气道平滑肌钾通道对哮喘作用的研究进展

洪璨武怡

支气管哮喘是一种气道慢性炎症疾病，气道重塑是其重要的病理改变，临床上以突出表现为气道高反应性，可逆或部分可逆的气道阻塞，发作性的呼气性呼吸困难。目前治疗哮喘的主要药物仍旧是激素类，但多项试验研究证明，早期激素类药物的使用并不能完全逆转哮喘气道重塑，临床研究也显示一部分耐激素型的重症哮喘患者治疗效果不佳，因此，寻求新的治疗哮喘的有效途径是当下研究的热点。钾离子通道是最为复杂的一类离子通道，广泛存在各组织中执行着非常重要的生物功能。钾离子通道也广泛存在于气道平滑肌细胞(airway smooth muscle cells，ASMCs)，是各种生化因子的作用目标，了解其结构和功能有重大意义，可为哮喘的防治提供新的靶点和思路。

一、钾通道分类

钾通道在ASMCs的兴奋性调控中具有重要的生理意义，参与维持细胞的膜电位及阈电位水平，促进复极化，稳定细胞的兴奋性。多项研究表明ASMCs至少存在ATP敏感钾离子通道(ATP-sensitive K+channels，KATP)、钙激活钾通道(calcium-activated K+Channels，KCa)、电压依赖性钾离子通道(voltage-dependent K+channels，Kv)，其中 KCa分为3 种:大电导钙激活钾通道(large conductance calcium-activated potassium channels，BKCa)、中电导钙激活钾通道(intermediate conductance calcium-activated potassium channels，IKCa)、小电导钙激活钾通道(small conductance calcium-activated potassium channels，SKCa)。本文重点介绍近年来有关哮喘机制研究较多的 BKCa、IKCa、Kv。

二、钾通道的结构和功能

1．BKCa:BKCa气道平滑肌细胞上分布最广泛的钾通道之一，1991年，Atkinson等首次由果蝇中克隆出BKCa通道，它由α-亚单位和β-亚单位共同组成，其中α-亚单位是结构亚单位，构成孔道，由Slo1(KNCMA1)基因编码，分为跨膜区和细胞内C-末端区两部分。跨膜区由7个跨膜片段(S0～S6)构成，β-亚单位是调节亚单位，感受Ca2+及电压的变化，从而调控通道的动力学特性。已发现BKCa通道有4种不同类型的β-亚单位(β1～β4)，研究显示BK钙通道在人的气道平滑肌细胞亚型表达β1亚基［1］，这与小鼠气管平滑肌上发现表达β1亚基是一致的［2］。BKCa依赖电压和胞内Ca2+浓度双重调节来限制Ca2+内流，对细胞的兴奋起到负反馈调节的作用。

2．IKCa:1997 年，Ishii等［3］从人胰腺组织中克隆出 KCa3．1(IKCa)的编码基因KCNN4，位于第19号染色体(19q13．2)。KCa3．1含有428个氨基酸，肽链的N、C末端终止于膜内侧，以及S1～S6的6个α螺旋结构的疏水跨膜域组成，同源四聚体合并成1个有功能的 KCa3．1 通道蛋白［3，4］。KCa3．1 是非电压依赖性通道，因细胞内钙离子与钙调蛋白结合而激活，钙调蛋白位于C末端，起钙离子感受器的作用。KCa3．1分布在多种不同类型的细胞上，Shepherd等［5］第1次证实了该通道也表达于正常以及哮喘的人体的ASMCs上。

3．Kv:近年来的研究已证实Kv通道基因是个超级家族，存在着许多基因亚型。Kv通道在维持静息膜电位中起重要作用。电压依赖性K+通道Kv7家族是目前研究的热点，由KCNQ基因编码。其具有6种不同类型的S1～S6跨膜结构，S1～S4这4个跨膜结构构成了通道的电压感受器，N、C末端均在胞内。到目前为止，一共发现 5个家族成员:Kv7．1～Kv7．5［6］。在人的 ASMCs中的表达模式与鼠的动脉平滑肌细胞类似，表达KCNQ1、KCNQ4和KCNQ5基因，几乎不表达或者很少表达KCNQ2和KCNQ3，不象其他类型的电压依赖的K+通道，Kv7通道是可在非常低的电压(约-60mV)被激活和在多种类型的可兴奋细胞中维持的静息膜电压的稳定［7］。

三、钾离子通道与平滑肌的张力调控

BKCa在ASMCs上大量存在，被认为是控制气道张力调控的一个重要的途径。气道平滑肌大量存在毒蕈碱受体，刺激这些受体抑制BKCa负反馈的调节器，从而促进收缩。副交感神经激活M3和M2毒蕈碱型乙酰胆碱受体，调节控制气道平滑肌收缩的肌质网钙释放。BKCa的β1基因的敲除可增强M2受体介导的平滑肌收缩［8］。Zhou 等［9］研究发现，毒蕈碱型受体通过磷脂酶C-PKC路径抑制气道平滑肌BKCa通道活性，但是是否有其他途径参与仍是未知的。另外缓激肽是一种炎性介质，可激活 BKCa通道。ASMCs通过细胞色素P-450(CYP-450)ω-羟化酶等各种酶途径代谢花生四烯酸(AA)，产生20-羟二十碳四烯酸(20-HETE)，从而激活BKCa通道，使人体ASMCs超极化和舒张［10］。还有IL-4，是哮喘病理生理的一个重要的细胞因子，已知的可促进哮喘表型的细胞因子，可迅速增加 BKCa通道在正常人体ASMCs的活性，有利于细胞松弛［11］。

另外，KV通道也参与调节细胞的张力效应。最近，布吕格曼等首先发现KCNQ通道均可表达在豚鼠和人体ASMCs上，封锁KCNQ通道明显增强组胺、乙酰胆碱引起的 ASMCs收缩［12］。

事实上，KCNQ和BKCa通道的作用被认为可能是互补的。细胞内钙离子低时，低电压阈值的KCNQ通道可能控制静息膜电位，由于膜电位去极化和胞内钙离子升高，BKCa通道被激活，在毒蕈碱信号中影响更大。KCNQ通道是BKCa通道激活时控制气道收缩的重要补充，KCNQ通道可以通过激动剂对抗毒蕈碱诱发的收缩［13］。已有实验证明硝普钠能部分开放被动致敏的人体ASMCs的BKCa和Kv通道，使ASMCs极化，降低其兴奋性，使气道松弛［14］。

四、钾通道与气道平滑肌增殖和迁移

多项研究均证实，ASMCs的增殖是造成哮喘患者气道阻塞、气道重塑的首要原因，另外，ASMCs迁移也是哮喘气道重塑形成的一个需要重视的因素。其具体机制尚不明确。可以肯定的是，是通过多条途径的联合作用，而不是靠单一的某个通路来实现。钾离子通道就是其中一个重要的信号通路。

细胞进入细胞周期需要K+通道的激活，进入G2期和S期的细胞数量增多，促进细胞的增殖［15］。K+通道激活介导的超极化能调节Ca2+信号，以改变细胞的功能，有选择地激活平滑肌的生长机制，如生长因子基因的表达，参与细胞分裂激酶和其他进程的激活和磷酸化［16，17］。

近些年研究较多的KCa3．1通道，调节多种不同类型细胞的活化、增殖、迁移，包括气道的炎症及结构细胞，但是其机制和功能还有待探索。碱性成纤维细胞生长因子(FGF)和TGF-β可刺激气道平滑肌KCa3．1表达上调，抑制该通道可导致有丝分裂原刺激细胞的生长的停滞［5］。

Cruse等［18］通过对体外培养健康受试者和哮喘患者外周血纤维细胞的研究，证实了封锁KCa3．1通道能明显抑制成纤维细胞的迁移，ASMCs部分可由成纤维细胞分化而来，间接提示了封锁KCa3．1通道可能于ASMCs会有相似的效果。血小板衍生生长因子(PDGF)，众所周知是有丝分裂原，也是细胞迁移的趋化因子，有研究显示PDGF可以上调KCa3．1在气道平滑肌上的表达，从而诱导平滑肌细胞的迁移性生长［19］。

最近的研究证实了特定的KCa3．1阻滞剂TRAM-34可减少嗜酸性粒细胞，减轻气道重塑［20］。Yu等［19］进一步证实，TRAM-34通过增加 Th2型细胞因子和减少Th1型细胞因子抑制卵清蛋白诱导的气道炎症，减少上皮下细胞外基质沉积、杯状细胞增生，以及气道高反应性。从药理、基因上封锁KCa3．1，可抑制哮喘ASMCs增殖和迁移，并使细胞周期停滞在 G0/G1期。以上的研究表明KCa3．1在以气道炎症和重塑为特征的哮喘中重要的作用，可以推测KCa3．1受体阻滞剂可能为临床提供新的有效的治疗策略。

五、钾通道与哮喘平滑肌细胞表型转变

支气管哮喘气道重塑的发生和发展机制是极其复杂的病理生理过程，而气道平滑肌在其中所起的作用受到重视，它不仅参与气道壁的收缩和增殖，而且在细胞外因子刺激下可能有表型的转变，即从收缩型转变为合成型(也称增殖型)平滑肌细胞，从而发挥哮喘“炎症细胞”的功能［20，21］。

大电导和中电导通道表达的变化是伴随着血管平滑肌细胞“收缩”和“增殖”特征的表型调节的，收缩表型的血管平滑肌细胞高度表达BKCa，而增生表型主要表达IKCa。气道重塑被认为涉及呼吸道细胞的表型转化，包括平滑肌细胞，获得改变的增殖表型。ASMCs的表型转变与血管平滑肌相比有类似的地方，虽然各种不同细胞间存在细胞特异性的差异，但是其机制对研究ASMCs表型转变有很多值得借鉴的。因此我们推测在哮喘气道重构ASMCs表型转换中BKCa可能下调，IKCa表达上调，其机制尚不清楚，是一个相对没被探及的领域。

六、展 望

现阶段，糖皮质激素仍是临床治疗哮喘的最重要的药物，多项数据显示，该药对约90%的哮喘患者是有效的，但有10%的患者疗效不佳。这些重症或难治患者难以得到有效治疗，针对炎症反应的新型治疗方法不断涌现，如抗TNF-α、抗白介素(IL)-4，但到今天为止，其治疗效果一直令人失望，因此临床需要新的不同作用机制的抗哮喘药物。研究如何提高BKCa、Kv通道活性，可能成为哮喘支气管扩张剂为缓解气道挛缩提供治疗价值。研究如何抑制KCa3．1通道活性的方法，可能部分抑制哮喘的炎症反应及气道重塑。而钾离子通道选择性表达与平滑肌细胞表型转变的机制的探索，为进一步研究预防或早期逆转哮喘气道重塑提供了全新的靶点。

最近的研究发现，KCa3．1通道阻滞剂导致耐氟替卡松CX3CL1、CCL5、CCL11基因和蛋白质表达的显著降低，KCa3．1通道阻滞剂也恢复氟替卡松诱导GC-α受体的磷酸化。封锁KCa3．1可以提高糖皮质激素在严重哮喘治疗中的活性。而口服活性KCa3．1阻滞剂ICA-17043已经研发出来并进入临床试验阶段。这为重症哮喘，尤其是激素耐药的哮喘患者带来了曙光。笔者相信钾离子通道已成为哮喘治疗的重要靶点，在未来钾离子通道的研究会取得丰硕的成果。

1 Martin G，O'Connell RJ，Pietrzykowski AZ，et al．Interleukin-4 activates large-conductance，calcium-activated potassium(BKCa)channels inhuman airway smooth muscle cells［J］．Exp Physiol，2008，93(7):908-918

2 Semenov I，Wang B，Herlihy JT，et al．BK Channel β1 subunit regulation of calcium handling and constriction in tracheal smooth muscle［J］．Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2006，291(4):802-810

3 Ishii TM，Silvia C，Hirschberg B，et al．A human intermediate conductance calcium-activated potassium channel［J］．Proc Natl Acad Sci U S A，1997，94(21):11651-11656

4 Maher AD，Kuchel PW．The Gárdos channel:a review of the Ca2+-activated K+channel in human erythrocytes［J］．Int J Biochem Cell Biol，2003，35(8):1182-1197

5 Shepherd MC，Duffy SM，Harris T，et al．KCa3．1 Ca2+activated K+channels regulate human airway smooth muscle proliferation［J］．Am J Respir Cell Mol Biol，2007，37(5):525-531

6 Robbins J．KCNQ potassium channels:physiology，pathophysiology and pharmacology［J］．Pharmacol Ther，2001，90(1):1-19

7 Mackie AR，Byron KL．Cardiovascular KCNQ(Kv7)potassium channels:physiological regulators and new targets for therapeutic intervention［J］．Mol Pharmacol，2008，74(5):1171-1179

8 Semenov I，Wang B，Herlihy JT，et al．BK channel β1 subunits regulate airway contraction secondary to M2 muscarinic acetylcholine receptor mediated depolarization［J］．J Physiol，2011，589(7):1803-1817

9 Zhou XB，Wulfsen I，Lutz S，et a1．M2 muscarinic receptors induce airway smooth muscle activation via a dual，Gbetagamma-mediated inhibition of large conductance Ca2+-activated K+channel activity［J］．J Biol Chem，2008，283(30):21036-21044

10 Morin C，Sirois M，Echave V，et al．Functional effects of 20-HETE on human bronchi:hyperpolarization and relaxation due to BKCachannel activation［J］．Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2007，293(4):1037-1044

11 Martin G，O'Connell RJ，Pietrzykowski AZ，et al．Interleukin-4 activates large-conductance，calcium-activated potassium(BKCa)channels inhuman airway smooth muscle cells［J］．Exp Physiol，2008，93(7):908-918

12 Brueggemann LI，Kakad PP，Love RB，et al．Kv7 potassium channels in airway smooth muscle cells:signal transduction intermediates and pharmacological targets for bronchodilator therapy［J］．Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2012，302(1):120-132

13 Evseev AI，Semenov I，Archer CR，et al．Functional effects of KCNQ K+channels in airway smooth muscle［J］．Front Physiol，2013，4:277

14 叶涛，徐永健，张珍祥，等．一氧化氮对被动致敏人气道平滑肌细胞钾通道的作用［J］．中华结核和呼吸杂志，2006，29(4):278-279

15 Neylon CB．Potassium channels and vascular proliferation［J］．Vascul Pharmacol，2002，38(1):35-41

16 Dolmetsch RE，Lewis RS，Goodnow CC，et al．Differential activation of transcription factors induced by Ca2+response amplitude and duration［J］．Nature，1997，386(6627):855-858

17 Hardingham GE，Chawla S，Johnson CM，et al．Distinct functions of nuclear and cytoplasmic calcium in the control of gene expression［J］．Nature，1997，385(6613):260-265

18 Cruse G，Singh SR，Duffy SM，et al．Functional KCa3．1 K+channels are required for human fibrocyte migration［J］．J Allergy Clin Immunol，2011，128(6):1303-1309

19 Yu ZH，Wang YX，Song Y，et al．Up-regulation of KCa3．1 promotes human airway smooth muscle cell phenotypic modulation［J］．Pharmacol Res，2013，77:30-38

20 Girodet PO，Ozier A，Carvalho G，et al．Ca2+-activated K+channel-3．1 blocker TRAM-34 attenuates airway remodeling and eosinophilia in a murine asthma model［J］．Am J Respir Cell Mol Biol，2013，48(2):212-219

21 Yu ZH，Xu JR，Wang YX，et al．Targeted inhibition of KCa3．1 channel attenuates airway inflammation and remodeling in allergic asthma［J］．Am J Respir Cell Mol Biol，2013，48(6):685-693