心肌内向整流钾电流的调控因素及相关心律失常

霍照美 田龙海 杨龙

(1.贵州医科大学，贵州 贵阳 550025； 2.贵州省人民医院心内科，贵州 贵阳 550002)

心肌细胞的电活动是心脏兴奋性、自律性、传导性和收缩性的基础，由细胞的跨膜电位决定，包括静息电位和动作电位的形成[1-2]。在心肌工作细胞中，静息电位被称为K+平衡电位，主要由K+外流形成细胞膜内带负电、膜外带正电的电位平衡[1]。参与K+外流的离子通道众多，内向整流钾通道(inward rectifier potassium channel，Kir通道)是其中重要的成员[1]。

Kir通道有7个亚家族(Kir1.x～7.x)，分布于多种组织和器官[3]。在心肌细胞膜上，主要存在三种Kir通道：经典Kir通道、ATP-敏感性钾通道和乙酰胆碱敏感性钾通道[3]。此三种Kir通道中，经典Kir通道属于Kir2.x亚家族，在心肌中分布的主要为Kir2.1亚型，具有强大的内向整流特性，主导心肌细胞内向整流钾电流(inward rectifier potassium current，IK1)[4]。

在心肌细胞静息电位水平时Kir2.1通道处于开放状态，K+外流；而当膜去极化时，Kir2.1通道的通透性降低，K+外流减少。Kir通道对K+的通透性因膜的去极化而降低的现象称为内向整流特性[5]。IK1的内向整流特性在心肌工作细胞动作电位复极末期的作用至关重要，是影响动作电位时程(action potential duration，APD)的重要离子通道。IK1增大或减小，是短QT综合征和Andersen-Tawil综合征患者易出现恶性室性心律失常的主要原因[6-8]。了解Kir2.1通道的功能和调节因素，对于理解其相关心律失常的机制和针对性治疗具有重要意义。

1 Kir通道的构成

Kir通道的构成皆是由四个互不相连的孔道构成蛋白亚基单体组成，Kir2.1通道的孔道构成蛋白即为Kir2.1亚基。每个亚基中有M1和M2两个跨膜结构域，其α螺旋与P区连接构成通道的核心[9]；M1与M2之间的膜外连接链向通道孔内延伸，形成内孔环链，称为H5环；α螺旋的构象变化通过影响H5环控制对K+的通透性[10]。G蛋白耦联受体激活的Kir3.x通道和经典的Kir2.x通道之间的比较表明，M2 α螺旋构象改变有助于Kir通道开放[11]。

Kir通道的门控机制是由通道的细胞内结构域交替扩张和收缩变化决定。K+通过跨膜腔通道前有一个完整的水化膜，阻碍其通过腔隙；采用原子分子动力学方法模拟K+沿着跨膜腔与细胞质之间的途径转运，结果发现，完全水合的K+无法通过狭窄的Kir通道孔隙，每个K+在通过Kir通道时都会暂时失去其水化膜中的部分水分子[12]。通过Kir分子结构分析，带负电荷的microRNA-1(microRNA家族成员，主要在心脏中表达，且特异性表达于心肌细胞，在心肌细胞的多种病理状态下可通过转录调节多种离子通道表达和心肌电活动来参与心律失常的发生)可通过与Kir2.1通道细胞外带正电的结构域结合，阻止离子通道构象变化，从而阻断Kir2.1通道[13]。

2 IK1的调控

2.1 Mg2+和多胺对IK1的影响

早期研究[14]表明，Kir通道的内向整流是由于细胞内Mg2+和多胺与通道孔内结构相互作用的结果；Mg2+和多胺与Kir通道的跨膜结构域和细胞质结构域的残基结合，阻止K+通过。多胺存在于细胞内，以电压依赖性方式与Kir通道空隙可逆性结合，其对Kir通道的阻滞及解除过程缓慢，形成去极化过程中IK1外向电流随时间而减少的现象；在超极化过程中，Mg2+对Kir通道的阻滞快速解除和多胺对Kir通道的阻滞缓慢解除，使IK1增大表现出时间依赖性[15]。Mg2+和多胺对Kir通道输出的电流大小至关重要，改变Mg2+和多胺与Kir通道之间的亲和力可显著影响Kir通道活性[16]。Mg2+和多胺对Kir通道M2 α螺旋结构和通道的细胞质结构域残基的亲和力决定了IK1内向整流的程度。后来的研究[17]表明，内向整流特性可能是由于Mg2+电压依赖性和多胺浓度依赖性的方式阻塞通道而形成。氟卡尼与Kir通道中半胱氨酸残基结合从而减少多胺对通道的亲和力，可增大IK1[15]。Kir2.1-M301K突变(位于Kir2.1基因301位点的蛋氨酸突变为赖氨酸)，不仅破坏细胞内多胺/Mg2+对离子通道亚基的作用[18]，也解除了microRNA-1对Kir通道的抑制作用，使IK1增大而出现短QT综合征[19]和心房颤动(房颤)[18]。以上研究发现提示，对多胺结合位点调控的药物可能成为治疗Kir通道相关心律失常的方法。

2.2 Na+对IK1的影响

细胞外Na+和Ca2+浓度增加皆可减弱IK1的外向钾电流，其机制可能为细胞膜的表面静电效应[20]。快钠通道电流(fast sodium channel current，INa)和IK1之间也有着密切的关联。在心肌损伤的动物和细胞模型中，观察到编码快钠通道的Nav1.5和 Kir2.1蛋白表达的同步下调，伴随着INa和IK1的减小，二者共同接受肝源性成纤维细胞生长因子21的调控[21]。在Brugada综合征SCN5A基因缺陷细胞模型研究中发现，在没有明显改变Kir2.1/2.2通道的情况下，内质网Nav1.5通道转运功能缺陷能显著减小IK1电流密度；并且，高尔基体Nav1.5突变致Na+转运功能缺陷明显影响Kir2.1/2.2通道功能，在内质网Nav1.5通道转运功能缺陷的基础上增加了对IK1的抑制作用，该研究结果提示Na+的转运能增大IK1电流密度[22]。IK1增加同样可增大INa，Kir2.1对Nav1.5密度的正向调节依赖于Kir2.1特殊的PDZ结构域(一种蛋白质中的肽结合区域，名称来源于最早发现含有此结构的3个蛋白质：突触后致密蛋白-95、果蝇肿瘤抑制因子和紧密连接蛋白)，而在Nav1.5通道的N末端内部存在一个类似PDZ绑定域的结构，在Nav1.5-Kir2.x相互作用中起着关键作用[23]。

2.3 Ca2+对IK1的影响

Ca2+对IK1的影响存在两面性。如前文所述，细胞外Ca2+浓度增加可能通过细胞膜的表面静电效应机制减小IK1，且K+外流减少[20]。在兔心力衰竭模型中，心肌细胞Ca2+/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ)的激活可诱导Kir2.1 mRNA表达下调和IK1减小[24-25]。但另有研究[26]显示，细胞内Ca2+浓度的升高可通过激活CaMKⅡ增大IK1，缩短APD；给予CaMKⅡ抑制剂干预可抑制该效应。虽然细胞内Ca2+的显著增加可导致心律失常，但Ca2+诱导的IK1增大可使心室复极缩短和复极储备能力增强，这可能是一种内源性负反馈，可减弱Ca2+增加的致心律失常作用[26-27]。

2.4 肾上腺素能受体激活对IK1的影响

长期的肾上腺素能受体激活可导致心脏重构，包括心脏结构、功能和心电学的重构，后者包括离子通道的重构。肾上腺素能活性增强可通过激活蛋白激酶A和蛋白激酶C而使IK1减小[28]。Koumi等[29]通过在豚鼠心室肌细胞中的研究表明，异丙肾上腺素通过激活肾上腺素能受体，使下游信号蛋白激酶A介导IK1通道磷酸化，从而使IK1减小。对KCNJ2基因突变杂合体小鼠的研究[30]发现，心室肌细胞肾上腺素能依赖的IK1在复极末期缺失，给予肾上腺素和异丙肾上腺素刺激，易诱发出动作电位3期早期后除极和多形性室性心动过速。

2.5 肾素-血管紧张素系统对IK1的影响

在TG1306/1R转基因小鼠[该小鼠心肌组织中心脏特异性血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ，AngⅡ)含量显著增加]的研究[31]中发现，心室肌Kir2.1和Kir2.2的mRNA表达下调，心室肌细胞IK1电流密度减小，心电图表现出QT间期延长。大鼠心房肌细胞中，百日咳毒素可通过激活G蛋白受体，抑制AngⅡ对IK1的抑制作用[32]。也有研究得出不一致的结果，Alvin等[33]报道，在动静脉分流导致的心脏容量负荷增加的大鼠动物模型中，AngⅡ可通过激活磷脂酰肌醇3激酶使心室肌细胞IK1增大。

2.6 磷脂酰肌醇4，5-双磷酸对IK1的影响

磷脂酰肌醇4，5-双磷酸(phosphatidylinositol 4，5-bisphosphate，PIP2)是Kir2.x通道的主要激动剂。PIP2通过促进Kir通道M2结构域发生构象变化而使通道开放，并能稳定已处于开放状态的结构域[34]。硫化氢通过降低PIP2与通道结合的敏感性而抑制Kir2和Kir3通道功能[35]。在一些Kir通道基因突变的疾病(如Andersen综合征和Bartter综合征)中发现，Kir通道与PIP2相互作用减弱，IK1减小，导致细胞膜兴奋性升高，对刺激的敏感性增加，发生室性心律失常的风险增大[36]。卡维地洛也可通过干扰PIP2与通道相互作用来抑制Kir2.3通道功能[37]。阴离子脂质可通过辅助作用促进PIP2与Kir通道结合位点之间结合更加紧密，使Kir通道的功能增强[34，38]。奎尼丁能干扰Kir2.x通道与PIP2的相互作用而影响通道的稳定性[39]。

2.7 Ryanodine受体和IK1

2型Ryanodine受体(type 2 ryanodine receptor，RyR2)是心肌细胞肌质网上的钙释放通道。心力衰竭时心肌细胞RyR2对Ca2+释放的敏感性增加[40]。Myles等[41]在兔离体灌注心脏模型研究中发现，当RyR2敏感性增加并伴有IK1减小时，易诱发出局灶性室性期前收缩和室性心动过速；而仅有RyR2敏感性增加或IK1减小时，室性心律失常的诱发成功率明显降低；因此认为，RyR2敏感性增加和IK1减小可能是通过二者协同作用促进局灶性室性心律失常的发生。

2.8 牵张刺激对IK1的影响

牵张刺激可致大鼠肥大心室肌细胞IK1电流密度增大，APD缩短[42]，与AngⅡ诱导的肥大心肌细胞IK1电流密度减小[31-32]作用相反。目前尚不清楚此两种致肥大因子作用对IK1电流密度影响相反的机制。

2.9 糖原合成酶激酶3β对Kir2.1通道表达的调控

有研究[43]发现，在大鼠心肌梗死模型中，心室肌Kir2.1 mRNA和蛋白的表达下调，给予糖原合成酶激酶3β特异性抑制剂SB216763干预明显上调心肌梗死时Kir2.1 mRNA和蛋白的表达；并且，SB216763可消除缺氧条件下H9c2细胞中Kir2.1 mRNA和蛋白表达的下调，说明糖原合成酶激酶3β具有调控Kir2.1通道表达的作用。但该研究未检测IK1，不能反映Kir2.1通道功能的变化。

3 外源性因素对IK1的影响

3.1 氨茶碱对IK1的影响

氨茶碱是临床常用的支气管解痉药物和治疗缓慢心律失常药物，治疗期间存在致心律失常的风险。茶碱可增强心房自律性和传导性，从而增加房颤和房性心动过速的发生。Ramalho等[44]研究发现，氨茶碱对IK1通道功能具有双重效应，即同一浓度的氨茶碱对单个大鼠心室肌细胞IK1既有抑制作用也有激活作用，其机制尚不明确，推测可能是氨茶碱先直接作用于Kir2.x的同源四聚体亚基，继之间接作用于Kir2.x的异源四聚体亚基而产生的不同效果。

3.2 乙醇对IK1的影响

乙醇对IK1的影响有浓度依赖性，给予大鼠右心室心肌细胞0.8 mmol/L乙醇刺激，IK1明显减小；当乙醇浓度≥20 mmol/L时，IK1会明显增大[45]。Bébarová等[46]在大鼠和豚鼠的心房肌细胞发现，乙醇(浓度8～20 mmol/L)对乙酰胆碱敏感性延迟整流钾电流(IKAch)的影响也有双重效应：即对于基础IKAch较小的细胞，乙醇刺激能增大IKAch；而对于基础IKAch较大的细胞，乙醇刺激则减小IKAch。

3.3 扎考比利对IK1的作用

扎考比利(zacopride)是一个选择性的IK1激动剂，通过增强IK1可缓解缺血和缺氧诱导的大鼠心室肌细胞静息电位去极化，从而可防治急性心肌缺血诱发的室性心律失常[47]。近期研究[48]发现，在大鼠心肌缺血再灌注模型中，扎考比利通过上调Kir2.1蛋白表达、增大IK1、维持静息电位和缩短APD，能显著减轻钙超载和氧化应激引起的再灌注心律失常。

3.4 新型抗心律失常药VU0468554

在小鼠心房肌细胞中，增强G蛋白门控Kir通道活性与室上性心律失常(包括房颤)的发病机制有关；VU0468554能有效地抑制心脏G蛋白门控Kir通道，可能对于房颤的治疗有一定疗效[49]。

4 IK1与心律失常

4.1 房颤

在国内一个房颤家系中发现，Kir2.1通道的编码基因KCNJ2的93位(V93I)缬氨酸-异亮氨酸突变。对V93I突变体的功能分析表明，Kir2.1通道的活性增加，认为Kir2.1 V93I突变可能通过增加Kir2.1通道的活性来启动和/或维持房颤[50]。在房颤患者的右心房肌细胞的研究[51]中发现，IK1电流密度在超极化状态显著增加。短QT综合征 3型是编码Kir2.1通道的KCNJ2基因突变，使IK1增大，APD缩短，导致房颤的发生，这为靶向药物及Ⅲ类抗心律失常药治疗房颤提供了有力证据[52]。在马的房颤模型中发现，与IK1同属心肌Kir通道电流的IKAch也与房颤有关。给予IKAch抑制剂 XAF-1407能有效延长马的心房有效不应期，显著降低房颤的发生率，提高房颤的转复成功率[53]。

4.2 室性心律失常

在苯肾上腺素诱导的肥大乳鼠心室肌细胞中，发现IK1电流密度减小，APD延长，复极末期易损期延长，通过沉默心室肌细胞的钙调神经磷酸酶Aβ亚基基因，可显著抑制苯肾上腺素诱导的上述效应[54]。KCNJ2突变导致的短QT，表现为IK1电流密度增大，容易诱发恶性心律失常[6，8]。在KCNJ2突变杂合体小鼠模型中，易诱发多形性室性心动过速[30]。在Andersen-Tawil综合征中，KCNJ2突变导致IK1电流密度减小，QT间期延长，而氟卡尼通过增加Kir2.1通道表达使心室肌细胞IK1增大，对Andersen-Tawil综合征有一定疗效[55-56]。但也有研究[57]表明，通过转基因技术构建Kir2.1表达下调和表达上调模型，前者IK1减小，后者IK1增大；在Kir2.1表达上调小鼠中更容易诱发出室性心律失常，而在Kir2.1表达下调的小鼠中，动作电位去极化的离散度显著减小，降低了室性心律失常的诱发成功率，提示心肌细胞中的Kir2.1通道阻断也可能是一种潜在的抗心律失常方法。

5 结语与展望

IK1在静息膜电位和动作电位复极末期起着关键作用，其变化对动作电位的影响显著。Kir2.1通道表达无论是上调或是下调(对应IK1增大或减小)，均可诱发心律失常。IK1及Kir2.1通道相关的调控因素众多。目前，部分心脏疾病中已探明Kir2.1分子水平的表达和IK1的电流变化，并对部分改变导致的心律失常疾病有了一定的针对性治疗。但在不同疾病、同一疾病不同状态下Kir2.1通道结构和功能变化及其致病机制仍有诸多未明，需更深入的研究。