心力衰竭与心肌细胞钾离子通道(上)

赵冬冬，魏毅东

心力衰竭(心衰)是各种器质性心脏病发展的最终通路，临床上以心功能显著减退和各种心律失常的发生为特点。在细胞水平，因各种离子通道的调控而导致的单个心肌细胞电生理性质异常，是参与各种恶性心律失常发生的一个重要机制。本文就几种主要离子通道在心衰状态下的重构现象进行阐述。

1 钾通道改变

钾通道介导的钾电流是复极电流的重要组成部分，钾通道的重构是导致复极异常和动作电位时程(action potential duration，APD)延长的最重要的机制，也是导致心律失常发生的重要因素。心衰时影响的钾通道电流包括非钙离子依赖性的一过性外向钾电流(Ito1)、延迟整流性钾通道(IKr)、内向整流电流(IK1)等;不同学者研究发现，心衰时各种钾通道的变化存在转录、转录后、翻译、翻译后等多个不同水平的调节。

1.1 非钙离子依赖性的一过性外向钾电流 Ito1是心肌细胞动作电位(AP)复极1期的主要成分，Kv4.3可能编码全部或部分这种通道。研究发现心衰时心室肌细胞动作电位复极1期切迹变平，Ito1密度下调30%，Kv4.3 mRNA 含量减少，Ito1密度下调和 Kv4.3 mRNA 含量减少呈相关关系(r=0.83，P ＜0.01)。还有学者发现，尽管Ito1密度和Kv4.3 mRNA水平几乎是平行减少，但Kv4.3通道蛋白含量在心衰中并无明显变化。提示Kv4.3编码生理状态下心脏的全部或大部分的Ito1，Ito1密度减少与转录水平调节有关，但并不意味着不存在其它调节方式，因为mRNA水平不能换算成蛋白质水平。认识和干预包括转录水平在内的各种调节机制，是现在和将来要解决的问题［1］。

研究发现对钙离子敏感的KChIP(Kv channelinteracting protein)家族具有调节Kv4钾通道亚家族的A-型钾通道的能力。hKChIP2在成人心房中有表达，与hKv4.3共同表达时可增加后者幅度，减慢失活，加快失活状态的恢复，增加其离散度。hKChIP2可能是人类心房Ito1的一种调节性β-亚单位，在心脏疾病中对其产生影响［2］。KChIP2在犬心室游离壁中表达水平的跨壁梯度决定了Ito1电流密度的跨壁梯度。KChIP2 mRNA在心外膜水平是心内膜的25倍，这个梯度和Ito1电流密度的跨壁梯度平行，Kv4.3 mRNA在心室游离壁的水平却无此梯度。心外膜和心内膜的Ito1电流对于氟卡胺的敏感性相同，提示两种组织中Ito1电流是同一种通道介导。

有研究者认为，决定人类和犬等大型哺乳动物心室游离壁Ito1电流密度的跨壁梯度的关键因素，是KChIP2在转录水平对钾通道β-亚单位的调节，而不是Kv4.3在转录水平对 α-亚单位的调节［3］。在横向和纵向的空间离散度存在的情况下，很难将心衰时Ito1的减少简单归结于心衰本身;即使在与变化高度相关的情况下，也要考虑其他水平调控机制作用存在。

Ito1的变化更重要的意义在于心脏不同部位的这种离子通道的分布特点也因此改变。Volk等［4］发现在主动脉缩窄造成的大鼠心肌肥厚模型中，心室游离壁外膜和中层的Ito1减少30%，而心内膜的Ito1并无变化。IK和IK1有轻度减少，但在游离壁三层结构间并无差异。由此提出肥厚时动作电位复极90%时间(APD90)的延长主要是Ito1减少所致，IK和IK1也有轻度的减少可能是为缓和心肌肥厚时这一复极跨壁梯度的形成。Ito1减少在游离壁三层结构之间的差异，使肥厚心肌的复极顺序异常，在心电图上表现为相关导联的QRS波和T波倒置。

细胞电生理和细胞外离子环境的变化被认为是衰竭心脏发生心律失常的原因，通过对正常和衰竭心肌在急性缺血状态下变化的研究，发现衰竭心肌有更明显的APD延长和传导速度下降;在预先阻断IK，ATP的情况下测量细胞外钾浓度的变化，发现衰竭心肌在缺血时胞外钾离子浓度升高更加明显。缺血带心肌细胞电生理的变化和空间离散度增加，以及细胞外钾浓度的变化，可以解释为什么衰竭心脏急性缺血时折返性心律失常的发生会增加［5］。细胞外钾浓度的变化可能与心衰时神经体液因素异常影响到钾通道的功能状态和表达有关。研究者们从不同方面探索了各种体液因素对钾通道的影响。Wang等［6］在犬的心室肌细胞上研究了通过α-肾上腺素能受体对IK1和Ito1调控。他们发现10 M的苯肾上腺素只能使Ito1降低而不能影响IK1;100 M的苯肾上腺素则可对两者都抑制。苯肾上腺素对Ito1的这种效应可以被A型肾上腺素能受体阻断剂阻断，而不能被B型或D型肾上腺素能受体阻断剂阻断。而苯肾上腺素对IK1的这种效应只能被BMY-7378(1 nM，D型肾上腺素能受体阻断剂)阻断。一种佛波脂类的蛋白激酶C(PKC)激动剂PDD(100 nM)可以增强苯肾上腺素的作用而PKC抑制剂双吲哚基顺丁烯二酰亚胺(50 nM)可以削弱这种效应;但是两者都只对Ito1的调节有效，对IK1的调解无效。钙离子/钙调蛋白依赖性激酶Ⅱ(CaMKⅡ)的抑制剂KN-93和抑制肽则可以消除苯肾上腺素对IK1的影响。他们由此提出不同的肾上腺素能受体通过不同的机制调节不同的钾通道:A型肾上腺素能受体通过PKC调节 Ito1，而 D型肾上腺素能受体(alpha1dARs)通过CaMKⅡ调节IK1。

Banyasz等［7］研究了内皮素-1(endothelin-1，ET-1)对犬心室肌细胞钙电流和钾电流的影响。他们发现，ET-1(8 nM)可以显著减少犬心室肌细胞L-型钙电流的幅度，但却并没有改变L-型钙通道的激活和失活特性，也没有影响心室肌细胞内的钙运转和收缩功能。预先使用异丙基肾上腺素可以削弱ET-1对钙电流的这种效应。ET-1对于Ito1，IK，IK1的电流幅度没有影响，但是却可以使Ito1通道从失活状态恢复所需要的时间显著增加。ET-1和异丙基肾上腺素对IK的影响也存在明显的相互拮抗的效应。在大剂量的cAMP制剂的作用下使蛋白激酶达到最大的激活状态时，ET-1对钙电流和钾电流的上述效应不复存在。由此证明，ET-1对L-型钙电流和Ito1，IK的不同效应跟后者对cAMP的敏感性不同有关。

Rozanski等［8］发现，在大鼠心室肌细胞上的Ito1钾通道α-亚单位或其他蛋白上存在结合巯基的调节位点，在培养液中加入氧化型谷胱甘肽以后，Ito1电流幅度明显减少，从而证明在这种钾通道上存在一种受内源性氧化还原剂共价调节的翻译后调节机制。分离的糖尿病小鼠心肌细胞在含有胰岛素或者其它可以激活丙酮酸脱氢酶的物质的培养基中培养后，可以观察到明显的Ito1密度增加，研究显示这种机制并非只存在于糖尿病心肌病的小鼠，在其它非糖尿病心肌病导致的心力衰竭模型中，代谢刺激也可以产生Ito1上调的相似效应。降低的钾通道活性也可以被增加降低的心肌细胞谷胱甘肽水平所逆转，这提示氧化应激参与了电学重建的机制;而且，葡萄糖利用激活物使Ito1上调的效应可以被谷胱甘肽代谢抑制物阻断，表明葡萄糖利用和谷胱甘肽系统之间存在功能上的联系。对糖尿病和非糖尿病条件下心脏电生理的研究提示，钾通道被一种对氧化还原敏感的机制所调节，葡萄糖的利用对维持心肌细胞正常状态起着重要的作用。这种假设为逆转各种心脏疾病状态下病态的电学重构提供了一条新的思路［9］。

还有学者研究了激素水平的调控对钾通道功能和表达的影响。Song等［10］利用动物孕期子宫研究了性激素对于Kv4.3通道的调节作用，发现孕期子宫内膜的Kv4.3通道蛋白及转录物有很大程度的减少。研究者同时在切除卵巢的小鼠上进行试验，发现雌激素是分娩之外Kv4.3通道蛋白及转录物减少和通道功能下降的一个机制。Kv4.3通道蛋白及转录物表达减少局限在核周区域也提示这种变化是受到了性激素的控制。由此得出结论:雌激素通过直接的抑制转录和间接的抑制转录物向质膜的转运两种方式控制孕期子宫内膜Kv4.3通道的重构。这种研究为思考心力衰竭和心律失常转归的性别差异提供了启示。Murray等［11］研究了促生长抑素-14(Somatostatin-14)对心室肌收缩性的正性和负性影响。生长抑素-14对基础的心室肌收缩反应没有影响，但是却可以阻断心室肌对异丙基肾上腺素的反应;在4氨基吡啶(4-aminopyridine)500 M预处理的情况下，生长抑素-14可以引起心室肌显著的收缩反应，这种效应可以被L-型钙通道阻断剂削弱。他们得出结论:在Ito1激活的情况下，生长抑素-14可以减弱心室肌收缩反应;但是在4氨基吡啶的作用下却表现出显著的增加收缩反应的效应，这种效应是经过L型钙通道介导的。由此得出结论生长抑素-14可以刺激静息心肌细胞产生收缩，然而在局部儿茶酚胺浓度增高的情况下，却可以抑制过度刺激引起收缩反应。

Kv4.2也被认为是Ito1的候选基因，在K(v)4.2钾通道亚单位表达减少的转基因小鼠模型中，2～4周龄转基因小鼠心肌的Ito1密度明显减少，伴随单向APD延长，同时观察到平均动脉压和心室舒张压的升高，提示收缩功能的增强;10～12周龄的转基因小鼠则出现充血性心衰的临床和血液动力学证据，衰竭的转基因心脏表现出分子和细胞重建，出现肥大，心腔扩张和间质纤维化的证据;单个心肌细胞则出现Ito1和IK1的密度显著减少和APD的延长。这个实验在小鼠身上证明了K(v)4.2亚单位对于Ito1的作用，也证明了对心脏兴奋性的调节可以影响其收缩功能。

1.2 延迟整流性钾通道 延迟整流钾通道(主要是IKr，IKs和 IKur)，延迟整流性钾通的改变主要影响(APD)。Xu等［12］研究了左室肥大(LVH)对迟发整流钾电流的影响，以及随后内膜和外膜心肌动作电位复极的变化。在一侧肾切除，一侧肾动脉狭窄造成的左室肥大模型中，用全细胞膜片钳技术记录了肥大左室细胞的快速和缓慢迟发整流钾电流IKr和IKs，微电极技术记录动作电位。在正常家兔左室心肌细胞中IKs的密度在心外膜要高于心内膜，而IKr在心外膜和心内膜密度相似，左室肥大使心外膜和心内膜IKs的密度发生相同程度的减少，但是对两者IKr的密度并没有明显的影响。所以在左室肥大状态下IKr对动作电位的贡献增加，实验中IKr的特异性阻断剂多非利特使APD延长的程度在LVH状态下要高于对照组也证明了这一点。而IKs的特异性阻断剂L-768 673使APD延长的程度在LVH状态下要低于对照组。LVH下心内膜降低的IKs的密度使得这一区域在多非利特作用下发生早期后除极(EAD)的机会增加。

衰竭心脏的心室肌动作电位延长，与之类似，作为决定心律失常产生的因素，长QT间期综合征(LQTS)患者的复极期也是延长的。与7号染色体相关的LQTS就是 HERG突变的结果，为了检测HERG的基因产物是否参与心率相关的复极异常的机制，有学者测定了在心力衰竭和正常情况下HERG mRNA的水平，HERG RNA在人类心室的含量非常丰富，在心力衰竭情况下并没有观察到HERG mRNA的水平的变化(85% ±18%，与正常状态比较);健康人群内部HERG mRNA水平存在比Kv4.3 mRNA和hH1 mRNA更加明显的波动，三者样本标准差占均数的比值分别为28%，16%，15%。这种变异不能用年龄和处理因素加以解释(实验中不同个体的取材部位相同，排除了部位差异性的影响)，当然也不能证明HERG mRNA水平同心力衰竭的相关性。

然而Nuss等［13］通过转基因技术在家兔身上证明了增加钾通道基因HERG的表达可以加速复极和抑制早期后除极，从而提供了一种利用迟发整流钾通道的转基因技术作为一种新型的有效地抑制复极异常导致心律失常的策略。他们发现，在对照组携带绿色荧光蛋白的腺病毒(ADGFP)感染的细胞中，在前次AP刚刚复极到静息电位就立即又发生下一次AP;而在携带HERG基因的腺病毒(ADHERG)感染的心肌细胞中，前次动作电位复极完全后有明显的不应期。同HERG通道表达水平相关的不应期(RRP)的变化，揭示了一种新的调控RRP的细胞和分子机制。HERG的过度表达(alpha亚单位编码IKR)可以使心肌细胞产生上述变化，但是在哺乳动物的其他细胞或者是卵母细胞中，这种效应要弱得多。这是因为心脏所独有的其他调节亚单位(β亚单位，minkGENE等)以及翻译后调控的作用。

Zhou等利用电压箝制技术在表达 HERG的HEK293细胞中以心室动作电位波形为控制电压检测了HERG在AP复极过程中的作用。他们发现HERG电流随AP上升支迅速激活，在复极期继续增加，在AP的2相和3相达到最大值，甚至在膜电位恢复到静息电位以后还有外向电流产生，HERG/IKr电流的这种行为是心肌钾通道所特有的，是其特有的快速激活和缓慢失活的门控机制的产物。这样就可以解释为什么在离体培养的成年动物心室肌细胞中腺病毒介导的HERG过度表达能够如此有效地抑制2相EAD和增加不应期。

1.3 内向整流电流 内向整流钾电流(IK1)在复极终末相激活，在人类和犬的心力衰竭状态下功能性下调，其编码基因Kir2.1在人心室中含量丰富，但是在心力衰竭和正常情况下并没有变化，可能是翻译后调节使通道功能丧失，也可能是转录后调节使通道蛋白的含量减少。Kir2.1 mRNA的稳定状态的含量也存在较大的个体差异性，标准差与均数之比为28。

内向整流钾电流是掌管细胞电学活性的重要角色，在心房和心室的功能不同。几种不同功能的内向整流钾通道(hIRK，HH-IRK1，HIR和TWIK-1)已经从人类心脏中克隆出来，但是它们在心脏组织中的表达还没有定量。Wang等［14］测定各种IKrs在人类心房和衰竭和非衰竭的心室中mRNA的相对水平后发现，HIRK mRNA在心房中含量比心室丰富，而TWIK-1 mRNA在心室含量比心房丰富，hIRK和HH-IRK1在心房和心室的分布没有明显的差别。所有内向整流钾通道的转录水平在正常和衰竭心室肌之间没有明显差别。这些亚单位在分布的差异可能是IK1在心房和心室功能不同的分子基础。

应激条件下儿茶酚胺的释放可以激活PKC，通过暴露在各种调节蛋白和通道蛋白上的磷酸化位点调节心肌细胞动作电位。心肌中PKC的激活途径是通过副交感和毒蕈碱系统完成的。人类心房肌细胞的内向整流钾电流及其通道Kir(2.1b)可以被应激状态下激活的 PKC依赖性的信号传导通路所抑制，这可能与伴PKC激活的器质性心脏患者心律失常的发生有关［15］。

IK1的异常主要见于遗传性的心律失常，但也可能合并心力衰竭存在。Pogwizd［16］等提出心力衰竭时IK1减少49%，在残余肾上腺素能物质的作用下，IK1的减少使钠钙交换蛋白(NCX)介导的内向除极电流相对增加而引发除极，引起心律失常的发生［17］。

1.4 钾离子调节通道 ATP敏感性钾通道(KATP)，以及其他离子敏感性钾通道等，在正常情况下这些通道一般关闭，在应急或代谢环境改变的情况下才被代谢产物或中间物激活而发挥作用，以弥补钾通道功能或表达下调的不足。在心肌细胞中ATP敏感性钾通道主要分布在线粒体和肌浆网膜上。

最近Maslov等研究发现，两种选择性δ鸦片肽受体激活物DPDPE(δ-1鸦片肽受体激活物)和DSLET(δ-2鸦片肽受体激活物)可以影响心肌缺血后硬化心脏的室颤发生阈值，这两种物质对于缺血后心脏电生理稳定性的调节作用可以被线粒体KATP抑制剂阻断五羟色胺(5-HT)或优降糖(glibenclamide)阻断;而单独使用这两种KATP抑制剂并不能对心肌缺血后室颤发生的阈值产生影响。这提示线粒体KATP在内源性阿片样物质作用下也可能参与缺血后心脏心律失常的发生，但其参与机制还不清楚。

与毒蕈碱受体偶联的G蛋白G-i可以直接激活激活心房和起搏组织中特殊的钾通道IK(ACh)。心室中G蛋白和钾通道的偶联还没有明了。用膜片钳技术对离体心室肌细胞的研究发现，细胞外液中1 mM的ACh能够时动作电位可逆的缩短74.4% ±12.1%，并且可以在没有β肾上腺素能刺激的情况下增加整个心室肌细胞的膜电流。这种效应可以被阿托品逆转(1 mM)。微克级的GTP可以激活IK(ACh)和IK1两种通道，两种通道开放时间不同，且G蛋白激活的IK1不需要GTP保持其通道活性，提示其有着不同的激活机制。百日咳毒素可以阻断GTP对这些通道的激活，提示毒蕈碱受体-百日咳毒素敏感的G蛋白(G-I)的偶联对两种通道的激活都非常重要。G蛋白激活钾通道的特性在豚鼠的正常和心力衰竭心肌中并没有不同。这些研究结果提示，ACH可以通过人类心室肌细胞的毒蕈碱受体-百日咳毒素敏感的G蛋白的途径激活IK(ACh)和IK1。

(未完待续)

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