和選擇性的配體，可以用于控制痙攣狀態(tài)下的神經(jīng)超興奮性[36]。一項單盲、單劑量、多隊列研究發(fā)現(xiàn)KV7鉀通道開放劑ICA-105665可降低癲癇患者的光陣發(fā)性腦電圖反應(yīng)[37]。

K+通道藥物在哮喘中臨床研究較少。Andolast是一種新型KCa開放劑，可抑制一磷酸腺苷和運動誘導(dǎo)的哮喘支氣管收縮。一項多中心、隨機、安慰劑對照研究發(fā)現(xiàn)，與安慰劑組相比，Andolast能夠改善輕中度哮喘患者氣流，減少短效α2 受體激動劑使用次數(shù)，減輕哮喘癥狀和降低哮喘發(fā)作頻率[38]。KCa通道開放阻斷劑多索茶堿是一種具有抗炎和支氣管擴張活性的口服甲基黃嘌呤，能夠松弛氣道平滑肌和減輕氣道炎癥。最新的臨床研究表明，多索茶堿在哮喘患者中長期給藥時有效性高且耐受性良好[39]。

4 總結(jié)與展望

近年來國內(nèi)外研究表明K+通道在哮喘發(fā)病中起重要作用，但是其參與哮喘發(fā)病機制的研究較少，靶向K+通道的阻斷劑或者開放劑在哮喘中的臨床研究或應(yīng)用十分有限，這些均表明K+通道在哮喘中的作用機制還需要進一步探索，靶向K+通道哮喘臨床藥物開發(fā)具有廣闊的前景。