心肌细胞横管系统与钙离子稳态相关性的研究进展

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Ca2+是维持心肌细胞兴奋性、传导性和收缩性的必需物质，也是胞内信号转导的重要信号分子。胞内钙稳态失调几乎出现在包括心肌肥厚、心律失常和心力衰竭等多种心血管系统疾病的病理过程中。T管系统是一种心肌细胞膜在Z线处内陷形成的特化超微结构。其上富集了包括钠钙交换体(NCX)、L-型钙通道(LTCC)和钙泵(Ca2+-ATPase)等多种通道和转运蛋白，在维持心肌细胞内Ca2+稳态方面发挥了重要作用。因此，探讨心肌细胞T管系统与Ca2+的相关性对深入揭示胞内钙稳态失调的病理机制具有重要意义，同时也有望为以细胞内钙稳态失调为共同特征的心血管疾病的治疗提供了方向。

1 T管系统结构

T管是心肌细胞细胞膜内陷形成的内径大小不同、长短均不等的管状结构，螺旋包绕肌原纤维，并在Z线形成规则的纵横网状结构[1]。T管膜的总面积占心肌细胞膜总面积的1/3以上，但是T管的总容积很小，只占心肌细胞体积的1%～3%[2]。T管表面积与体积之比很大的特点，有利于细胞内外信号分子和离子向胞内的传递。同时T管与肌浆网(SR)在空间上构成二联体结构，有利于钙诱导钙释放(CICR)过程高效同步地发生[3]。T管膜上富集了NCX、LTCC、Na+-K+-ATPase等多种通道和转运蛋白，并且它们在T管膜上的分布密度大大高于表面膜[4-5]。其中LTCC、NCX、Na+-K+-ATPase、K+通道在T管膜上的分布量占其在心肌细胞膜离子通道总量的比例均超过50%[6]。此外，T管在心室肌的密度远大于心房肌，这种分布差异决定了二者对Ca2+调节能力与作用方式的不同，是心房和心室电活动差异的解剖证据之一[7]。

2 T管系统功能

T管系统在心肌细胞电兴奋、钙信号转导与心肌细胞收缩中均发挥了重要作用。LTCC介导的Ca2+流是心肌细胞动作电位2期的主要内向去极化电流。T管对胞内Ca2+的调节作用主要依赖富集于T管膜上的LTCC。心肌兴奋时，胞外Ca2+通过LTCC流入胞浆触发CICR过程[8]，进而激活兴奋-收缩耦联，引起心肌细胞收缩。T管深入胞内的纵横网状系统有利于电兴奋快速传导和同步化发生。经T管膜上LTCC内流的Ca2+同时也能作为第二信使，激活钙调蛋白，进一步促进兰尼碱受体(RyR)-Ca2+通道开放，触发肌质网释放更多的Ca2+。此外，T管膜上富集的NCX参与了将胞内Ca2+快速转运到胞外的过程。

3 T管系统重构对钙离子通道的影响

T管系统重构以T管变短、肥大、单位面积内T管密度下降为特征，这种结构改变会导致富集于T管处的LTCC功能紊乱，引起胞内Ca2+在时空上非同步性释放，进而影响动作电位及心肌收缩。同时，T管重构导致兴奋收缩耦联结构解离增多，T管再分布远离Z线，孤立型RyR增多，SR出现钙过载[9-10]。研究显示心肌梗死后心力衰竭大鼠T管退化约40%，且胞内Ca2+显著升高，T管LTCC功能下调约25%[11]。另据报道，扩张型心肌病心脏不同区域收缩力的差异与该区域T管系统结构的完整性存在很大关联[12]。缺血性心脏病心肌细胞的LTCC数量虽未发生明显改变，但其在T管膜上的富集特征发生改变，呈现在T管与细胞膜表面上均匀分布的特点[13]。这种重新分布甚至在早期心肌尚未肥大时就已启动，但因缺少与RyR形成的耦联结构而无法完全代偿。不过，LTCC再分布可能降低T管重构对动作电位及心肌收缩的影响，以严格保证钙瞬变的时空同步性。T管处功能性LTCC减少，可能是由于LTCC的磷酸化增加，而不单纯是LTCC的脱失和非功能LTCC增加，这也解释了为何心力衰竭时LTCC总量并未发生明显改变的现象[13]。

4 T管系统重构相关蛋白对钙通道的影响

T管局部区域Ca2+水平受到严格调控，除LTCC外，还需要T管相关蛋白的参与，其中桥接整合因子1 (BIN1)、2型junctophilin蛋白 (JP-2)、窖蛋白-3(caveolin-3)在T管重构中的作用最为重要[14-16]。

BIN1可介导LTCC定位到T管膜，并调节Ca2+流动[14，17]。BIN1存在功能不同的同源异构体，其中BIN1+13+17可引导细胞膜沿Z线向细胞内延伸而形成T管[18]，BIN1+11+17可稳定折叠结构[19]。研究显示，心力衰竭后出现的T管结构改变和BIN1的丢失有关[18，20]。BIN1可沟通定位于T管的LTCC，参与钙瞬变的发生，且BIN1主要通过加强功能性LTCC，来降低T管重构对钙瞬变的影响[20]。BIN1表达下调会降低T管密度，严重影响T管膜上LTCC的功能和兴奋收缩耦联结构，导致钙瞬变的异常[21-22]。

JP-2是定位于心肌细胞膜与SR之间的膜结构蛋白[23]，促进T管-SR耦联结构的组装[2]。JP-2还可促进T管的自我恢复[15]。有研究发现JP-2能调节T管的形成方向和控制游离RyR与T管的耦联，而不增加T管密度[22]。敲除JP-2会导致T管系统结构紊乱，使兴奋收缩耦联结构间隙变宽，但并未影响RyR的表达水平[24]。此外，磷脂酰肌醇(-3)激酶(PI3K)对T管系统功能的维持作用也与JP-2有关[25]。另据报道，β-肾上腺素受体(β-AR)拮抗剂能通过上调JP-2表达，从而抑制T管重构的发展，改善心肌功能[26]。因此，JP-2可作为治疗心力衰竭的潜在靶点[27]。

窖蛋白(caveolin)主要位于胞膜窖内，该蛋白有1(α、β)、2、3三种亚型。其中caveolin-3在心肌细胞高表达，不但参与T管系统的早期发育[28]，还与T管系统重构密切相关[29]。T管系统与caveolin-3的关系主要体现在对离子通道和信号转导过程的调节上。caveolin-3可调节钙通道[30]、钠通道[31]、钾通道[32-34]、氯通道[35]，尤其与LTCC密切相关[36]。研究显示部分RyR、LTCC与caveolin-3共定位[37]。caveolin-3过表达小鼠会发生多种离子通道的异常而出现电生理改变[34]。在信号转导方面，胞膜窖内集合的多种G蛋白耦联受体和Ca2+通道参与了多条信号通路的信号转导过程[38-39]，而caveolin-3在其中起到了枢纽作用[40]。胞膜窖中的ceveolin-3虽然不能直接参与到LTCC-RyR耦联结构中，但是它能通过与β2-肾上腺素受体(β2-AR)、腺苷酸环化酶(cAMP)、蛋白激酶A以及蛋白磷酸酶等形成复合体，从而调节胞内Ca2+水平[39，41-42]。心力衰竭时，部分β2-AR从T管膜上转位到细胞表面膜上，引起局部电位异常，使β-AR相关信号无法及时下传[43]，导致心肌细胞内环磷酸腺苷(cAMP)信号通路的紊乱[44]。而高表达caveolin-3可使β2-AR重新定位到T管膜上，防止cAMP信号通路的异常[45]。此外，一部分心肌细胞表面膜上的LTCC与caveolin-3关联后释放Ca2+，能激活钙调神经磷酸酶-活化T细胞核因子(Cn-NFAT)信号通路，导致心肌肥厚的发生[46-47]。还有研究在A1-腺苷受体过表达和肿瘤坏死因子-α过表达的小鼠中发现了caveolin-3表达下调和T管结构紊乱与左心室功能障碍有直接关联[48]。

5 小 结

T管系统可通过对Ca2+的调节，进而影响心肌细胞兴奋-收缩耦联、多种离子通道以及胞内信号转导过程。心肌肥厚、心律失常和心力衰竭等多种心血管系统疾病的病理过程中均会发生T管重构。改善T管重构对心血管系统疾病的防治具有潜在的价值和临床意义。中医药在心血管系统疾病的防治方面有着悠久的历史和不容忽视的临床效果。令人兴奋的是近年来发现中药可能对T管系统有一定保护作用。有研究发现葛根素能上调caveolin-3、BIN1、JP-2，促进T管发育[49]。因此，有理由相信从T管系统入手研究中医药的相关药理机制，将有利于中医药在以细胞内钙稳态失调为共同特征的相关心血管疾病的治疗上发挥更重要的作用。