低氧对肺动脉平滑肌细胞钾离子通道影响的研究进展

李彩霞 林春龙

氧敏感的离子通道在肺动脉平滑肌细胞低氧感受与反应中的作用是近年缺氧性肺血管收缩反应(hypoxic pulmonary vasoconstriction，HPV)研究热点，HPV是机体重要的生理性调节机制，自1867年以来人们逐渐发现低氧可引起肺血管收缩，并对其细胞学和分子学机制进行了长期的探索，发现低氧既可使去内皮肺动脉环收缩，又可使单个的肺动脉平滑肌细胞(pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs)收缩，因而认为PASMCs既是低氧的感受器，又是低氧的效应器［1］。低氧可造成肺小动脉痉挛，肌型小动脉平滑肌层增厚，增加肺循环阻力，形成肺动脉高压(pulmonary artery hypertension，PAH)，长期肺动脉压力升高将增加右心负荷、右心室重构而引起肺源性心脏病，严重者引起右心衰竭［2］。

一、钾通道与氧敏感钾基因

研究发现，急、慢性缺氧均可阻断肺血管PASMCs钾通道活性，导致细胞膜去极化，继而开放电压门控性钙通道，使细胞内钙水平增高，引起兴奋收缩耦联增强，最终发生肺动脉收缩和肺动脉高压。此外，慢性低氧还可使PASMCs表型发生变化和钾通道基因如延迟整流性钾通道基因RAK等表达减少，从而引起PASMCs延迟整流性钾电流的振幅降低、开放概率减少、开放时间缩短、关闭时间延长和该通道的数目下降，并促使PASMCs增殖和内皮细胞迁移，从而发生肺血管重建［3］。大量研究表明低氧所致的PASMCs钾通道活性降低和钾通道基因表达减少，在慢性肺动脉高压(pulmonary hypertension，HPH)发病机制中发挥重要作用。

二、钾通道

平滑肌细胞上表达多种离子通道，其中钾离子通道分布最丰富。钾离子通道激活引起的持续性K+外流是维持细胞膜静息电位的主要通道［3］。钾离子通道调节肺动脉平滑肌细胞的兴奋性，它在维持细胞静息电位中发挥了重要作用，但在人肺动脉平滑肌细胞中的具体作用还不清楚［4］。目前认为肺动脉平滑肌细胞膜上主要分布4种钾离子通道，分别为:电压依赖性K+通道(voltage dependent K+channel，Kv)通道(Kv1-12)、钙敏感钾通道(KCa1-KCa5)、2孔钾通道(K2P)(如TASK受pH值影响，已知有15个TASK通道，其独特之处在于4跨膜区和两个孔道交换K+)、和内向整流通道(Kir1-7)(包括 ATP 敏感性钾通道:Kir6.x+SUR)［5-7］。

1.Kv通道:Kv通道是一个高度多样化的超家族，成员都具有K+选择性和电压依赖性的特点，其功能由在S4亚基上的一系列带正电荷精氨酸产生［8］。最近药理学国际联盟根据其结构相似性和通道家族之间的亲缘关系对已知的38个Kv通道命名进行修订［5］。Kv系列包括3个组别:Kv 1-6和8-9，Kv7.1-7.4和Kv10-12。Kv通道的表达和功能在肺血管收缩，血管重塑中发挥着重要作用。Kv通道的功能主要维持细胞的静息膜电位和血管紧张度。Kv通道调节膜电位，并在低氧诱导的肺血管细胞膜去极化中发挥作用。Kv通道通过两个环节增加肺血管阻力:首先，Kv通道亚基表达下调，Kv通道的幅度和密度改变导致膜去极化，使电压门控性钙通道(volatge department calcium channel，VDCC)被激活［9］。后者使 Ca2+进入细胞，通过结合肌球蛋白轻链激酶引起PASMCs收缩和肺血管收缩，从而增加肺血管阻力［10］。肺血管中，VDCC活性增加可使Kv通道活动受抑制并且使细胞膜持续去极化，从而导致PASMCs增殖速度加快，引起肺血管肥厚［11］。其次，Kv通道亚基的表达下调及全细胞的IK(v)的抑制将使细胞凋亡数量减少、速度减慢，降低细胞内caspase蛋白酶活性，从而起到抑制细胞凋亡的作用，引起肺血管肥厚［9］。

低氧时，Kv通道关闭或受抑制，使全细胞的Kv电流下降，膜电位升高，细胞膜去极化，钙离子内流，引起细胞收缩。Yuan等［12］发现，急性低氧可显著抑制大鼠肺动脉平滑肌电压门控性钾通道的外向性钾电流，认为低氧抑制肺动脉平滑肌细胞膜电压门控性钾通道，开放电压门控性钙通道，促进Ca2+进入细胞内，最后导致肺血管收缩反应［1］。

受缺氧抑制的延迟整流电流只存在于PASMCs上，该电流的分子基础是一个或多个Kv通道，包括 Kv1.5，Kv1.2、Kv2.1、Kv3.1，和(或)Kv9.3 等通道，同源或异源四聚物组成的 Kv1.2、Kv1.5、Kv2.1、Kv3.1b和Kv2.1/Kv9.3已被确定为潜在的“氧敏感”通道［13］。这些氧敏感的钾通道受到抑制引发HPV［14］。众多研究显示，Kv1.5通道可能参与组成肺动脉平滑肌细胞氧敏感Kv通道。Kv2.1对缺氧为可逆性抑制(平均电流降低34%)，在抗Kv2.1抗体存在下，Kv2.1对小鼠阻力动脉的静息膜电位起一定作用［15］。虽然Kv1.2电流对氧敏感，但对电压依赖的PASMCs静息膜电位不能进行抑制，并且对蝎毒(CTX)不敏感，认为Kv1.2的同源通道不太可能参与HPV［16］。目前认为含NADPH氧化酶的细胞色素P450参与了氧感应的过程［17］。低氧可通过抑制PASMCs的细胞色素P450的活性，改变细胞氧化还原状态，当还原信息传递给Kv通道，可间接抑制Kv通道的活性。尽管众多Kv通道的存在，但参与氧传感的很少［16］。生物物理和药理学学者提出氧敏感的Kv通道部分解释了在PASMCs所观察到的全细胞钾电流的特点。电生理研究发现急性缺氧可抑制电压依赖性钾电流(IK)，被抑制的钾电流具有缓慢失活，延迟整流的特性，并能被特异性Kv阻断剂4-氨基吡啶(4-AP)抑制，但不被特异性KCa阻断剂CTX以及特异性KATP阻断剂优降糖(glyburide)等阻断［18］。

2.钙激活的K+通道:早在1958年，Gardos首先在红细胞上发现细胞内游离Ca2+能调控K+外流。上世纪60年代末，Meech等用微注射法将Ca2+注入发育不全的神经元内，结果细胞膜出现超极化和膜K+电导增加，正式提出了钙激活的K+通道(KCa)的概念［19］。KCa通道和Kv通道为单跨膜区和6孔道，结构有许多相似。但大电导-钾(BKCa)通道由7跨膜区和一个钙离子结合区(筒体)组成，即使在 KCa 家族其结构也有些独特［5，20］。

研究发现，KCa广泛分布于PASMCs，在调节阻力血管内源性张力方面，具有较大的生理意义。KCa通道对胞内Ca2+的改变作出反应而调节膜电位，直接参与血管张力的调节。BKCa通道是钙激活的K+通道的家族成员之一，在大多数动脉中起主导作用，关于它的研究也较多，抑制BKCa通道(开放概率减少)可使膜去极化继而引起收缩［21-22］。该通道开放可使膜电位趋于极化，同时引起血管扩张，BKCa通道影响静息膜电位复极化，为重要的负反馈机制［23］。生理情况下胞内Ca2+浓度很低，但在病理情况下(如低氧)则会明显升高。迄今大多数学者认为PAH以及HPV的发病机理是由于低氧抑制了平滑肌细胞膜上的K+通道，使细胞膜去极化，从而激活电压门控的钙通道，引起细胞外钙离子内流，引起［Ca2+］i升高，致 PASMCs收缩，从而启动HPV［24］。

3.内向整流钾通道(Kir1-7)中的ATP敏感性钾通道:内向整流型钾离子通道(Kir)有两种主要的生理功能:①稳定膜电位在钾离子平衡电位;②介导钾离子的跨膜转运。Kir1.x介导钾离子转运，主要是在肾脏起作用。Kir2.x调控心脏和大脑的兴奋性。Kir3.x受G蛋白调节，介导GPCR对心脏，大脑，神经内分泌细胞的兴奋性。KATP通道，由Kir6.x+SUR组成，将细胞代谢和细胞兴奋性及钾电流联系起来。其他Kir4.1，Kir5.x，Kir7.x的生理功能还不是很清楚。KATP通道首先在心肌细胞上被发现，后来发现这种通道也存在于其他多种细胞中，包括血管平滑肌细胞。研究发现阻断KATP通道可以引起血管平滑肌细胞收缩和细胞膜去极化［25］。KATP存在于PASMCs的胞膜、线粒体膜和核膜上，主要调节细胞的能量代谢、基因的表达以及细胞凋亡。虽然K-ATP在正常PASMCs中的作用较小，但对于病理状态下肺血管功能的调节发挥着重要的作用［26］。Rodman［27］证实，慢性缺氧72 h可通过激活大鼠肺动脉平滑肌细胞ATP敏感性钾通道而导致HPV的发生。KATP对急性低氧可能并不敏感，但它在慢性缺氧中起到重要调节作用，参与HPV的负反馈［28］。有研究发现，KATP通道的激活可以在体内和体外使预先收缩的肺血管发生舒张作用，推测KATP通道主要参与PAH而与HPV无关［29］。KATP的功能在正常生理状态下，由于细胞膜下生理浓度ATP的存在，PASMCs上的KATP基本关闭。故KATP可能不参与调控肺循环的基本张力，只有在机体缺血、缺氧等病理情况下，KATP才代偿性开放致PASMCs膜超极化，从而在细胞膜上产生微小的电位变化［30］。研究表明血管的舒缩状态与血管平滑肌细胞的膜电位即极化状态密切相关，几个毫伏的膜电位变化即可引起动脉管径发生明显的变化，从而对血管平滑肌张力产生很大的影响。在兔肺血管平滑肌细胞上发现，KATP参与膜静息电位的形成［26］。单细胞实验表明，KATP能调节PASMCs的膜电位，并与Kv、KCa相互作用，对稳定平滑肌细胞膜电位起重要作用。慢性缺氧并不影响大鼠肺动脉平滑肌细胞KATP通道活性，但KATP通道开放剂cromakalim和levcromakalim可明显激活慢性缺氧组大鼠KATP通道活性，且这种激活作用必须在GDP存在的前提下才能发挥作用。KATP通道是一些血管舒张刺激作用的靶通道［31］。一些细胞内信息物质如CAMP、CGMP、PKA等可使通道的活性改变，从而调节膜电位，使血管收缩或舒张［32］。这对于PAH的治疗研究有着重要的指导意义。

三、氧敏感钾基因

PASMCs上某些钾通道基因是缺氧反应基因，急慢性缺氧均可使其表达发生改变。慢性低氧时PASMCs Kv的活性及表达都受到了抑制［33］，洪志刚等［34］用半定量RT-PCR方法，研究慢性连代缺氧对大鼠PASMCs Kv1.3、Kv2.1、Kv3.1钾通道基因在急性缺氧时表达发现急，性缺氧可使PASMCs中Kv2.1、Kv3.1mRNA 表达明显上调，同时发现慢性缺氧可改变 PASMCs的 Kv2.1、Kv3.1钾通道基因对急性缺氧的反应，使其由表达上调转变为下调，从而证明Kv2.1、Kv3.1基因可能是缺氧反应基因。有研究表明，急性或慢性缺氧可引起Kv2.1活性降低、肺动脉压升高，其活性和基因表达增高，肺动脉重构减弱，肺动脉压下降［35-36］。因此认为Kv2.1基因表达变化在低氧性肺动脉高压的形成中可能起着非常重要作用。这说明Kv2.1、Kv3.1通道基因可能是缺氧反应基因，但急性缺氧对正常PASMCs的Kv2.1、Kv3.1电流的直接作用与对其基因表达的作用，两者之间的内在联系以及与HPV的关系尚不十分清楚，有待进一步研究。研究发现，在受抑制的动脉血管中只有Kv1.5的蛋白增加。此外，慢性缺氧Kv1.5基因的表达减少，恢复这个单一通道的表达(使用腺病毒基因疗法)在慢性缺氧大鼠中HPV得到恢复。相反，Archer等［18］利用基因敲除小鼠对Kv1.5与HPV的关系作了研究，对敲基因小鼠后进行离体肺、游离阻力血管，然后行全细胞膜片钳记录电流证明，四氨基吡啶和氧敏感的钾通道全细胞电流的作用大大降低，HPV减弱，PASMCs更易去极化。因此改善Kv的活性或增加Kv的基因表达无疑将有助于HPH的治疗。缺氧影响Kv基因表达的信号转导机制尚不清楚，推测可能与缺氧通过特异的转录因子(HIF-1、AP-1、NF-B等)与基因转录调控元件相互作用等有关，其中最有可能的是缺氧作用于细胞膜上一种含血红素的氧感受器，后者通过氧自由基的减少而激活HIF-1，使其由胞浆转入核内进而激活Kv基因。钾通道基因在正常大鼠肺动脉平滑肌细胞上表达正常，而在HPH大鼠PASMCs上的表达则降低，可能与低氧导致PASMCs钾通道活性下降和引起低氧性肺血管收缩，继而发生肺血管重建有关［37］。这些都表明钾离子通道基因表达的减少在慢性HPH发病中发挥重要作用。

关于钾离子通道的研究无论从深度还是广度都取得了令人鼓舞的进展，它的一些结构和功能已被人们所认识。众所周知，以PAH为特征的低氧性肺疾病正严重影响着人类的身体健康和生活质量，钾离子通道在疾病的发生发展中起着至关重要的作用，对钾离子通道的研究不仅为这类疾病的早期诊断和治疗提供了基础，并且将有助于对其他一些离子通道的功能有进一步认识和了解。因此，开发新的钾离子通道激动剂和拮抗剂将对临床治疗非常有意义。但是由于钾离子通道自身的复杂性和多样性，使人们对其结构和功能的认识上还存在着诸多的局限性，还需要进一步的研究来探讨钾离子通道对人体的各种生理及病理学意义。

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