肺动脉高压与肺动脉平滑肌细胞钾通道

朱飞宇 综述 王洪巨 审校

1 肺动脉高压

肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension，PAH)指孤立性肺动脉压力升高，而左心房与肺静脉压力正常，主要由肺小动脉本身病变导致肺血管阻力增加，且不合并慢性呼吸系统疾病、慢性血栓栓塞性疾病及其他未知因素导致的肺高血压。PAH的血流动力学诊断标准为右心导管测量mPAP≥25 mmHg，同时肺小动脉楔压(pulmonary arterial wedge pre-ssure，PAWP)≤15 mmHg及肺血管阻力>3 Wood单位[1]。PAH是一组复杂且致残率极高的疾病，其特征是肺血管过度增殖重塑，导致肺血管阻力增加，右心室后负荷过重，最终导致心力衰竭和死亡[2]。目前的诊断工具，如右心导管术和超声心动图，不能确切识别早期PAH患者，症状和体征无特异性，导致早期诊断和及时治疗十分困难。

2 肺动脉平滑肌细胞上的钾通道

虽然PAH的发病机制被认为是一个复杂和多因素的过程，但大量证据表明肺动脉平滑肌细胞(pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs)钾通道功能障碍是PAH的标志之一，即PASMCs钾离子通道的表达和活性对PAH的建立和发展有着显著影响[3-4]。钾离子通道是细胞膜上的离子通道，钾离子具有选择渗透性，它们在静息膜电位的形成、细胞兴奋性、细胞电反应、动作电位的形成和持续、突触传递、细胞分裂、细胞分化等多种机体调节和细胞功能控制过程中发挥重要作用。存在于血管平滑肌细胞中的钾离子通道大致可分为4类，分别为① 电压敏感性钾通道(KV)；② 内向整流钾通道(Kir)；③ 钙激活钾通道(KCa)；④ 双孔域钾通道(K2p)[5-6]。

2.1 电压敏感性钾通道

KV通道是一种具有重要生理功能的膜蛋白，主要由两个功能蛋白结构域组成，即控制钾离子渗透性的孔结构域和负责感应电压与构象变化的电压传感域[7]。PASMCs中4-氨基吡啶敏感的KV通道在调节静息膜电位和钙离子内流，以及触发低氧介导的膜去极化和肺血管收缩中发挥重要作用。Mittal等[8]的研究发现持续缺氧引发NADPH氧化酶4的直接作用，减小KV通道电流。另外，有研究证明腺苷酸活化蛋白激酶参与了缺氧引起的KV通道抑制[9]。KV通道家族的几个成员包括KV1.2、KV1.5、KV2.1在PASMCs上均有表达。虽然调控KV通道的具体信号级联尚不清楚，但已知血管平滑肌细胞中的KV通道被蛋白激酶C和蛋白激酶A紧密调控[10]。KV1.5(由KCNA5基因编码)尤其受到关注，其优先表达于小阻力肺动脉而非导管肺动脉，在缺氧暴露后的PASMC中KV1.5的表达减少是人类和实验性PAH的共同特征，提示该通道在多种肺动脉高压的发病机制中发挥重要作用。KCNA5参与PASMs的凋亡控制，据报道，过表达KCNA5基因可诱导钾离子加速外排，增加半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3水解活性，促进细胞凋亡。KV1.5活性增大或数量增加可以降低慢性缺氧大鼠的肺动脉压力值，恢复肺缺氧血管收缩，这进一步增加了其在PAH中的意义。微小核糖核酸(miRNA)在细胞的分化、凋亡和增殖中发挥重要作用，有研究发现miRNA-1能够诱导PASMCs肥大，降低KV通道的活性和表达，提示其通过调控KV通道在PAH中起病理生理作用[11]。另外，Huang等[12]的研究发现缺氧可诱导PASMCs增殖，其中KV2.1通道表达下调，表明KV2.1与PASMC增殖可能有重要关系。KCNQ基因编码的离子通道属于电压依赖性钾通道KV7家族，目前发现KCNQ1～KCNQ5五个成员。KCNQ通道似乎在肺动脉中优先表达，调节其活性的药物对肺动脉张力有显著影响[13]。Joshi等[14]的研究证明了KCNQ通道，尤其是KCNQ4在调控PASMCs的静息膜电位方面起着关键作用。另外，KCNQ5的miRNA被证明是miRNA-190的靶点；同时，miR-190反义寡核苷酸可以部分逆转miRNA-190对PASMCs的影响[15]。以上提示KCNQ通道可能是PAH的治疗靶点。

2.2 内向整流钾通道

根据不同的类型和位置，Kir在细胞中具有不同的生理功能，并被离子、磷脂、结合蛋白等各种介质调节。在体内，它们可以是同或异四聚体，Kir的独特之处在于它们可以在超极化状态传导钾离子，内向整流的发生是因为它们在去极化时被细胞内镁离子和多胺所阻断，而这些阻滞剂在超极化时被释放，允许K离子流入细胞。Kir通道包括成孔区域和胞质区域，其中成孔区域负责离子传导，胞质区域调节通道的门控。Kir通道的外向电流通常在去极化电位较高时减小，因此这些通道主要对静息膜电位起作用[16]。ATP敏感钾通道属于Kir钾通道超家族，于1978年首先由日本学者在哺乳动物心室肌细胞上发现[17]。KATP通道由Kir亚基(Kir6.1或Kir6.2)和磺酰脲类受体(SUR1、SUR2A和SUR2B)结合而组成。成孔亚基Kir6.2控制KATP通道闭合，调控亚基SUR以镁离子依赖的方式激活通道开放[18]。不同的Kir6与不同的SUR结合形成了各种KATP通道，KATP通道在包括肺循环在内的心血管系统中广泛表达，有助于PASMCs膜电位的维持；KATP通道的关闭可导致钙离子浓度升高，使PASMCs的收缩和增殖增强[19]。KATP的主要功能为调节细胞的能量代谢、基因表达以及细胞凋亡，在正常的肺平滑肌细胞中KATP的作用较小，但对PAH中的肺平滑肌细胞有着重要意义。在正常生理状况下，由于生理浓度ATP的存在，KATP通道基本关闭；而在缺血或缺氧等病理状况下，KATP开放。Lu等[20]发现慢性缺氧的PASMCs线粒体ATP敏感性钾通道调控低氧诱导因子(HIF)-miRNA-210-铁硫蛋白整合素(ISCU)信号轴，形成正反馈回路，反复刺激PASMCs增殖和迁移。

2.3 钙激活钾通道

钾通道受到电压和钙离子的双重门控，有两个功能独特的区域，即一个保守的通道核心结构和一个特别长的与钙离子结合的C端，由去极化激活，但还受到胞内钙离子浓度的调控。最初，根据电导值的不同分为大电导(KCa1.1)、中间电导(KCa3.1)和小电导(KCa2.1-3) 钾通道，后来发现的遗传关系和钙离子活化机制表明了这些通道属于两个定义明确的群体；其中一组只包括大电导KCa1.1通道，通过膜去极化和钙离子浓度的协同作用控制开放；另一组包括中间电导KCa3.1和小电导KCa2.1-3通道，仅由胞质钙离子浓度控制开放。在钙依赖性钾离子通道家族中，大电导KCa1.1通道是钾离子流出量最大的通道[21]，KCa3.1通道控制一些基本的细胞过程，这些过程涉及调节一些对恶性肿瘤至关重要的高阶生物学功能，包括迁移和入侵，由KCa3.1通道控制的最相关和最常见的基本细胞过程是钙离子信号的调节和细胞体积的控制。Guo等[22]发现KCa3.1可能通过激活细胞外信号调节激酶(ERK)/p38 丝裂原激活的蛋白激酶信号通路参与PAH的发生发展，进而参与缺氧诱导的肺血管重构。在完全分化的主动脉平滑肌细胞(即具有收缩表型的细胞)中，大电导KCa电流占主导地位，而在未成熟细胞(即增殖表型细胞)中，电压不敏感的中电导KCa电流占主导地位。在PHA中，PASMCs上钙活化钾通道由KCa1.1转化为KCa3.1，促进平滑肌细胞迁移和增殖，抑制细胞凋亡[23]。

2.4 双孔域钾通道

根据序列相似性和功能，将双孔钾离子通道细分为6个亚类：TWIK、TREK、TASK、TALK、THIK和TRESK。因为K2P通道是在负膜电位时打开，它们与钾离子稳定负静息膜电位和平衡去极化背景的建立密切相关。KCNK3编码的钾通道相关的酸敏感钾通道1(TWIK-related acid sensitive K channel，TASK-1)属于双孔域钾通道家族，该基因亚家族在包括平滑肌细胞在内的可兴奋细胞的生理静息膜电位上具有组成活性，尤其与人类肺循环有关。TASK-1通道对一系列影响其活性的生理和药理学介质敏感，如不饱和脂肪酸、细胞外pH值、缺氧、麻醉和细胞内信号通路[24]。Antigny等[25]发现在人类PAH和野百合碱诱导的大鼠PAH中，肺动脉平滑肌和内皮细胞的KCNK3的表达和功能降低。有研究证明了Src家族酪氨酸激酶(SrcTK)在TASK-1等钾通道的调控中发挥着重要作用，它设置了人类PASMCs的负静息膜电位，低氧诱导的对TASK-1电流的抑制和细胞内钙离子的升高依赖于SrcTK，提示了SrcTK和TASK-1通道的生理相关性[26]。此外，内皮素(ET)-1通过与PASMCs中特定的G蛋白偶联受体相互作用，引起的血管收缩和血管重构，对PAH的病理生理发展起重要作用[27]。Seyler等[28]证明了ET-1通过激活内皮素受体A和内皮素受体B调控血管TASK-1电流。Rho激酶信号通路介导了这种效应，在TASK-1通道C端的位点磷酸化上起着重要作用。Kiper等[29]利用双微电极电压钳制法在非洲爪蟾卵母细胞中测试了KVI.5通道阻滞剂与不同化学结构TASK-1的亲和力，分析发现所有KV1.5通道阻滞剂对TASK-1的亲和力都比KV1.5更高，可优先阻滞TASK-1通道；这些受体阻滞剂对TASK-1通道有高亲和力，提示TASK-1通道或许是KV1.5通道阻滞剂未被识别的分子靶点。有研究发现多不饱和脂肪酸活化的K2p2.1和K2p6.1在小鼠肺组织中表达，功能正常的K2p样通道有助于内皮超极化和肺动脉舒张。K2p6.1基因表达的增加可能是一种新的有关PAH的调控机制，提示K2p2.1和K2p6.1可能是PHA的一种新的治疗靶点[30]。此外，KCNK3基因的突变在遗传性PAH中有重要意义[31]，KCNK3基因突变是PAH中发现的第一个通道病变，它所引起的PAH是一种常染色体不完全外显疾病[32]。

3 钾通道对肺动脉平滑肌细胞增殖的影响

维持PASMCs凋亡和增殖之间的平衡是正常组织稳态所必需的，当这个平衡被破坏，可能导致PAH等疾病。研究表明，肺动脉平滑肌抵抗凋亡的特点是PASMCs线粒体超极化(部分是由于丙酮酸脱氢酶活性降低)，线粒体活性氧(mROS)降低，KV1.5下调(钙离子浓度升高)，活化T细胞转录因子核因子(NFAT)活化[33]。钾通道在调节PASMCs的数量方面扮演了重要角色，其参与PASMCs细胞的凋亡、存活和增殖。PAH患者的PASMCs表现出的许多细胞异常都与钾通道有关，包括钾通道电流减少，各种钾通道的表达下调或表达被抑制。钾通道是细胞内主要的阳离子通道，钾电流是细胞体积的主要决定因素，凋亡体积减小(AVD)是程序性细胞死亡的早期标志和前提，特点是钾离子和氯离子流出；钾通道除了在AVD中的作用以外，还被认为在抑制半胱天冬酶活性和DNA片段化中起着重要作用[34]。在PASMCs中，激活钾通道加速AVD和促进细胞凋亡；而抑制钾通道则减缓AVD，抑制细胞凋亡。

4 展望

目前，PAH的治疗都集中在针对血管收缩通路的药物上。由于血管舒张剂治疗的局限性，目前研究的重点是逆转肺动脉壁结构重建。基于PAH生理病理机制的研究进展，实验模型检测了多种药物的抗重构作用，其中肺动脉钾离子通道表达和钾离子电流的恢复是最常被探讨的。PAH的发生发展是一个受多因素影响的过程，应从不同的治疗角度进行探讨。PASMCs中钾离子通道活性降低，促进细胞增殖、抗凋亡和血管收缩，促进血管重构。尽管上述确切机制仍不清楚，但钾通道在控制血管功能方面的重要性为未来的研究提供了希望。