ATP敏感性钾离子通道与低氧性肺动脉高压关系的研究进展

陈马云，崔志敏，章琳，王良兴，黄晓颖

（温州医科大学附属第一医院 呼吸内科 温州市呼吸循环重点实验室，浙江 温州 325015）

·综 述·

ATP敏感性钾离子通道与低氧性肺动脉高压关系的研究进展

陈马云，崔志敏，章琳，王良兴，黄晓颖

（温州医科大学附属第一医院 呼吸内科 温州市呼吸循环重点实验室，浙江 温州 325015）

ATP敏感性钾离子通道（KATP）是一种存在于细胞膜和线粒体膜上的内向整流型钾离子通道。该通道对低氧非常敏感，通过调节生物膜电位而参与生物体一系列生理和病理作用。目前对低氧性肺动脉高压（HPAH）的研究有较长历史，但其发病机制尚未完全清楚。近年研究表明，KATP与HPAH中肺血管收缩和肺血管结构重塑关系密切，且研究结果存在一些争议。本文就KATP与HPAH关系的研究现状作一综述，为今后进一步深入研究通过KATP防治HPAH提供新思路。

ATP敏感性钾离子通道；低氧；肺动脉高压；线粒体；综述文献

离子通道存在于生物体的生物膜上，参与细胞增殖、血压调节、激素分泌、神经元和肌细胞兴奋等。1952年HODGKIN等[1]创新使用电压钳技术在枪乌贼巨神经轴突上记录到细胞膜电流和电导，并对其进行研究分析发现Na+和K+的电流和电导与膜电位和时间存在函数关系，从而首次提出了离子通道的概念。随后人类对离子通道的研究从未间断。钾离子通道是离子通道中亚型最多、存在最广泛、作用最复杂的一类离子通道，在人体的多种生命活动中起着非常重要的作用。在钾离子通道60余年的研究发展史中，不同的研究方法（如电流特征、通道蛋白同源性等）使其分类变得复杂且不统一。目前主流的分类方法是依据该通道的构象特征兼顾细胞生理学特点形成的。主要分为四大类[2-4]：电压门控型钾离子通道（voltage-gated potassium channel，KV）、Ca2+激活型钾离子通道（calcium activate potassium ion channel，KCa）、内向整流型钾离子通道（inward rectifier potassium ion channel，Kir）、串连孔域型钾离子通道（tandem pore domain potassium ion channel，K2p）。本文阐述的ATP敏感性钾离子通道（ATP-sensitive potassium ion channel，KATP）属于Kir，在缺氧、缺血等病理状态下，影响细胞功能而发挥重要的调节作用。

1 KATP概述

KATP在结构上较KV简单，因缺乏S4跨膜区由氨基酸构建的带正电荷的膜电压感受器，所以不受电压门控，是一种非电压依赖性配体门控通道。按其在生物膜上分布位置的不同，可分为细胞膜KATP（sarcolemmal KATP，sarc KATP）和线粒体KATP（mitochondrial KATP，mito KATP）。前者由NOMA等[5]于1983年利用膜片钳技术研究豚鼠心室肌细胞时发现，并首次记录到一种外向电流，该电流可被细胞内注射ATP所抑制，而AMP对此电流无影响，故将其命名为KATP。随后人类又在许多组织，包括血管、胰腺、骨骼肌等发现该通道。1991年，INOUE等[6]在大鼠肝细胞线粒体内膜的膜片钳单通道记录中首次发现mito KATP。研究表明，KATP在不同的生物膜部位发挥不同的生理学、病理学效应和功能。

2 KATP的结构

目前，对sarc KATP结构研究比较清楚。其是由Kir亚单位（Kir6.x）和调控性磺酰脲类受体（sulfonylurea receptor，SUR）亚单位以4∶4比例组成的八聚体复合物，见图1[7]。Kir亚单位是Kir超家族成员，形成KATP的K+通透孔道，决定K+择性内向整流作用和单位导电系数[8]。SUR亚单位属于ATP结合盒（ATP-bingding cassette，ABC）蛋白超家族，决定了KATP对核苷酸等的敏感性和药理学特性[9-10]。KATP虽归类于Kir并包含有Kir亚基，但又不同于其他Kir。有研究发现，Kir6.x（Kir6.1或Kir6.2）单独被不同程度表达时不具有活性，只有2个亚单位共表达才能表现出KATP功能性活性。功能性KATP的结构模式包括上述的八聚体复合物、转换亚单位（transducer unit，T）及其上磷酸化位点、ATP结合抑制亚单位（ATP-binding inhibi-tory unit，A）和二磷酸核苷结合位点（nucleoside diphosphate binding site，N）。mito KATP的分子结构尚未清楚，最近的研究[11]显示，其可能包含Kir 6.1亚单位或Kir 6.2亚单位和SUR2亚单位。

3 KATP的调控

3.1 内源性物质调控 决定KATP开放情况的因素主要是ATP与ADP的浓度。ATP是该通道最强有效的内源性阻断剂，呈浓度依赖性，且其抑制作用与Mg2+无关。当ATP与KATP上A结合时，发挥配基作用，KATP通道开放受抑制而关闭。值得注意的是，ATP对KATP的调节具有双向性。当Mg2+存在时，关闭的通道由于ATP的作用使KATP上T磷酸化而开放，即Mg2+-ATP为KATP的激活剂。ADP或其他二磷酸核苷（NDPs）是KATP的内源性激动剂。在Mg2+缺乏的情况下，ADP抑制KATP活性；当Mg2+存在时，Mg2+-ADP刺激其活性。因此，ATP和ATP/ADP比值对KATP的活性调节至关重要[12-13]。

图1 KATP的结构

3.2 外源性药物调控 格列本脲、格列吡嗪、甲苯磺丁脲等磺酰脲类药物（SUs）以及5-羟基葵酸盐（5-hydroxydecanoate，5-HD）等为KATP外源性阻滞剂。SUs通过与SUR结合抑制KATP的开放。5-HD为mito KATP特异性抑制剂。吡那地尔、克罗卡林、阿普卡林、二氮嗪、尼可地尔等为KATP外源性性激动剂。其中二氮嗪、尼可地尔为mito KATP特异性激动剂[14]，见表1。

表1 KATP的开放剂与阻滞剂对sarc KATP或mito KATP的选择性

4 KATP与低氧性肺动脉高压(hypoxic pulmonary artery hypertension，HPAH)的关系

4.1 HPAH机制研究概况 HPAH属于肺动脉高压的第三大类—低氧血症相关性肺动脉高压，主要是由于慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）等疾病所致的慢性缺氧引起，其病程进展快、病死率高，临床上尚无理想的有效防治药物。低氧所致的肺动脉高压机制十分复杂，目前研究认为，其病因与低氧性肺血管收缩和肺血管结构重塑有关，但肺血管结构重塑的发生机制尚未阐明。肺动脉的内膜、中膜和外膜均参与了肺血管结构重塑中复杂的病理生理过程。其中，中膜的肺动脉平滑肌细胞（pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs）异常增殖和凋亡抵抗在HPAH形成和发展过程中起关键性作用[15]。研究表明，PASMCs中至少分布3种以上钾离子通道：KV、KCa2+和KATP[16]。其中，KATP与缺氧导致的ATP/ADP失衡等病理生理过程密切相关，而且由于其在细胞膜和线粒体内膜上分布不同产生不同的调节作用，越来越受到人们的关注。

4.2 KATP与HPAH的关系 KATP对低氧非常敏感。当组织或细胞低氧时，ATP与ADP比值发生改变而导致sarc KATP和mito KATP开放。大量的研究资料表明，KATP与HPAH的发生、发展密切相关。

4.2.1 KATP开放与HPAH的关系：Sarc KATP的开放导致细胞膜发生超极化，使Ca2+内流减少，可减轻低氧性肺血管收缩反应。KATP作为一种应激活化分子，其活化可调节机体对低氧的适应性，启发了研究人员使用KATP开放剂治疗HPAH的想法。陈磊等[17]报道经典的KATP开放剂吡那地尔可逆转慢性低氧所致的肺动脉高压。此外，还有克罗卡林、阿普卡林等亦可降低大鼠低氧性肺动脉高压[18-19]。然而，与此相反，HU等[20]报道mito KATP特异性开放剂二氮嗪可抑制PASMCs凋亡，加剧低氧所致的肺血管结构重建、肺动脉高压。其研究发现低氧或二氮嗪（mito KATP特异性开放剂）所致的mito KATP开放可抑制MPT，线粒体膜电位（Δψm）去极化，抑制细胞色素C从线粒体释放至胞浆，从而抑制PASMCs凋亡。此外，ALBERICI等[21]研究也发现mito KATP的开放使线粒体K+内流，内膜电位去极化，减少细胞色素C等促凋亡因子外溢，明显抑制凋亡。

4.2.2 KATP阻滞与HPAH的关系：WANG等[22]研究发现mito KATP特异性抑制剂5-HD减轻低氧或二氮嗪诱导的人PASMCs增殖。李秋等[23]以大鼠为研究对象，发现mito KATP特异性阻滞剂5-HD能逆转低氧诱导的肺动脉高压。DONG等[24]通过活体动物和原代PASMCs实验进一步证实了5-HD是通过阻断Δψm去极化，进而防治低氧诱导的大鼠肺动脉高压。上述研究一致认为阻滞mito KATP开放可减轻HPAH。

4.2.3 阻滞或开放KATP与HPAH相关研究结果矛盾的原因分析：我们可以发现在HPAH研究中，开放KATP似乎非常矛盾。一方面，开放KATP（使用KATP开放剂吡那地尔、克罗卡林、阿普卡林等）可减轻低氧性肺血管收缩反应、降低低氧诱导的肺动脉高压。另一方面，开放KATP（使用二氮嗪）却可引起PASMCs增殖、抑制凋亡，导致肺血管结构重建。分析其原因可能如下：

①不同的KATP开放剂靶向的部位不同或者同时靶向2个部位产生的总效应不同。如吡那地尔、克罗卡林、阿普卡林等既可开放sarc KATP又可开放mito KATP，产生的总效应是降低低氧诱导的肺动脉高压。如二氮嗪这种mito KATP相对特异性开放剂可导致PASMCs凋亡抵抗、肺血管结构重建。

②实验设计者在低氧造模方式、药物的用量和注射方法上均有所不同。有研究[25]发现，二氮嗪可以对抗由低氧所致的大鼠肺动脉高压。也有研究[17]持相反的观点，他们发现二氮嗪能加重HPAH。对比2篇论著发现实验设计者在低氧造模方式、药物的用量和注射方法上均有所不同；从药物用量上分析前者用量为50 mg/kg·d，后者用量为1.5 mg/kg·d。有研究比较了sarc KATP与mito KATP的异同，结果发现心肌细胞mito KATP对二氮嗪的敏感性是sarc KATP的2 000倍，这就是说，当一定剂量的二氮嗪在线粒体发挥心肌保护作用的同时，对sarc KATP并无效应。这观点呼应了二氮嗪在肺循环中的矛盾现象。

③sarc KATP与mito KATP之间的开放或抑制可能起着完全相反的作用。二氮嗪作为相对特异性mito KATP开放剂可能由于干预浓度的不同起着完全相反的作用，高浓度的二氮嗪可能激活了sarc KATP而发挥相反的生物学效应。吡那地尔等非特异性KATP开放剂总的药物效应偏向于对sarc KATP的开放作用。这些研究均停留在实验动物层面。但是，2015年7月美国食品药品管理局发布药物安全公告，应用二氮嗪会增加低血糖的新生儿和婴儿肺动脉高压风险[26]，因此协调sarc KATP与mito KATP之间的开放或抑制至关重要。理想的治疗HPAH药物应既减轻低氧性肺血管收缩又能逆转肺血管结构重建。MCC-134作为一种sarc KATP开放剂同时又是mito KATP阻滞剂，在肺动脉高压防治策略中可能是一个有研究价值的治疗药物[27]。

5 小结与展望

mito KATP和sarc KATP的功能及其机制还有待进一步研究，协调他们之间的开放或抑制至关重要。最近，本课题组在研究中药红景天提取物药理作用时，发现其通过线粒体凋亡途径减轻低氧诱导的肺动脉高压[28]，并发现凋亡程序的启动和药物激活mito KATP有关。KATP发现已30余年，其在HPAH中扮演了双重角色。在今后的研究中，针对sarc KATP与mito KATP开发更具特异的开放剂和阻滞剂，以及如何扩大sarc KATP激活并增强mito KATP阻滞引起的协同作用，是非常值得关注的研究方面。随着药物开发和机理研究的不断深入，相信在不久的将来，KATP将可能成为HPAH治疗中的一个新突破点。

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R541.2

A

10.3969/j.issn.2095-9400.2017.11.018

2016-07-24

国家自然科学基金资助项目（81473406）；浙江省卫生厅平台计划研究重点资助项目（2012ZDA033）；浙江省自然科学基金资助项目（LQ16H010003）；浙江省大学生科技创新活动计划资助项目（2016R413076）。

陈马云（1990-），男，浙江温州人，住院医师，博士。通信作者：黄晓颖，主任医师，教授，Email：zjwzhxy@126.com。

赵翠翠）