糖尿病心肌离子通道重构的研究进展*

李 健， 刘 彤， 李广平

(天津医科大学第二医院心脏内科，天津心脏病学研究所，天津 300211)

1000-4718(2012)04-0751-05

2011-10-05

2011-11-23

国家自然科学基金资助项目(No.30900618)

△ 通讯作者 Tel：022-88328368；E-mail：tjcardiol@126.com

·综述·

糖尿病心肌离子通道重构的研究进展*

李 健， 刘 彤， 李广平△

(天津医科大学第二医院心脏内科，天津心脏病学研究所，天津 300211)

糖尿病心血管并发症是患者死亡的主要原因，其中重要的临床表现是与猝死相关的心律失常发生率较高。糖尿病患者心电图常出现与心律失常相关的QT间期延长[1-2]，且心电图的异常可不伴随其它危险因素而独立存在[3]。实验研究也显示糖尿病动物模型的QT间期延长对应心室肌细胞动作电位时程(action potential duration, APD)明显延长，APD异常的基础是相关细胞膜离子通道因糖尿病病变损伤发生了重构[4]。本文主要总结糖尿病心室肌细胞离子通道的动物实验研究，主要包括通道电流和通道蛋白分子表达的变化，探讨糖尿病引发心律失常的机理。现有的研究多数来自心室肌细胞，主要原因是研究离子通道活动的膜片钳技术更常采用细胞标本和数据记录更易获得的心室肌，且心室肌临床意义相对更重要而更被关注，其APD延长与可能产生尖端扭转型室性心动过速、心室颤动等致命心律失常的心电图QT间期延长直接相关，但本文对少数糖尿病模型心房肌细胞的研究仍加以讨论，因最近的临床研究[5-6]提示糖尿病可能增加发生心房颤动(房颤)的危险，而房颤作为临床最常见的心律失常也日益被重视。

1 糖尿病心室肌离子通道的重构

1.1瞬时外向钾通道(transient outward potassium channel, Ito)的变化 Ito电流为快速的外向钾离子流，是心肌细胞动作电位1相快速复极的主要离子流，有关糖尿病动物模型心肌离子通道的研究中，心室肌Ito的研究是最多最深入的。药物或转基因诱导的糖尿病动物模型在大鼠[7-12]、 兔[3]和犬[13]的实验研究一致显示糖尿病动物组心室肌细胞Ito电流密度较正常对照组显著减小，且有资料总结[4]糖尿病心室肌细胞Ito电流失活后快速恢复的α亚单位Kv4.2和Kv4.3编码蛋白表达减少，而失活后缓慢恢复的α亚单位Kv1.4代偿性表达增加。主要通道蛋白合成的减少和通道失活-复活动力学的改变是糖尿病心室细胞Ito电流密度减小、功能减弱的直接原因，相关的影响因素和调节机制可能有：(1)直接由于胰岛素的缺乏使各种蛋白的合成都减少，包括心肌离子通道蛋白。(2)糖尿病个体常伴随甲状腺素(triiodothyronine, T3;tetraiodothyronine,T4)缺乏， 而T3是促进心肌Ito转录的重要激素，故间接使通道蛋白合成减少[4]。(3)糖尿病个体神经营养不良，去甲肾上腺素等交感神经递质释放减少，促进Ito基因表达的刺激作用减弱[4]。(4)糖尿病引发氧化应激增强，激活肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensin system, RAS)，血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ, AngⅡ)水平升高，AngⅡ又可促进氧化应激反应使超氧化物增加而直接损害Ito的功能，而血管紧张素转化酶抑制剂(angiotensin-converting enzyme inhibitor, ACEI)等阻断AngⅡ的因素则可抑制Ito电流减小[11]；AngⅡ还可能通过激活蛋白激酶A (protein kinase A, PKA)、蛋白激酶C (protein kinase C, PKC)、酪氨酸激酶等使Ito蛋白磷酸化，使通道变构而失去活性[11,13-14]。但上述研究的动物模型都近似临床1型糖尿病，临床上2型糖尿病更常见，个体的胰岛素水平和病情病程与1型不同，心肌离子通道的变化可能不同，已有的研究[15]显示：果糖饲料喂养诱导的大鼠2型糖尿病模型心室肌细胞Ito电流较正常对照组无明显变化，而链脲菌素(streptozotocin, STZ)注射诱导的1型糖尿病大鼠Ito电流明显减小。此外，还有研究显示糖尿病心室肌Ito变化有性别差异[14, 16]：STZ诱导的糖尿病大鼠心室肌细胞Ito的减小出现在雄性个体，雌性个体Ito无显著变化，提示糖尿病对心肌通道的损害在雄性个体更敏感，可能因AngⅡ在不同性别的作用途径不同，可见内分泌的调节对糖尿病状态下心肌离子通道的重构也起一定作用。

1.2L型钙通道(L-type calcium channel, ICa, L)的变化 ICa,L电流为内向缓慢钙离子流，是形成心肌细胞动作电位2相复极“平台期”的主要离子流。糖尿病对心室肌细胞ICa,L的影响仍有争议，即使是相同物种的研究报道也不一致。多数研究显示糖尿病动物模型心室肌细胞ICa,L电流密度较之正常对照无显著变化(数值不变或略有减小但无统计学意义)[7, 13, 17-20]，或显著减小[3, 8, 21]。其中为数不多的分子生物学实验显示ICa,L相关通道蛋白的表达与其电流密度的改变并不一致，如糖尿病犬ICa,L电流密度无变化[14]，糖尿病兔ICa,L电流密度有所减小[3]，而两研究[3, 14]都表明编码ICa,L的Cav1.2通道蛋白(α1C亚单位)表达并无显著变化，可见即使有通道功能减弱却可无明显结构基础的表达缺失。糖尿病对心室肌ICa,L的影响可能和病程长短有关——糖尿病的病理状态持续越久，ICa,L可能减小越明显。有两个四氧嘧啶诱导的家兔糖尿病模型的研究似乎支持这一推断。Lengyel 等[13]报道3周的糖尿病家兔心室肌ICa,L与对照组相比无改变；而Zhang 等[3]则报道10周的糖尿病家兔ICa,L电流密度减小可达22%(但如前所述：相关Cav1.2通道蛋白表达无明显下调)，糖尿病状态的心肌细胞膜磷脂组分的改变和钙结合状况的变化，以及实验条件如细胞内外pH或Ca2+浓度的不同，都可能造成各研究结果不一致[19]。有转基因Akita糖尿病小鼠的实验研究[21]显示：糖尿病小鼠心室肌细胞ICa,L电流减小伴随α1C亚单位表达下降与磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinases, PI3-K)信号通路的反应减弱相关，注射胰岛素或三磷酸肌醇[PI(3,4,5)P3]可使糖尿病小鼠ICa,L接近正常野生型。根据现有研究推断：糖尿病可使心室肌细胞ICa,L电流密度略有减小，与长期氧化应激损伤和相关代谢途径(如PI3-K)弱化抑制了Cav1.2编码通道的功能有关。

1.3延迟整流钾通道(delayed rectifier potassium channel, IK)的变化 心室肌IK电流是重要的外向钾离子流，包括快速激活的延迟整流钾通道(rapid delayed rectifier potassium channel,IKr)和缓慢激活的延迟整流钾通道(slow delayed rectifier potassium channel, IKs)，IKr和IKs电流是共同构成心室细胞3相复极的主要离子流，还是在2相复极中与内向ICa,L电流相抗衡形成平台期的主要离子流。IKr和IKs在心室肌细胞复极过程中的作用极其重要，但有关糖尿病对心室肌IKr和IKs的重构作用研究较少，结果也不完全一致。Zhang等[22]研究显示糖尿病家兔心室肌细胞IKr电流密度较正常对照显著减小，且编码IKr的ERG通道蛋白表达明显下降，与胰岛素促进葡萄糖转运相关的蛋白激酶B(protein kinase B, PKB或Akt)信号通路也明显减弱，而注射胰岛素使糖尿病家兔IKr电流密度和ERG通道蛋白表达恢复接近正常，心电图QT间期恢复正常；随后的另一个研究[3]显示6周糖尿病家兔心室肌细胞IKr电流密度较正常对照减小且编码IKr的ERG(ether-a-go-go相关基因,ether-a-go-go-related gene)通道蛋白表达明显下降，IKs电流密度较正常对照显著减小，编码IKsα亚单位的KCNQ1(KvLQT1)通道蛋白表达无明显变化而编码β亚单位的KCNE1(minK)蛋白表达比正常对照明显下降，并推算IKr电流的减小理论上使家兔心室肌细胞APD延长30%而IKs电流的减小未明显改变APD，Zhang等[22]认为IKr电流的减弱是糖尿病心室肌APD延长及心电图QT间期延长的主要离子基础，与糖尿病氧化应激活性氧系列产物增加和PKB信号通路减弱有关。Lengyel等[13]则有研究显示糖尿病犬IKs电流密度较正常对照显著减小，编码IKs的minK通道蛋白表达明显低于正常而α亚基的KvLQT1表达高于正常，IKr电流密度与正常相当，编码IKr的HERG和MiRP1通道蛋白表达较正常无变化，提示IKs的KvLQT1与IKr的HERG编码蛋白表达在糖尿病状态下有协同，IKs与IKr电流可相互补偿，此后的另一个研究[17]显示3周糖尿病家兔心室肌细胞IKr电流密度较正常无变化而IKs电流密度较正常对照显著减小，Lengyel等[13]认为与Zhang等[22]的研究结果不同可能因糖尿病家兔病程长短不同造成病变对离子通道的损害程度不同，并认为糖尿病心室肌APD延长和相应心电图QT延长的主要因素是IKs离子流的明显减损。而在人体心脏IKs离子流是重要的心室肌复极储备电流[23]：当病理因素(如基因异常、缺血缺氧、心力衰竭、糖尿病等)使心肌部分复极通道(主要是Ito、IKr等钾通道)受到抑制造成复极减缓APD延长时，IKs离子流作为储备代偿性增加开放，促进复极，以限制APD过度延长。可见糖尿病心室肌IKs的重构有重要临床意义，是心律失常发生的基础之一。最近有研究[24]显示糖尿病家兔心室肌细胞IKs重构有性别差异：雌雄个体的QT间期和心室肌细胞APD均较正常对照延长，雄性IKs电流密度低于正常，KvLQT1和minK编码蛋白表达水平下降，而雌性IKs电流密度和两编码蛋白表达均高于正常对照。

1.4内向整流钾通道(inward rectifier potassium channel, IK1)的变化 IK1电流是维持心肌细胞静息状态，即4相复极的背景离子流。已有的研究[3, 7, 9, 13-14]一致表明糖尿病动物心室肌细胞IK1电流密度较之正常无变化，糖尿病并不改变心室IK1的功能与分子表达。

1.5快钠通道(sodium channel, INa)的变化 INa电流是心肌细胞0相除极的快速内向离子流，与心肌的传导性和兴奋性密切相关。现有研究[3]显示糖尿病家兔心室肌细胞INa电流密度和通道编码蛋白Nav1.5的表达较之正常对照无改变，糖尿病并不影响心室肌的除极。

综前所述，糖尿病状态下心电图QT间期延长对应心室肌APD延长，APD长短取决于复极时间，故负责心室肌复极的离子通道重构决定了糖尿病心室肌APD的改变，复极相钾通道Ito、IKr和IKs离子流的减小起主要作用，其中IKr和IKs的下调改变对APD的延长最为重要，作为复极储备的IKs的减损使APD延长进一步失控则可能成为心律失常的基础。ICa,L的重构对APD的作用有限，虽电流略有减小，但使APD缩短的作用远被IKr和IKs电流的明显减小所抵销。糖尿病对心室肌的除极(INa)和静息状态(IK1)无明显影响。糖尿病心室肌离子通道重构的因素可能有：胰岛素不足直接造成通道蛋白合成减少，氧化应激活性氧产物增加损伤心肌离子通道，促通道蛋白合成的激素缺乏(如T3)，神经营养刺激因素(如交感递质)不足，相关激酶(PKA、PKC、PKB等)活性的改变使通道失活或表达下调等。

2 糖尿病心房肌离子通道的重构

糖尿病对心房肌电生理性质的影响有关研究极少，有一微电极记录的研究[25]显示STZ诱导的糖尿病大鼠病程6周时心房肌细胞复极90%振幅的动作电位时程APD90较正常对照明显延长。故可推断糖尿病心房肌离子通道的重构结果也使APD延长，有关离子通道变化的研究主要有以下两个[26-27]。

2.1瞬时外向钾通道(Ito)的变化 Shimoni等[26]研究显示STZ诱导的糖尿病大鼠心房肌细胞Ito电流密度较正常对照无变化，与心室肌细胞Ito电流密度明显减小形成鲜明对比，如前所述AngⅡ促进氧化应激反应使超氧化物增加而减小心室细胞Ito电流密度，该研究则表明AngⅡ水平在糖尿病心室肌明显升高而在心房肌无升高，而对照组(或STZ诱导前)心房肌基础AngⅡ反而较高，糖尿病心房肌细胞超氧化物水平明显低于心室肌细胞，提示在糖尿病心房细胞AngⅡ介导的氧化应激途径被抑制并非AngⅡ合成减少，ACEI使糖尿病心室细胞Ito电流增大却对心房细胞Ito电流无影响。经进一步实验推断：糖尿病心房与心室细胞Ito电流密度变化不一致是由于心房肌所含心房利钠肽(atrial natriuretic peptide, ANP)抑制RAS的激活，即心房细胞ANP拮抗AngⅡ而阻断氧化应激反应，使Ito电流密度不减小。

2.2乙酰胆碱激活的钾通道(acetylcholine-activated potassium channel, KACh)的变化 KACh是心房肌细胞特有的外向钾离子流，不存在于心室肌细胞，KACh可由乙酰胆碱、碳酰胆碱、腺苷等激活M受体，经G蛋白介导，低电压激活的内向整流钾通道，被激活可促进复极，使心房肌APD缩短，与迷走神经张力增高或胆碱物质引发房颤密切相关。Park等[27]研究显示转基因1型糖尿病Akita小鼠心房肌细胞KACh电流密度明显较野生型对照组减小，糖尿病心房肌细胞KACh电流密度减小与胰岛素缺乏使KACh相关G蛋白偶联的内向整流钾通道(G protein-coupled inward rectifying potassium channel,GIRK1)通道蛋白表达下降以及经甾体调节元件结合蛋白-1(sterol regulatory element binding protein-1, SREBP-1)表达下降使副交感反应减低有关；当然糖尿病神经病变使迷走神经递质释放减少可直接造成KACh电流减小。

根据现有研究分析，糖尿病可造成心房细胞APD延长，与KACh电流减小有一定关系，与Ito无关，而其它复极相关离子通道如ICa,L、IK、IK1等的重构对APD估计也会有一定影响，还有待研究。

3 存在的问题

已有的实验研究所用糖尿病模型大多数是药物损伤诱导模型，如STZ大鼠、四氧嘧啶家兔/犬，少数为转基因大鼠/小鼠模型，上述模型均接近临床上1型糖尿病，2型糖尿病模型(如果糖饲养大鼠)研究极少，而1、2型糖尿病心肌离子通道的重构变化可能不同；糖尿病动物的观察期即病程长短与心肌离子通道重构的程度有很大关系；因实验动物种属差异造成离子通道编码的差别也会影响研究结果；糖尿病心肌离子通道的重构还存在一定的性别差异；其它细节如左右心室/左右心房的差异，同一心室内、中、外不同层面细胞的电学异质性都可能影响实验研究结果。

总之，糖尿病影响心肌细胞离子通道重构的因素繁多而复杂，根本机制未完全明了，很多研究还需要深入，尤其是对2型糖尿病模型的研究，以及对心房肌细胞的研究。

[1] Whitsel EA, Boyko EJ, Rautaharju PM, et al. Electrocardiographic QT interval prolongation and risk of primary cardiac arrest in diabetic patients [J]. Diabetes Care, 2005, 28(8): 2045-2047.

[2] Lu J, Hu C, Hu W, et al. A common variant ofNOS1APis associated with QT interval duration in a Chinese population with Type 2 diabetes [J]. Diabet Med, 2010, 27(9): 1074-1079.

[3] Zhang Y, Xiao J, Lin H, et al. Ionic mechanisms underlying abnormal QT prolongation and the associated arrhythmias in diabetic rabbits: A role of rapid delayed rectifier K+current [J]. Cell Physiol Biochem, 2007, 19(5-6): 225-238.

[4] Gallego M, Alday A, Urrutia J, et al. Transient outward potassium channel regulation in healthy and diabetic hearts [J]. Can J Physiol Pharmacol, 2009, 87(2): 77-83.

[5] Dublin S, Glazer NL, Smith NL, et al. Diabetes mellitus, glycemic control, and risk of atrial fibrillation [J]. J Gen Intern Med, 2010, 25(8): 853-858.

[6] Huxley RR, Filion KB, Konety S, et al. Meta-analysis of cohort and case-control studies of type 2 diabetes mellitus and risk of atrial fibrillation [J]. Am J Cardiol, 2011, 108(1): 56-62.

[7] Jourdon P, Feuvray D. Calcium and potassium currents in ventricular myocytes isolated from diabetic rats [J]. J Physiol, 1993, 470: 411-429.

[8] Wang DW, Kiyosue T, Shigematsu S, et al. Abnormalities of K+and Ca2+currents in ventricular myocytes from rats with chronic diabetes [J]. Am J Physiol, 1995, 269 (4 Pt 2): H1288-H1296.

[9] Xu Z, Patel KP, Rozanski GJ. Metabolic basis of decreased transient outward K+current in ventricular myocytes from diabetic rats [J]. Am J Physiol, 1996, 271(5 Pt 2): H2190-H2196.

[10]Tsuchida K, Watajima H. Potassium currents in ventricular myocytes from genetically diabetic rats [J]. Am J Physiol, 1997, 273(4 Pt 1): E695-E700.

[11]Shimoni Y, Hunt D, Chuang M, et al. Modulation of potassium currents by angiotensin and oxidative stress in cardiac cells from the diabetic rat [J]. J Physiol, 2005, 567 (Pt 1):177-190.

[12]Li X, Xu Z, Li S, et al. Redox regulation of Itoremodeling in diabetic rat heart [J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2005, 288(3): H1417-H1424.

[13]Lengyel C, Virág L, Bíró T, et al. Diabetes mellitus attenuates the repolarization reserve in mammalian heart [J]. Cardiovasc Res, 2007, 73(3): 512-520.

[14]Shimoni Y, Liu XF. Gender differences in ANG II levels and action on multiple K+current modulation pathways in diabetic rats [J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2004,287(1): H311-H319.

[15]Shimoni Y, Ewart HS, Severson D. Type I and II models of diabetes produce different modifications of K+currents in rat heart: role of insulin [J]. J Physiol, 1998, 507(Pt 2): 485-496.

[16]Shimoni Y, Liu XF. Sex differences in the modulation of K+currents in diabetic rat cardiac myocytes [J]. J Physiol, 2003, 550(Pt 2): 401-412.

[17]Lengyel C, Virág L, Kovács PP, et al. Role of slow delayed rectifier K+-current in QT prolongation in the alloxan-induced diabetic rabbit heart [J]. Acta Physiol (Oxf), 2008, 192(3): 359-368.

[18]Tsuchida K, Watajima H, Otomo S. Calcium current in rat diabetic ventricular myocytes [J]. Am J Physiol, 1994, 267(6 Pt 2): H2280-H2289.

[19]Arikawa M, Takahashi N, Kira T, et al. Enhanced inhibition of L-type calcium currents by troglitazone in streptozotocin-induced diabetic rat cardiac ventricular myocytes [J]. Br J Pharmacol, 2002, 136(6): 803-810.

[20]李 健, 柳 青, 李广平. 糖尿病家兔心室肌细胞L型钙电流对模拟缺血-再灌注呈“ 钝化”反应 (英文) [J]. 中国病理生理杂志, 2010, 26(11): 2155-2160.

[21]Lu Z, Jiang YP, Xu XH, et al. Decreased L-type Ca2+current in cardiac myocytes of type 1 diabetic Akita mice due to reduced phosphatidylinositol 3-kinase signaling [J]. Diabetes, 2007, 56(11): 2780-2789.

[22]Zhang Y, Xiao J, Wang H, et al. Restoring depressed HERG K+channel function as a mechanism for insulin treatment of abnormal QT prolongation and associated arrhythmias in diabetic rabbits [J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2006, 291(3): H1446-H1455.

[23]Roden DM, Yang T. Protecting the heart against arrhythmias: potassium current physiology and repolarization reserve [J]. Circulation, 2005,112(10):1376-1378.

[24]王 冰, 曹颜秀, 洪 远,等. 心脏复极储备电流IKs在糖尿病QT间期延长性别差异中的作用 [J]. 中国病理生理杂志, 2011, 27(1): 124-128.

[25]Pacher P, Ungvári Z, Nánási PP, et al. Electrophysiologi-cal changes in rat ventricular and atrial myocardium at different stages of experimental diabetes [J]. Acta Physiol Scand, 1999, 166(1): 7-13.

[26]Shimoni Y, Hunt D, Chen K, et al. Differential autocrine modulation of atrial and ventricular potassium currents and of oxidative stress in diabetic rats [J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2006, 290(5): H1879-H1888.

[27]Park HJ, Zhang Y, Du C, et al. Role of SREBP-1 in the development of parasympathetic dysfunction in the hearts of type 1 diabetic Akita mice [J]. Circ Res, 2009, 105(3): 287-294.

Recentadvanceincardiacionchannelremodelingindiabetes

LI Jian, LIU Tong, LI Guang-ping

(DepartmentofCardiology,TheSecondHospitalofTianjinMedicalUniversity,TianjinInstituteofCardiology,Tianjin300211,China.E-mail:tjcardiol@126.com)

Occurrence of lethal cardiac arrhythmia, which is associated with prolongation of the QT interval in electrocardiogram(ECG), is related to increased mortality in the patients with diabetes mellitus (DM). Increased QT interval reflects the prolonged cardiac action potential duration (APD). APD abnormality is based on by cardiac ion channel remodeling induced by DM-related pathological changes. As DM is becoming an important risk factor for atrial fibrillation, the most clinically common arrhythmia, this review mainly summarizes the alterations of ion channel currents and relevant protein expression in diabetic ventricular myocytes to explore the underlying mechanisms of arrhythmia, and also discusses some research achievements from investigating the atrial myocytes in DM,

糖尿病; 心室肌细胞; 心房肌细胞; 离子通道

Diabetes mellitus; Ventricular myocytes; Atrial myocytes; Ion channels

R587.1

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2012.04.032