急性透壁性心肌梗死ST段抬高的机制

宋忠举

急性心肌梗死是临床常见急危重症，其中急性ST段抬高型心肌梗死危险性更高，因其病理基础是冠状动脉完全性闭塞致全层或接近全层的心肌坏死，故也称为透壁性心肌梗死。ST段抬高是急性透壁性心肌梗死的典型心电图表现，关于急性透壁性心肌梗死的ST段抬高机制，目前仍没有一个完全公认的理论。第7版《诊断学》中有“除极受阻学说”、“损伤电流学说”的机制解释，而第9版《诊断学》则直接将其机制简单叙述为“通常认为与损伤电流有关”，未行进一步阐述。以上2种机制解释均不易被学习者所理解。随着心脏及心肌细胞电生理学研究的发展，基于新的实验依据和理论基础的机制阐述则让学习者易于理解和掌握。本文对3种主流的急性透壁性心肌梗死的ST段抬高机制进行了详细阐述，并对“离子流学说”的机制展开讨论，希望能为正确理解急性透壁性心肌梗死ST段抬高的机制提供指导。

1 除极受阻学说

当部分心肌受损时，产生保护性除极受阻，即大部分正常心肌除极后呈负电位时，而损伤心肌不除极，仍为正电位，结果出现电位差，产生从正常心肌指向损伤心肌的ST向量，使面向损伤区(图1中暗点区)的导联出现ST段抬高(图1)[1]。

图1 除极受阻引起ST段抬高

2 损伤电流学说

心肌发生严重损害时，导致静息期细胞膜极化不足，从而使细胞膜外正电荷分布较少而呈相对负电位，而正常心肌由于充分极化，使细胞膜外正电荷分布较多而呈相对正电位，二者之间因有电位差而产生“损伤电流”。如将电极放于损伤区(图2中暗点区)，即可描记出低电位的基线。当全部心肌除极完毕时，此区完全处于负电位而不与正常心肌区之间产生电位差，于是等电位的ST段就高于除极前低电位的基线，形成ST段相对抬高(图2)[1]。而在《黄宛临床心电图学》第6版中，以上内容被描述为“舒张期损伤电流”，并且作者引入了“补偿电位”的概念(图3)，使机制的解释变得复杂化，反而不好理解。另一方面，作者同时引入了“收缩期损伤电流”的概念来共同解释ST段抬高的机制，认为静息膜电位降低的损伤心肌细胞，0相上升速度及振幅都降低，动作电位时限缩短，2相处于不全除极状态，较完全除极的正常心肌细胞膜电位更高，形成ST段抬高，提示心电图记录有一部分是确实的正性ST向量(图4)。该作者认为，损伤型ST段偏移是“舒张期损伤电流”及“收缩期损伤电流”的综合结果[2]。

图2 “损伤电流”引起ST段抬高

损伤心室肌细胞极化程度低，记录电极位于TQ向量的负侧，故TQ段应压低。临床心电图通过输入“补偿电位”使TQ段回至原来基线，当心室肌全部除极后损伤心肌与正常心肌间膜电位没有差别，ST段却因“补偿电位”而升高，完全复极后则回至基线。ST段的升高实因TQ段压低的补偿电位而成，所以称为补偿性ST段升高

图3 “舒张期损伤电流”致心电图ST段偏移机制

Fig.3 Mechanism of ST segment shift caused by “diastolic injury current”

损伤心肌细胞膜静止电位低，除极的0相上升速度(dv/dt)及振幅降低，2相处于不全除极状态，较之完全除极正常心肌细胞膜电位更高，心电图记录一正性ST向量，使ST段升高

图4 “收缩期损伤电流”致ST段偏移机制

Fig.4 Mechanism of ST segment shift caused by “systolic injury current”

3 离子流学说

“离子流学说”即“心室复极平台期跨壁离散学说”，该学说认为，急性心肌缺血时，缺血区心肌细胞膜上Ito增大，而Ito是复极1相的主要电流，且Ito通道在内外膜心肌上分布密度不均，外膜高于内膜，所以正常生理情况下内外膜复极不同步。而在透壁性心肌缺血时，心外膜Ito明显增大，1相下降幅度大，使经L型钙通道内流的钙离子减少或消失，导致心外膜平台期缩短或丢失，心外膜复极加快而呈正电位，内外膜之间的电位差引起ST段抬高(图5)；同时心肌缺血时心肌细胞ATP敏感性钾通道(ATP-sensitive K channels，KATP)激活开放，钾离子外流加大，这也加快缺血区心肌细胞的复极[3]。

图5 ST段抬高的细胞电生理机制

4 讨论

对于“除极受阻学说”，现在可以明确给予否定，因为损伤心肌并非不除极，这从急性透壁性心肌梗死ST段抬高的导联存在R波可以证实，不除极的是完全坏死的心肌。

“损伤电流学说”有一定的可借鉴性，但用“损伤电流”来导出心电图“描记出低电位的基线”，不如直接表述为“损伤区电压低”而“描记出低电位的基线”更好理解；同时，“收缩期损伤电流”的描述中“2相处于不全除极状态”的表述不妥，2相是复极期中的平台期，不是除极状态，且正常2相时膜电位基本停滞于0 mV左右。Vincent等[4]、Kleber等[5]在动物实验中应用一种直流耦联放大器测试技术发现，损伤电流引起的是心电图TP或TQ段的压低而不是ST段的抬高。另外，“损伤电流学说”不能有效解释Brugada波、早复极等引起的ST段抬高，因为后两者并不存在“损伤电流”。

“离子流学说”是目前具有较充分实验依据和理论基础的学说[3]。但是，应该将 “心内膜心肌、心外膜心肌”准确表述为“心内膜下心肌、心外膜下心肌”。因为在解剖学中，心内膜由内皮和内皮下层(结缔组织)、心外膜由间皮和间皮下结缔组织构成，均没有心肌组织。并且，顾春英[3]的表述“按物理学原理，电流从高电位向低电位方向流动，从心内膜向心外膜方向流动，即指向探查电极，记录心电图ST段抬高”是不准确的。在“离子流学说”中，心外膜下心肌平台期缩短或丢失，心外膜下心肌复极快，心外膜下心肌的膜外电位快速转为正电位以恢复心肌细胞外正内负的极化状态(注意：电极记录的电位是细胞的膜外电位！)，故心外膜下心肌处为正电位(即高电位)，正确表述应该是“电流从心外膜向心内膜方向流动，心外膜下心肌是‘电源’，心内膜下心肌是‘电穴’，检测电极对向电源产生向上的波形，故平台期心外膜电极记录的电压高，从而出现ST段抬高”；或者可以总结为“除极时除极方向指向的探查电极记录到向上的波形，复极时复极方向背离的探查电极记录到向上的波形，这可以明确从单个细胞除极、复极的波形变化中得到证实。”(图6)

箭头示除极与复极的方向

Fig.6Relationship between the orientation of single cardiac myocyte detection electrode and the wave direction of depolarization and repolarization

“离子流学说”既可以解释急性透壁性心肌缺血所致ST段抬高，也可以解释Brugada波、早复极等引起的ST段抬高，因此，“离子流学说”是目前最合理的学说，笔者认为可以作为通用的理论进行推广。

下面对“离子流学说”的理论及其依据再做一个详细的叙述。

(1) 心电图的ST段和ST段抬高。心电图的ST段是指QRS终点到T波起点的一段，反映心室复极的早期，代表心室缓慢复极过程。ST段一般位于等电位线上，但可发生轻度偏移。临床上对ST段的偏移有正常范围的界定：任何导联ST段下移应≤0.05 mV；V1、V2导联ST段抬高≤0.3 mV，V3导联ST段抬高≤0.5 mV,其他任何导联ST段抬高≤0.1 mV。

(2) 参与心肌细胞复极过程的离子通道和离子流(图7)[6]。参与正常心室肌细胞复极过程的离子通道有以下几种：① 瞬间外向钾通道(Kto)；② L型钙通道；③ 慢钠通道；④ 内向整流钾通道；⑤ 延迟整流钾通道；⑥ 平台钾通道。此外，还有Na+-Ca2+交换体、生电性Na+泵也参与心室肌细胞复极。心室肌细胞复极化过程包括1、2、3期。1期即快速复极初期，膜电位迅速恢复到0 mV左右，历时约10 ms。复极的机制是钠通道的失活和瞬间外向钾通道(Kto)的激活。Kto通道激活产生一种短暂的一过性外向电流Ito，K+外流是Ito的主要离子成分，由电压门控钾通道Kto1介导；Clˉ内流也参与其中，由钙激活的氯通道Kto2介导。在心外膜下心肌Ito电流很明显，使动作电位(action potential，AP)出现明显的尖峰；在心内膜下心肌中该电流很弱，1期几乎看不到。2期又称缓慢复极期，由于内向电流与外向电流基本平衡，复极过程非常缓慢，膜电位基本停滞于0 mV左右，记录的图形比较平坦，故又称平台期，持续约100～150 ms，此期的内向电流有3个：① 经L型钙通道的Ca2+流ICa-L；② 经Na+-Ca2+交换体形成的INa/Ca；③ 慢钠通道电流。其中ICa-L最重要，它失活缓慢(失活时间常数在100 ms左右)，持续于整个平台期。INa/Ca在平台期是内向电流，参与平台期的维持并增加平台的高度。慢钠通道电流是一个对河豚毒素(tetrodotoxin，TTX)高度敏感的钠电流，低浓度的TTX(10-7mmol/L)便可明显缩短浦肯野细胞AP的平台，但不影响0期上升的速度。此期的外向电流也有3个：① 内向整流钾通道电流(IK1)；② 延迟整流钾通道电流(IK)；③ 平台钾通道电流(IKp)，其中IK是主要的外向电流。IK包括超速激活延迟整流钾通道电流(IKur)、快激活延迟整流钾通道电流(IKr)和慢激活延迟整流钾通道电流(IKs)3个成分，其中，IKr激活迅速，内向整流明显；IKs激活缓慢，但电流幅度大，为前者的10倍左右。3期又称快速复极末期，此期是由于L型钙通道关闭致Ca2+内流停止，而K+外流进行性增加所致。此期内心室肌细胞膜的复极速度加快，膜电位由平台期的0 mV左右迅速恢复到-90 mV，完成复极过程，历时100～150 ms。参与此期复极的外向电流有3个：① 延迟整流钾通道电流(IK)；② 内向整流钾通道电流(IK1)；③ 生电性Na+泵电流。3期复极的早期主要是IK的作用，它导致平台期的终止和触发3期复极，直至3期复极膜电位降至-50 mV左右才关闭。而3期复极的后期IK1的作用加强，增加了K+外流而加速复极，最后使复极完成。其中，1、2期与心室复极早期及缓慢复极过程相关，主要影响和参与心电图ST段的形成。

图7 心室肌细胞动作电位期间的膜电流

(3) 急性缺血时心室肌细胞复极相关离子通道和离子流的变化。苏显明等[7]研究表明，急性心肌缺血早期犬左室内、中、外3层心肌细胞的Ito增大，均以心外膜下心肌细胞最明显。游斌权[8]研究表明，在模拟缺血条件下，3层心肌细胞ICa-L受到明显抑制，心外膜下心室肌细胞减少超过M细胞(中层心肌细胞)及心内膜下心室肌细胞。齐书英[9]研究表明，急性心肌缺血及梗死区心肌细胞INa电流密度下降，INa稳态失活曲线左移和失活后再恢复延迟，提示钠通道电流在急性心肌缺血和心肌梗死后受到抑制。而K+离子通道对急性缺血的反应最快、反应程度最重，急性心肌缺血时K+的跨膜外流增加，使心肌细胞动作电位时程缩短[10]。另外，正常非缺血情况下不参与心肌复极过程的ATP敏感的钾通道(KATP)在心肌缺血时被激活，KATP为代谢性调节K+外流的通道，对机体细胞的功能具有重要的调节意义，为一种重要的内源性保护机制。该通道对K+有高度的选择性。通道功能受细胞内ATP/ADP的比率、Mg2+和G蛋白的调控。ATP抑制通道开放，正常生理情况下，心肌细胞内有3～4 mmol/L的ATP，足以抑制其活性，而使通道处于失活状态，仅在缺氧、能量耗竭及ATP减少时，通道才逐渐被激活而开放，引起K+外流，使动作电位时程缩短，从而减弱心肌收缩，保护受损心肌[6]。Gima等[11]用含有165个LRd(Luo-Rudy dynamic)模型细胞的心肌纤维研究了不同部位心肌细胞心电图的单相特性，发现Ito的密度从心内膜到心外膜是逐渐增加的，而且心外膜下心肌细胞ATP敏感性钾离子通道(KATP)对ATP的敏感性比其他细胞更高，因此认为，急性透壁性心肌缺血时，心外膜下心肌细胞平台期被抑制、动作电位时程(action potential duration，APD)被缩短得更明显，由此产生的巨大跨心室壁电位空间梯度导致ST段的抬高[12]。

5 小结

综合以上内容，可以把急性透壁性心肌梗死ST段抬高的“离子流”机制总结如下：因心肌细胞膜上瞬间外向钾通道的密度从心内膜到心外膜是逐渐增加的，且缺血时，心肌细胞的Ito增大，所以在急性透壁性心肌缺血时，缺血区心外膜下心肌细胞膜上Ito增大最明显，Ito是复极1相的主要电流，故心外膜下心肌1相下降幅度最大。L型钙通道在动作电位0相除极化膜电位-40 mV时开放，参与0相除极波的形成直至复极2相，当复极膜电位下降到0～-30 mV时关闭失活。心外膜下心肌1相下降幅度深，达到或超过L型钙通道的失活电位，使经L型钙通道内流的钙离子减少或消失，导致心外膜下心肌平台期缩短或丢失；同时，心肌缺血时各种复极相关的平台期K+离子通道电流(延迟整流钾通道电流IK、内向整流钾通道电流IK1)外流增大，心肌缺血时ATP敏感性钾通道(KATP)激活开放，钾离子外流进一步加大，而且心外膜下心肌细胞ATP敏感性钾离子通道(KATP)对ATP的敏感性比其他细胞更高，导致透壁性心肌缺血时心外膜下心肌细胞相对于心内膜下心肌细胞KATP激活更早、更明显，经KATP外流的钾离子较心内膜下心肌细胞更多，也导致心外膜下心肌平台期缩短或丢失。心外膜下心肌平台期缩短或丢失而复极加快，较心内膜下心肌更早出现细胞膜外带正电荷的状态而呈正电位(电极记录的电位是细胞的膜外电位)，心外膜下心肌的电位高(正电荷多)，心内膜下心肌的电位低(0电位或正电荷少)，两者之间形成电位差，在对向心外膜下心肌的电极就可记录到ST段抬高。

需要进一步说明的是，某一个电极上心电图的形成是该电极所正对的方向上所有心肌细胞的除极、复极等电活动随时间不断变化的综合向量的反映，这说明“心室复极平台期跨壁离散学说”有一定的局限性，这一学说只涉及记录电极所对的最近的心室肌节段，而未能将整个心脏的平台期总体电活动在该记录电极上的电位变化进行全面分析。但是，这并不影响这一理论能成功指导我们对急性透壁性心肌梗死ST段抬高的机制的理解。