中电导钙激活钾通道在心房颤动发生中的机制

王友成 赵庆彦

中电导钙激活钾通道（Intermediate conductance Ca2+-activated K+channel，KCa3.1）是一种非电压门控通道，主要由细胞内Ca2+激活引起K+外流，从而影响膜电位水平。近来研究表明，KCa3.1通道可能在心房颤动（简称房颤）的发生甚至维持中发挥重要的作用，笔者就KCa3.1通道与房颤的密切关系作一综述。

1 KCa3.1概述

KCa3.1又称SK4，属于钙激活钾通道（KCa）家族的一员。根据单通道电导特性，KCa可划分为大电导KCa（BK），中电导KCa和小电导KCa（SK1-3）。KCa3.1 蛋白由KCNN4基因编码，由4个α亚基组成，每个亚基含有6个可能的跨膜结构域和一个决定K+外流的成孔区域，其N 端和C端都位于胞内，钙调蛋白与每个α亚基的C-末端构成联系，是钙敏感性调节的重要结构[1]。KCa3.1是一种非电压依赖型通道，其开放完全由细胞内Ca2+与钙调蛋白结合来控制，这种高度的Ca2+敏感性受到密切相关的激酶和磷酸酶的生理调控。KCa3.1 通道在体内广泛表达，包括红细胞、血小板、淋巴细胞、肥大细胞、单核/巨噬细胞、小胶质细胞、血管内皮细胞、成纤维细胞和血管平滑肌细胞等，其在调节细胞活化和增殖过程中起主要作用[2]。这些复杂过程的控制是通过KCa3.1通道调节细胞外基质中Ca2+内流的驱动力，以及通过介导细胞体积控制所需的K+外流来实现的[3]。

近来研究显示，在胚胎干细胞衍生心肌细胞（ESCCM）、小鼠窦房结、成人右房和心室活检组织中均发现KCa3.1表达[4]。此外，KCa3.1通道在犬和兔的心脏中也有表达[5—6]。在房室结发育过程中，KCa3.1通道明显上调，其表达约为小电导KCa的9倍[7]。同时，ESC-CM 中KCa3.1通道的表达在心脏自律性形成方面发挥重要作用，高表达KCa3.1通道的心肌细胞搏动频率明显快于低表达的心肌细胞[8]。

KCa3.1通道的药理学近年来有显著进步，目前有几个有效的和选择性的小分子可用，特别是在体内调节KCa3.1通道的功能。在体内研究KCa3.1通道的经典小分子有孔隙阻断剂TRAM-34和Senicapoc（ICA-17043），这两种药物都是在不具选择性的抗真菌药物克霉唑的基础上开发的[9—10]。Senicapoc具有良好的药理特性，对KCa3.1通道有更高的亲和力，口服利用度高是其一大优势。Senicapoc最初是用于治疗镰状细胞性贫血，并且已经完成了有效性和安全性的Ⅰ期和Ⅱ期临床研究，特别是在血压和心脏功能方面[11]。近来还有研究者发现Senicapoc在动物阿兹海默模型中显示出良好的脑组织渗透性和口服可行性，并提出将Senicapoc用于阿兹海默病的临床研究[12]。TRAM-34尚未应用于人类，但已成为广泛使用的动物实验工具，用于研究KCa3.1通道在炎症性疾病、器官纤维化重塑或癌症中的作用。在大多数研究中，Senicapoc和TRAM-34 被证明能减少神经炎症并提供神经保护[13]，还能抑制多种恶性肿瘤细胞的增殖[14]。然而，到目前为止，Senicapoc和TRAM-34都没有在临床试验中对心血管疾病进行评估。除了以上两个特异性抑制剂外，KCa3.1通道还可以被蝎子毒素、梭毒素、蛋白质组氨酸磷酸酶-1等药物阻断[15]。

2 KCa3.1与心肌细胞电生理

Zhao等[16]在研究中发现，KCa3.1在小鼠的心房、心室、房室结也有表达，并且在心室的表达程度最高。KCa3.1在ESC-CM 中过表达或激活可显著延长动作电位时程（APD），提高触发频率，增加类胚体搏动面积；而应用KCa3.1抑制剂可显著降低甚至停止人ESC-CM 的自律性[4，17]。在体实验也证实KCa3.1与窦房结的起搏功能密切相关。数学模型预测随着KCa3.1电流的增加，窦房结细胞的触发频率显著增加，当应用KCa3.1特异性抑制剂TRAM-34后，窦房结的触发频率明显降低[18—19]。影响心肌细胞自律性的关键是自动去极化速度，而足够强大的内向电流依赖于最大舒张期电位（MDP）的水平，KCa3.1对MDP的形成至关重要，在KCa3.1被特异性抑制后，心肌细胞的MDP 降低，但APD50的持续时间没有改变，表明KCa3.1电流对动作电位复极持续时间没有显著影响，只作用于复极的晚期[8]。这些证据提示KCa3.1对心肌自律性和心律失常的发生存在密切联系。

众所周知，在房颤的触发活动中，延迟后除极（DADs）是最重要的机制之一。之前研究显示，在儿茶酚胺敏感性多形性室性心动过速患者来源的诱导多能干细胞分化的心肌细胞中，抑制KCa3.1通道可显著减少DADs和钙瞬变，从而抑制室性心律失常的发生[19]。然而，对于KCa3.1通道与房颤的直接关系少有文献报道。我们团队前期研究发现正常犬左右心房的KCa3.1通道表达很低，而界嵴、冠状窦和肺静脉的KCa3.1通道呈高表达；肺静脉组织在异丙肾上腺素和程控电刺激下明显诱发DADs和触发活动，该作用在TRAM-34灌流后停止。另外，在犬心房快速起搏期间，KCa3.1通道在左心房和右心房中的表达显著增加，在快速心房起搏7 h后，缓慢静脉注射TRAM-34 可完全抑制房颤诱发[20]。交感神经活动在房颤触发活动中也发挥重要作用。研究发现，急性卒中犬3天后左侧星状神经节活性增加导致房颤诱发率升高，心房肌β1肾上腺素能受体、p38-丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、激活蛋白-1（AP-1）和KCa3.1通道表达均明显上调，静脉注射TRAM-34可抑制房颤诱发；同时，消融左侧星状神经节可明显降低卒中犬房颤诱发，且心房肌β1肾上腺素能受体、p38-MAPK、AP-1和KCa3.1通道表达上调明显抑制[21]。该结果说明由p38-MAPK、AP-1 通路介导的KCa3.1通道表达上调在交感神经引起的房颤触发活动中也发挥重要的作用。最近笔者团队发现，在持续性心房快速起搏犬中，抑制KCa3.1可显著延长心房起搏犬的心房有效不应期（AERP），缩短AERP 离散度（d AERP），并降低房颤诱发[22]。

3 KCa3.1通道与心脏成纤维细胞

Zhao等[23]以培养的成年大鼠心脏成纤维细胞为实验材料，研究晚期糖基化终产物（AGEs）对KCa3.1通道在细胞调节中的影响，首次证明AGEs通过上调细胞外信号调节激酶（ERK）1/2、p38-MAPK 和PI3K/Akt通路介导的KCa3.1通道，从而促进心脏成纤维细胞增殖。后来Wang等[24]在实验中进一步探究了KCa3.1 通道在血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）介导成纤维细胞活化与增殖中的作用，发现Ang Ⅱ可显著升高心脏成纤维细胞KCa3.1通道蛋白的水平和电流密度，且该作用可被氯沙坦、ERK1/2抑制剂、p38-MAPK 抑制剂和PI3K/Akt抑制剂拮抗，单独应用AP-1诱饵寡核苷酸也能抑制Ang Ⅱ介导的KCa3.1通道表达；同时，Ang Ⅱ促进成纤维细胞增殖的作用可被TRAM-34 阻断。该结果证明Ang Ⅱ通过激活血管紧张素受体和AP-1结合活性上调心脏成纤维细胞的KCa3.1通道，从而促进细胞增殖。在体实验中，Zhao等[25]通过主动脉缩窄术建立大鼠的压力超负荷模型，从而研究KCa3.1通道在心脏纤维化过程中的作用。他们发现静脉应用TRAM-34可显著降低压力超负荷大鼠血浆及心肌局部的Ang Ⅱ水平，从而抑制心肌纤维化发生。在大鼠的心肌梗死模型中，Ju等[26]发现阻断KCa3.1通道可明显减轻由Ang Ⅱ介导的梗死区纤维重构，并降低该区域的肌成纤维细胞数量；同时他们在细胞实验中也再次证明，KCa3.1通道促进心脏成纤维细胞增殖与分化的作用是通过AKT 与ERK1/2信号通路来实现。以上结论均提示KCa3.1通道在心肌纤维化过程的关键作用，抑制KCa3.1通道或许能成为解决房颤维持机制的有效手段。

4 KCa3.1与巨噬细胞介导的炎症反应

巨噬细胞和房颤的关系近年逐渐被报道。He等[27]在临床研究中观察到风湿性心脏病二尖瓣狭窄伴房颤患者心房肌中促炎型（M1）巨噬细胞浸润数量明显增加。另一项研究证实，房颤中巨噬细胞与心房肌细胞之间的功能存在相互作用。房颤诱导巨噬细胞促炎型极化，而促炎巨噬细胞通过分泌IL-1β加剧心房电重塑，进一步抑制心房肌细胞QKI蛋白表达，导致细胞L 型钙电流下调[28]。我们团队近期研究发现，急性卒中犬3天后心房肌巨噬细胞浸润显著增加，同时向促炎型极化并释放多种促炎型介质，导致房颤的易感性增加；心房肌局部注射巨噬细胞清除剂liposome可明显抑制卒中后房颤的诱发和持续[29]。

已有研究证实KCa3.1通道在巨噬细胞上有表达，在人类单核细胞分化为巨噬细胞期间，KCa3.1的表达显著上调，且在巨噬细胞迁移及极化过程中发挥重要作用[30]。然而，KCa3.1通道的表达模式及其在调节巨噬细胞表型平衡中的作用仍不清楚。早期研究表明，编码KCa3.1 通道的基因KCCN4在IL-4处理的人巨噬细胞中表达上调[31]。然而另一项研究利用全细胞膜片钳记录法和Western blot分析，发现在干扰素γ和脂多糖处理的巨噬细胞以及IL-4处理的巨噬细胞中KCa3.1通道水平均升高，但在干扰素-γ和脂多糖诱导的M1型巨噬细胞中KCa3.1 通道的升高幅度明显更大[32]。Toyama等[33]发现在KCa3.1基因敲除小鼠体内的巨噬细胞活化程度降低。Xu等[32]进一步研究发现，在体外巨噬细胞分化期间，特异性基因沉默或阻断KCa3.1通道可显著抑制促炎标记物和细胞因子的表达。我们团队近期研究发现，在持续7天的心房快速起搏犬中，心房M1型巨噬细胞数量显著增多，IL-1β、TNF-α等炎症介质明显增加，而抑制KCa3.1通道显著降低M1型巨噬细胞数量和炎症因子水平，同时降低房颤诱发和持续时间[22]。

巨噬细胞除了通过极化并释放促炎介质来发挥作用外，其本身和心肌细胞间也能构成联系。Fei等[34]在体外共培养巨噬细胞和心肌细胞，用膜片钳法观察缝隙连接和KCa3.1通道对心肌细胞电生理特性的影响，发现M1型巨噬细胞通过缝隙连接和KCa3.1 通道显著延长了心肌细胞APD，KCa3.1通道抑制或沉默可明显逆转M1型巨噬细胞对体外心肌细胞APD 的影响。另外，不同亚型的巨噬细胞对心肌细胞APD 的影响并非一致，甚至表现为完全相反的作用，由此造成的复极异质性可能是导致房颤发生的原因。

另外还有证据表明，单核细胞和巨噬细胞的亚群可以通过分化为肌成纤维细胞，作为促纤因子和生长因子的来源，以及分泌参与基质重塑的蛋白酶来调节纤维化[35]。She等[36]发现KCa3.1通道可能通过介导骨髓来源的单核细胞向心肌募集，在Ang Ⅱ诱导的炎症微环境下分化为肌成纤维细胞，从而促进心肌纤维化。通过分离大鼠外周血单核细胞和小鼠外周血CD4+T 细胞，他们观察到阻断KCa3.1通道可明显抑制Ang Ⅱ刺激的CD4+T 细胞表达和分泌IL-4和IL-13，以及IL-4和IL-13诱导的单核细胞向成纤维细胞分化。

5 KCa3.1和小电导钙激活钾电流(KCa)在房颤作用中的比较

同KCa3.1一样，小电导KCa也在包括心肌在内的多种组织中表达，并且在心房中的表达明显高于心室。其选择性的阻断剂是蜂毒明肽（apamin），另外NS8593可通过降低小电导KCa的Ca2+敏感性从而发挥阻断作用。在早期虽然检测到小电导KCa在心肌细胞上表达，但其功能并未受到重视，后来它在房颤中发生发展中的作用已经得到公认。比如，早期研究显示小鼠SK2基因敲除可导致APD 延长及心房早期后除极相关心律失常的发生[37]。Ozgen等[38]发现，兔肺静脉的短期起搏降低了APD，该变化与SK2电流增强和SK2表达增加相关。Li等[39]随后发现，在持续性房颤患者中SK2 电流和SK2 蛋白表达增加。SK3 编码基因KCNN3的变异与男性房颤风险显著相关，这一发现突显了小电导KCa在房颤中的潜在重要作用。各种短期和长期房颤动物模型均报道了抑制SK2通道可导致AERP 延长、房颤诱发率降低，而这些对心室电生理没有显著影响[40—41]。临床研究证实，抑制SK2通道已被证明可影响健康人心房肌细胞的心房复极，并延长离体心房组织的AERP。胺碘酮和决奈达隆对来源于慢性房颤患者的心房肌SK2电流有浓度依赖性的抑制作用，而对窦性心律患者的影响并不大[42]。

以上可以看出，现有证据表明小电导KCa对房颤的影响主要体现在心房电生理方面，而KCa3.1不仅参与了房颤发生时的心房电重构，同时也参与了心房纤维化和巨噬细胞介导的炎症反应，在房颤的触发和维持中均发挥了重要的作用。

6 小结

目前，房颤发生发展的具体机制仍不十分明确，虽然有很多相关机制探讨，但近年来房颤发生机制上仍没有新的突破性进展。KCa3.1通道在房颤的触发及维持机制中均发挥了重要的作用，在进一步阐明房颤机制的同时，可能成为房颤的预测因素和潜在的治疗靶点。然而，KCa3.1通道在房颤发生中的具体机制还有待进一步研究，若KCa3.1通道作为房颤治疗的干预靶点，其有效性以及安全性还需考证。