钾离子通道在哮喘中的研究进展

2022-12-06赵爱玲姚冬

世界最新医学信息文摘 2022年11期

赵爱玲，姚冬

（桂林医学院附属医院，广西桂林 541000）

0 引言

哮喘是一种异质性慢性炎症疾病，主要病理特征是气道炎症、气道高反应（Airway hyperresponsiveness，AHR)和气道重塑[1]。其发病受遗传和环境等多种因素影响，病理机制复杂。目前治疗主要针对气道炎症和气道高反应性，主要采用吸入性糖皮质激素和长效β2受体激动剂联合使用，但是长期使用激素的副作用和部分哮喘患者对激素不敏感，导致激素使用受限。因此需要进一步了解哮喘发病机制，开发新的靶向药物。

1 钾离子（K+）通道

K+通道位于细胞膜上，控制K+流出和流入细胞。除了一些寄生虫外，K+通道几乎存在所有物种中。根据结构和功能可分为三大类：电压门控通道、内向整流通道和串联孔域通道。K+通道功能异常会导致诸如癌症、癫痫、心律失常和神经肌肉症状等疾病，这些症状统称为离子通道病[2]。钾通道调节剂具有抗肿瘤、抗神经性疾病和心血管疾病的功效[3]，鉴于它们的细胞表面定位和药理学特征，靶向钾通道的药理学策略可能是此类疾病有效的治疗方案。

2 K+通道与哮喘

近年来研究表明K+通道与哮喘关系密切，K+通道不仅参与调节哮喘细胞增殖、活化和迁移等，还参与气道平滑肌细胞（Airway smooth muscle cells，ASMCs）的超极化、支气管扩张、AHR的抑制和神经反射的抑制。因此，钾离子通道可能是治疗哮喘潜在的新靶点。目前在哮喘中研究较多的是钙激活钾离子通道(Calcium-activated K+channels，KCa)、电压依赖性钾离子通道( Voltagedependent K+channels，KV)和ATP敏感钾离子通道(ATP-sensitive K+channels，KATP)。KCa钾通道的门控由细胞内游离钙离子浓度的升高介导，根据单通道电导可分为三个亚家族：高电导（BKCa、KCa1.1）、中等电导（IKCa、KCa3.1）和低电导（SKCa、KCa 2.1、2.2和2.3）[4]。本文将重点综述BKCa、IKCa、KV和KATP四种钾离子通道在哮喘中的研究进展。

BKCa通道由KCNMA1基因编码。BKCa通道由α亚基的同源四聚体形成[5]。BKCa是KCa家族中最早鉴定出的钾离子通道，在许多可兴奋细胞中表达并发挥重要的生理作用，例如调节平滑肌张力、调节神经递质释放和神经元尖峰频率适应[6]。由于BKCa具有非常高的单一电导，因此能够迅速引起膜电位极化，其作为哮喘治疗的潜在靶点一直被广泛关注。

IKCa通道KCa3.1也称为IK1、SK4或KCNN4，该通道由细胞内Ca2+浓度的升高激活[7]。KCa3.1在哮喘相关的多种细胞表达，涉及细胞增殖、迁移和细胞因子产生的调节等多种细胞过程[8,9]。

KV通道由成孔α亚基的四聚体组成[5]。KV7通道在ASMCs、气道上皮细胞和迷走神经气道纤维中表达[10]。

KATP是由磺脲类受体(Sulfonylurea receptor, SUR)和内向整流钾离子通道Kir6.X亚基形成的异源多聚体，首次在心肌细胞中发现[5]。磺脲类药物如格列本脲，通过与SUR亚基结合可阻断KATP通道。KATP在调节ASMCs和杯状细胞功能以及细胞因子的产生中起重要作用。

2.1 K+通道与气道炎症

气道炎症是哮喘的主要病理特征，主要是通过持续的Th2型反应介导[11]。K+通道在抑制哮喘炎症反应中起重要作用。BKCa开放剂NS1619和KATP开放剂匹那地尔能够降低哮喘豚鼠血清和支气管肺泡灌洗液（Bronchoalveolar lavage fluid, BALF）中细胞因子IL-4、IL-5、IL-13和TNF-α水平[12]。KCa3.1通过维持负膜电位在 IgE 刺激的 Ca2+进入肥大细胞和脱颗粒中起关键作用。研究发现II 类磷脂酰肌醇-3-激酶C2β敲除小鼠的骨髓来源的肥大细胞中FcεRI刺激的KCa3.1通道活化、Ca2+流入、脱颗粒和细胞因子的产生减少，KCa3.1电流的减少是由三磷酸磷脂酰肌醇水平降低引起的，并且Ⅱ类磷脂酰肌醇-3-激酶C2β敲除小鼠对 IgE介导的被动全身和皮肤过敏反应具有明显抵抗力[9]。KCa3.1通道阻断能够显著减少慢性哮喘绵羊BALF中的嗜酸性粒细胞数量[13]。KCa3.1通道阻滞剂Senicapoc处理哮喘绵羊，导致绵羊气道实质中CD8和CD45R阳性T细胞的数量呈少[13]。在慢性哮喘小鼠模型中，KCa3.1通道缺陷能够显著降低IL-4、IL-5、IL-13和IFN-γ的水平[8]。

过敏性哮喘患者气道的T淋巴细胞表达大量KV1.3。利用KV1.3选择性通道阻滞剂PAP-1治疗中性粒细胞哮喘小鼠，可显著降低血清和BALF中炎症细胞的数量，减轻气道周围炎症细胞的浸润，PAP-1可通过抑制ERK/NF-κB通路的激活减弱卵清蛋白（Ovalbumin, OVA）和脂多糖联合诱导的Th1/Th2和Treg/Th17淋巴细胞失衡，降低IL-4和IL-17水平，增加IFN-γ和IL-10的水平[14]。

KATP通道抑制剂格列本脲除了具有抗糖尿病作用外，还发现具有炎症调节作用。据报道格列本脲能够减轻OVA激发的哮喘小鼠气道炎症，格列本脲还下调OVA诱导的肺血管细胞粘附分子1和磷酸化信号转导子和转录激活子6的表达[15]。此外，OVA激发后发现肺中SUR1表达增加。这些发现表明经典磺脲类药物格列本脲可能具有抗哮喘作用，这不仅为格列本脲在治疗糖尿病合并哮喘患者中的安全性提供证据，而且还表明靶向格列本脲相关途径治疗哮喘的新希望。

2.2 K+通道与AHR

AHR是由于各种物理、化学或药物刺激而引起的支气管强烈收缩，主要表现为气道平滑肌收缩、支气管痉挛和黏液高分泌。AHR是哮喘重要病理生理特征之一,是体现哮喘患者气道功能异常的关键指标。质膜K+外流水平能改变组织对收缩激动剂的敏感性，导致气道平滑肌收缩控制对其具有高度依赖性。硫化氢可以激活小鼠ASMCs中的BKCa通道引起膜电位的超极化，使电压依赖性钙通道失活并抑制Ca2+流入，最终导致气管平滑肌松弛[16]。男性的雄激素可能与哮喘严重程度有关，将睾酮与豚鼠气管长期孵育，发现可促进KV和BKCa上调并增强沙丁胺醇诱导的平滑肌松弛[17]。柚皮苷及其主要代谢产物柚皮素可通过刺激BKCa来诱导气道平滑肌松弛[18]。抗炎药物双氯芬酸钠、双醋瑞因也可增强BKCa通道导致气道平滑肌松弛[19-20]。BKCa还参与氯喹诱导的平滑肌松弛，氯喹可通过阻断BKca和兰尼碱受体，导致自发瞬时外向电流的消除和收缩的发生。自发瞬时外向电流的消除会抵消高浓度的氯喹引起的松弛[21]。另外还发现选择性BKCa通道阻滞剂Iberiotoxin可增加猪终末细支气管的细支气管平滑肌基础张力[22]。报道显示两种迄今为止最有效的新型BKCa通道开放剂GoSlo-SR5-130 和化合物X，可完全抑制兔和小鼠气道中由组胺、U46619和碳酰胆碱引起的支气管平滑肌阶段性收缩[23]。

KV7.5是人气道平滑肌细胞中主要的KV7通道亚基。研究发现ASMCs中KV7通道活性的增强能促进气道舒张，该通道传导的电流会响应βAR/cAMP/PKA通路（阻塞性气道疾病的治疗靶点）的激活而增强，进一步发现βAR的激活导致KV7.5氨基末端S53的PKA依赖性磷酸化，表明KV7.5在βAR/cAMP/PKA通路激活诱导的ASMCs松弛中起重要作用[24]。另有研究发现支气管收缩剂组胺能剂量依赖性抑制体外培养的人气管平滑肌细胞KV7.5通道电流，敲低或抑制蛋白激酶Cα，或突变hKV7.5，均可消除组胺对KV7.5电流的抑制作用。组胺对蛋白激酶Cα的激活可能导致KV7.5通道磷酸化和随后对hKV7.5通道电流的抑制，促使支气管收缩[25]。KV7通道激活剂瑞替加滨、吡啶硫酮锌等均能显著减轻乙酰甲胆碱诱导的大鼠细支气管收缩。瑞替加滨与福莫特罗联合给药能够持续减轻乙酰甲胆碱诱导的支气管收缩，并减少单独使用福莫特罗的脱敏作用。这些发现表明将KV7通道增强剂与福莫特罗联合使用可改善支气管扩张剂的治疗效果[26]。五味子木脂素对离体大鼠气管平滑肌有明显的松弛作用，而KATP通道抑制剂格列本脲能够显著减弱这种松弛作用[27]。蛇婆子叶茎提取物也可通过KATP通道促进大鼠支气管的松弛[28]。

钾离子通道在神经调节中发挥重要作用，而神经调节与AHR密切相关。迷走神经支气管肺传入是呼吸道和中枢神经系统之间的主要通信途径，这些传入末梢以动作电位形式发出的信息进一步整合到脑干中，最终导致咳嗽、呼吸困难、气道收缩和粘液分泌等。研究发现钙敏感受体在支气管肺传入信号传导中可以通过调节BKCa通道活性发挥部分作用，阻断钙敏感受体会抑制支气管肺感觉神经元中的BKCa通道活性[6]。蛋白酶激活受体2在肺和气道的多种细胞中表达，其激活可导致气道高反应性 ,研究发现激活蛋白酶激活受体2可抑制BKCa通道活性并增加支气管肺感觉神经元的兴奋性[29]。BKCa激动剂NS1619可以显著抑制平滑肌细胞的反应性和纤毛摆动频率，降低哮喘豚鼠气道高反应性[12]。KATP开放剂匹那地尔和NS1619类似，也可降低气道平滑肌的反应性[12]。

气道炎症是导致AHR最重要的原因之一，当气道受到变应原或其他刺激后诱发炎症，损害气道上皮和上皮内神经等，从而导致AHR[30]，K+通道也参与调节炎症诱导的AHR。哮喘绵羊口服KCa3.1通道选择性阻滞剂ICA-17073能够显著减少急性过敏原依赖性的支气管收缩、肺阻力过敏原依赖性增加以及对卡巴胆碱的气道高反应性[13]。KCa3.1通道缺陷可减轻慢性哮喘小鼠的气道高反应性[8]。研究发现OVA和脂多糖联合诱导的中性粒细胞哮喘小鼠肺组织中KV1.3通道的表达增加和KV电流增强。选择性KV1.3通道阻滞剂PAP-1可通过减弱炎症细胞浸润降低中性粒细胞哮喘小鼠的气道高反应性[14]。KATP通道抑制剂格列本脲可通过下调炎症因子水平，显著减轻哮喘小鼠的AHR[15]。

2.3 K+通道与哮喘气道重塑

气道重塑是哮喘的重要病理特征之一，其表现为气道上皮脱落，上皮下组织增厚，胶原沉积，ASMCs肥大增生和血管生成。K+通道在哮喘气道重塑中发挥重要作用。研究发现与正常人相比，哮喘患者KCa3.1在支气管上皮表达增加，与体外培养的正常人气道上皮细胞相比，哮喘患者的KCa3.1电流更大[31]。进一步研究发现KCa3.1通道阻断可抑制转化生长因子受体β1依赖性的上皮间质转化的多个特征，包括细胞形状变化和E-钙粘蛋白表达的丧失。KCa3.1阻滞剂治疗可能通过抑制EMT来抑制哮喘气道重塑[31]。细胞内Ca2+水平在调节细胞增殖中起重要作用。余志华等人发现KCa3.1通过膜超极化导致的Ca2+内流调节人ASMCs增殖，KCa3.1通道缺陷会减弱慢性哮喘小鼠模型中的气道重塑[8]。他们发现KCa3.1敲低可阻断体外促有丝分裂信号通路，抑制人支气管平滑肌细胞增殖。与KCa3.1基因正常的哮喘小鼠相比，KCa3.1基因缺失的哮喘小鼠α-SMA阳性染色也显著减弱，所以KCa3.1通道缺陷会减轻慢性哮喘小鼠模型中的气道重塑。KCa3.1还参与哮喘血管重塑，在绵羊哮喘模型中，经KCa3.1阻断剂Senicapoc治疗的慢性哮喘绵羊气道壁中血管的平均尺寸显著减小，有助于减轻过敏原暴露后的气道水肿[13]。

3 K+通道的临床药物研究

目前针对K+通道开发阻断剂或者开放剂靶向治疗各种疾病，已经成为科研和临床研究的热点。2018年美国食品药品监督管理局批准钾离子通道阻滞剂Amifampridine上市，用以治疗成人Lambert-Eaton肌无力综合征[32]。临床研究发现口服Amifampridine可抑制突触前膜钾离子通道，从而增加乙酰胆碱的释放及改善动作电位的传导，恢复肌纤维收缩力，改善肌肉力弱症状[33]。一项随机、双盲、安慰剂对照、交叉研究发现KATP通道开放剂左克罗卡林能够诱发人类先兆偏头痛[34]，同一课题组另外一项临床研究表明KATP通道阻滞剂格列本脲不能预防但能延迟左克罗卡林引起的头痛发作[35]。一项英国的临床研究发现BKCa通道开放剂VSN16R是一种潜在、安全和选择性的配体，可以用于控制痉挛状态下的神经超兴奋性[36]。一项单盲、单剂量、多队列研究发现KV7钾通道开放剂ICA-105665可降低癫痫患者的光阵发性脑电图反应[37]。

K+通道药物在哮喘中临床研究较少。Andolast是一种新型KCa开放剂，可抑制一磷酸腺苷和运动诱导的哮喘支气管收缩。一项多中心、随机、安慰剂对照研究发现，与安慰剂组相比，Andolast能够改善轻中度哮喘患者气流，减少短效α2 受体激动剂使用次数，减轻哮喘症状和降低哮喘发作频率[38]。KCa通道开放阻断剂多索茶碱是一种具有抗炎和支气管扩张活性的口服甲基黄嘌呤，能够松弛气道平滑肌和减轻气道炎症。最新的临床研究表明，多索茶碱在哮喘患者中长期给药时有效性高且耐受性良好[39]。