大电导电压和钙依赖性钾通道在心血管疾病中的研究进展

陈彦玲 金基永

(延边大学附属医院心血管内科，吉林 延吉 133000)

心血管疾病(CVD) 是导致世界上发病率和死亡率增高的主要原因之一。据世界卫生组织估计，2015年，由CVD造成的死亡人数超过1 770万，占全球死亡人数的31%〔1〕。大电导钙离子激活钾(BK)通道，是表达在多种类型细胞膜和细胞器膜上的一种离子通道〔2〕。近年来BK通道在心血管系统中的作用得到广泛的研究〔3～5〕。BK通道结构和功能研究对其在各种病理生理发生过程中的作用机制有着至关重要的作用。本文对BK通道在CVD发展过程中的作用机制及相关影响进行综述。

1 BK通道的结构与功能

20世纪80年代早期，大钾离子通道，命名为大单通道电导(250～300 ps)〔6〕。在哺乳动物中，BK通道被定义为大电导电压和钙依赖性钾通道〔7〕。此通道的最大特点是对钾离子具有大的电导作用、对电压和钙离子浓度较高的敏感性及在生物体内各种细胞上广泛的表达〔2〕。BK通道是由α亚基与辅助β亚基组成的同源四聚体〔8〕。Kcnma1基因编码的α亚基是由7个假定的跨膜结构域(S0-S6)〔9〕、1个细胞外N端和1个带有钙离子和其他调节分子结合位点的细胞质C端组成。S0是一个独特的N端跨膜片段，是与β亚基耦联的位点〔10〕。S1～S4跨膜片段形成电压感应域，而S5～S6形成孔道〔11〕。大胞质C端包含2个钾离子电导结构域〔12〕。β亚基有β1～β4 4种亚型〔13〕，而β1亚基主要存在于血管平滑肌细胞(VSMCs)中〔14〕。β1亚基可延长BK通道开放时间，增加BK通道敏感性。这些辅助亚基通过修改钙离子和电压敏感性来调整BK通道的生物物理特性。BK通道的变构激活主要依赖于细胞内钙离子升高及膜去极化〔15〕。BK通道在许多生理过程有着至关重要的作用，包括调节血管张力、神经元兴奋、突触传递和激素分泌〔16,17〕、介导血管平滑肌的迁移能力、参与保护心脏，减轻心脏缺血-再灌注(IR)损伤〔18〕。

2 BK通道与血管平滑肌的迁移能力

BK通道介导及调节VSMCs的迁移，VSMCs从血管中膜到内膜的迁移导致动脉粥样硬化〔19〕。动脉粥样硬化是导致CVD的主要原因之一。当VSMCs上过度表达BK通道后，迁移能力降低，反之，BK通道表达减少后，细胞的迁移能力显著增加〔20〕。Chandra等〔20〕研究发现，细胞内钙离子浓度的变化是导致VSMCs迁移的始动因素，而VSMCs的迁移必须有钙离子依赖性蛋白激酶Ⅱ的激活才可进行。在VSMCs上BK通道过度表达使钙离子内流减少，胞质内钙离子浓度降低，钙离子依赖性蛋白激酶Ⅱ的激活受限，VSMCs的迁移速度明显减慢。而VSMCs从血管中膜到内膜的迁移是导致动脉粥样硬化、冠状动脉血运重建后血管再狭窄等常见血管病变共同的关键性事件。因此，BK通道对影响心血管性事件的发生和进展过程起到一定的作用，不仅影响血管功能性改变(调节血管张力)，同时参与血管器质性病变的过程。

3 BK通道与心脏保护

3.1抑制BK通道可导致心动过缓。心率减慢，改善心脏收缩力，致心肌耗氧量减少，进而起到保护心脏的作用。Imlach等〔21〕利用BK通道抑制剂(paxilline、lolitrem B)在野生小鼠模型中的研究发现，抑制BK通道，导致野生型小鼠的心率降低。在大鼠心脏的离体研究还表明当灌注paxilline和lolitrem B时，同样引起心率减慢〔21〕。Patel等〔22〕在大鼠体内模型中测试了BK通道在调节心率中的作用，在注射paxilline后，分别测量1分钟和15分钟的心率，高剂量和低剂量paxilline组大鼠心率均显著降低。Lai等〔23〕发现，抑制BK通道可延长舒张期去极化和降低窦房结细胞兴奋性，导致心动过缓。鉴于观察到BK通道广泛的心脏抑制效应，抑制BK通道导致心动过缓。对不耐受β受体阻滞剂或其他类型的心率控制药物的患者来说，BK通道阻滞剂可成为抗心律失常的一种新控制手段。BK通道通过对心率的介导，进而降低心肌耗氧量，从而起到对心脏的保护作用。

3.2BK通道可调节冠状动脉血流。BK通道活化后可增加冠状动脉流量，改善心肌缺血。BK通道在冠状动脉平滑肌细胞的质膜中大量表达，预计其在调节冠状动脉血流中发挥作用。Patel等〔22〕首次使用paxilline和iberiotoxin 对冠状动脉血流进行体内分析，发现使用paxilline、iberiotoxin 抑制BK通道，在1 min内可显著降低平均冠状动脉速度和冠状动脉平均梯度，但15 min后这种抑制是完全可逆的。已知缺血和缺血后再灌注诱导心脏损伤〔24〕。而缺血预处理(IPC)已被证明可非常有效地使心脏不易受到损伤〔25〕。Soltysinka等〔18〕研究发现IR时的冠状动脉血流在BK活化小鼠心脏中通过IPC改善，而在BK基因敲除的小鼠心脏中通过IPC没有改善。因此有理由认为BK通道活化在调节冠状动脉灌注方面有重要作用。

3.3BK通道活化保护心脏免受IR损伤。BK通道在心脏线粒体中对IR损伤的保护作用已被独立小组证明〔26,27〕。BK通道存在于成年心肌细胞的线粒体中〔28〕。Goswami等〔29〕对表达活化BK通道的离体心脏小鼠模型进行的研究支持了这样的观点:BK通道过度表达及BK通道活化在抗IR损伤的心脏保护中起到重要作用，可以保护心脏减轻IR损伤，提高IPC和IR损伤后左室发育压力(LVDP)的恢复，减少心肌梗死面积。Soltysinka等〔18〕证明了使用全基因BK敲除小鼠的IPC介导的心脏保护和BK之间的因果关系，强调了BK通道的激活可进一步增强IPC介导的心脏保护作用，减少IR后心脏损伤。另外还有研究表明BK通道活化和过度表达对IR损伤具有心脏保护作用，并且心脏保护作用部分是通过减少有害的线粒体活性氧自由基产生来介导的。研究表明ROS的产生与心脏保护有关。Goswami等〔29〕发现BK通道的遗传激活减少了IR应激后的ROS生成，而IPC进一步降低了ROS生成。BK通道活化和过度表达调节ROS生成，进而起到保护心脏作用。上述结果表明对于IR损伤的心脏恢复及IPC介导的心脏保护作用、心肌梗死面积减少主要是BK通道的激活作用所致。

4 BK通道与高血压血管病变

高血压是CVD的主要危险因素之一。即使血压轻度升高，也会增加CVD的风险。研究表明，BK-α亚基和BK-β1亚基的下调引起高血压病变血管的舒张功能障碍，BK通道在血压调节中至关重要。

BK通道在VSMCs中高度表达〔30〕，BK通道在调节膜电位和血管张力方面的有着重要作用〔31〕，蛋白检测实验研究发现高血压大鼠VSMCs上BK通道的密度低于正常大鼠〔32〕。有理由认为VSMCs中BK通道功能失调可能导致高血压发生。遗传动物模型和高血压动物模型的研究证明，一方面BK通道的缺乏导致轻度血压升高，另一方面BK通道功能或表达的改变与高血压疾病状态平行相关。Brenner等〔14〕、Pluger等〔33〕表明靶向缺失BK-β1亚基的基因会导致BK通道的钙敏感性降低，平滑肌收缩性在这些小鼠中增强，出现全身动脉血压升高。缺乏BK-α亚基的小鼠也表现出全身血压升高〔34〕。Amberg等〔35,36〕研究发现自发性高血压大鼠和血管紧张素Ⅱ诱导高血压大鼠的平滑肌BK通道功能减弱，并且与BK-β1亚基表达的下调有关。另一方面，肺动脉高压大鼠和 L-硝基精氨酸治疗的高血压大鼠显示平滑肌中BK-α基的表达降低〔37,38〕。根据上述研究得出，BK-β1和BK-α亚基的下调导致高血压期间的血管舒张功能障碍。然而其他实验数据表明在自发性高血压和醋酸脱氧皮质酮-盐高血压大鼠中，高血压大鼠血管中BK通道功能均上调。BK通道功能上调被认为是限制高血压血管过度收缩的一种代偿机制〔39〕。这些发现清楚地支持BK通道在血压调节中的重要作用，并证明该BK通道是高血压降压治疗中一个新兴靶点。

然而，BK-β1亚基的选择性缺失可能不足够引起高血压。最近的一项研究表明，基于连续24 h血压测量，BK-β1亚基缺失的小鼠并不会出现血压升高。因此，对于BK-β1亚基在BK通道调节血压中的作用有待进一步研究。

5 BK通道与糖尿病血管病变

糖尿病可使CVD风险升高约2倍。1型糖尿病和2型糖尿病都会导致血管功能障碍。降低糖尿病血管损害，间接减少CVD患病的危险因素。大量证据表明，糖尿病血管BK通道功能障碍主要与BK-β1亚基下调有关〔40,41〕。

在生理和病理条件下，BK通道在调节血管张力中起着至关重要的作用〔31〕。在1型和2型糖尿病动物模型中，血管系统中BK通道功能受损，并且该功能的损害与VSMCs的BK-β1的表达减少有关〔42,43〕。Lu等〔44〕在2型糖尿病患者血管平滑肌中的研究也得到相似的证实。此外Nieves-Cintrón等〔45〕报告了来自非糖尿病和2型糖尿病患者的天然小直径脂肪动脉和血管平滑肌细胞中BK通道相关发现，首先，BK通道活性可对抗人类小阻力脂肪动脉中压力诱导的收缩，但在2型糖尿病患者的动脉中这一作用受到损害。也就是说BK 通道介导的血管舒张功能在2型糖尿病患者的动脉中受损。大量研究表明，在糖尿病中，BK通道功能障碍导致异常血管收缩〔46,47〕，最终导致组织缺血，加重糖尿病心脏的缺血-再灌注损伤〔48〕。BK通道活化和BK-β1功能的降低也可能通过在糖尿病期间加重血管壁重塑和纤维化而导致血管并发症〔49〕。

综上，各种血管活性物质引起的血管反应涉及激活或抑制VSMCs、心肌细胞中的BK通道。BK通道在生理病理过程中的广泛表达和参与，可调节血管张力和心肌灌注、抗动脉粥样硬化及介导心脏保护，高血压、糖尿病血管功能障碍也与VSMCs中BK通道功能的改变有联系。因此，BK通道有望成为防治心血管疾病的关键。未来我们对BK通道在CVD方面的研究可从以下3个方面着手:(1)BK通道对各心血管组织所产生的不同致病机制需要继续钻研，进而研发出治疗相关CVD的靶向药物。(2)BK通道在人体细胞中普遍存在，通过不同的表达机制，关键地参与了各种过程，进一步明确BK通道在各组织中的分布及作用机制差异，对这些差异做精细的研究，才能研究出精确的治疗手段来抑制或拮抗此种机制。(3)改变BK通道活性和表达的化合物及其遗传操作可能具有治疗意义。现在由于BK通道作为CVD潜在治疗靶点的领域研究仍处于初级阶段，BK通道对CVD的影响机制仍需探索，为治疗心肌缺血、血管狭窄等相关CVD提供新的依据。