糖尿病心肌離子通道重構的研究進展*

李 健， 劉 彤， 李廣平

(天津醫科大學第二醫院心臟內科，天津心臟病學研究所，天津 300211)

1000-4718(2012)04-0751-05

2011-10-05

2011-11-23

國家自然科學基金資助項目(No.30900618)

△ 通訊作者 Tel：022-88328368；E-mail：tjcardiol@126.com

·綜述·

糖尿病心肌離子通道重構的研究進展*

李 健， 劉 彤， 李廣平△

(天津醫科大學第二醫院心臟內科，天津心臟病學研究所，天津 300211)

糖尿病心血管并發癥是患者死亡的主要原因，其中重要的臨床表現是與猝死相關的心律失常發生率較高。糖尿病患者心電圖常出現與心律失常相關的QT間期延長[1-2]，且心電圖的異常可不伴隨其它危險因素而獨立存在[3]。實驗研究也顯示糖尿病動物模型的QT間期延長對應心室肌細胞動作電位時程(action potential duration, APD)明顯延長，APD異常的基礎是相關細胞膜離子通道因糖尿病病變損傷發生了重構[4]。本文主要總結糖尿病心室肌細胞離子通道的動物實驗研究，主要包括通道電流和通道蛋白分子表達的變化，探討糖尿病引發心律失常的機理。現有的研究多數來自心室肌細胞，主要原因是研究離子通道活動的膜片鉗技術更常采用細胞標本和數據記錄更易獲得的心室肌，且心室肌臨床意義相對更重要而更被關注，其APD延長與可能產生尖端扭轉型室性心動過速、心室顫動等致命心律失常的心電圖QT間期延長直接相關，但本文對少數糖尿病模型心房肌細胞的研究仍加以討論，因最近的臨床研究[5-6]提示糖尿病可能增加發生心房顫動(房顫)的危險，而房顫作為臨床最常見的心律失常也日益被重視。

1 糖尿病心室肌離子通道的重構

1.1瞬時外向鉀通道(transient outward potassium channel, Ito)的變化 Ito電流為快速的外向鉀離子流，是心肌細胞動作電位1相快速復極的主要離子流，有關糖尿病動物模型心肌離子通道的研究中，心室肌Ito的研究是最多最深入的。藥物或轉基因誘導的糖尿病動物模型在大鼠[7-12]、 兔[3]和犬[13]的實驗研究一致顯示糖尿病動物組心室肌細胞Ito電流密度較正常對照組顯著減小，且有資料總結[4]糖尿病心室肌細胞Ito電流失活后快速恢復的α亞單位Kv4.2和Kv4.3編碼蛋白表達減少，而失活后緩慢恢復的α亞單位Kv1.4代償性表達增加。主要通道蛋白合成的減少和通道失活-復活動力學的改變是糖尿病心室細胞Ito電流密度減小、功能減弱的直接原因，相關的影響因素和調節機制可能有：(1)直接由于胰島素的缺乏使各種蛋白的合成都減少，包括心肌離子通道蛋白。(2)糖尿病個體常伴隨甲狀腺素(triiodothyronine, T3;tetraiodothyronine,T4)缺乏， 而T3是促進心肌Ito轉錄的重要激素，故間接使通道蛋白合成減少[4]。(3)糖尿病個體神經營養不良，去甲腎上腺素等交感神經遞質釋放減少，促進Ito基因表達的刺激作用減弱[4]。(4)糖尿病引發氧化應激增強，激活腎素-血管緊張素系統(renin-angiotensin system, RAS)，血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ, AngⅡ)水平升高，AngⅡ又可促進氧化應激反應使超氧化物增加而直接損害Ito的功能，而血管緊張素轉化酶抑制劑(angiotensin-converting enzyme inhibitor, ACEI)等阻斷AngⅡ的因素則可抑制Ito電流減小[11]；AngⅡ還可能通過激活蛋白激酶A (protein kinase A, PKA)、蛋白激酶C (protein kinase C, PKC)、酪氨酸激酶等使Ito蛋白磷酸化，使通道變構而失去活性[11,13-14]。但上述研究的動物模型都近似臨床1型糖尿病，臨床上2型糖尿病更常見，個體的胰島素水平和病情病程與1型不同，心肌離子通道的變化可能不同，已有的研究[15]顯示：果糖飼料喂養誘導的大鼠2型糖尿病模型心室肌細胞Ito電流較正常對照組無明顯變化，而鏈脲菌素(streptozotocin, STZ)注射誘導的1型糖尿病大鼠Ito電流明顯減小。此外，還有研究顯示糖尿病心室肌Ito變化有性別差異[14, 16]：STZ誘導的糖尿病大鼠心室肌細胞Ito的減小出現在雄性個體，雌性個體Ito無顯著變化，提示糖尿病對心肌通道的損害在雄性個體更敏感，可能因AngⅡ在不同性別的作用途徑不同，可見內分泌的調節對糖尿病狀態下心肌離子通道的重構也起一定作用。

1.2L型鈣通道(L-type calcium channel, ICa, L)的變化 ICa,L電流為內向緩慢鈣離子流，是形成心肌細胞動作電位2相復極“平臺期”的主要離子流。糖尿病對心室肌細胞ICa,L的影響仍有爭議，即使是相同物種的研究報道也不一致。多數研究顯示糖尿病動物模型心室肌細胞ICa,L電流密度較之正常對照無顯著變化(數值不變或略有減小但無統計學意義)[7, 13, 17-20]，或顯著減小[3, 8, 21]。其中為數不多的分子生物學實驗顯示ICa,L相關通道蛋白的表達與其電流密度的改變并不一致，如糖尿病犬ICa,L電流密度無變化[14]，糖尿病兔ICa,L電流密度有所減小[3]，而兩研究[3, 14]都表明編碼ICa,L的Cav1.2通道蛋白(α1C亞單位)表達并無顯著變化，可見即使有通道功能減弱卻可無明顯結構基礎的表達缺失。糖尿病對心室肌ICa,L的影響可能和病程長短有關——糖尿病的病理狀態持續越久，ICa,L可能減小越明顯。有兩個四氧嘧啶誘導的家兔糖尿病模型的研究似乎支持這一推斷。Lengyel 等[13]報道3周的糖尿病家兔心室肌ICa,L與對照組相比無改變；而Zhang 等[3]則報道10周的糖尿病家兔ICa,L電流密度減小可達22%(但如前所述：相關Cav1.2通道蛋白表達無明顯下調)，糖尿病狀態的心肌細胞膜磷脂組分的改變和鈣結合狀況的變化，以及實驗條件如細胞內外pH或Ca2+濃度的不同，都可能造成各研究結果不一致[19]。有轉基因Akita糖尿病小鼠的實驗研究[21]顯示：糖尿病小鼠心室肌細胞ICa,L電流減小伴隨α1C亞單位表達下降與磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinases, PI3-K)信號通路的反應減弱相關，注射胰島素或三磷酸肌醇[PI(3,4,5)P3]可使糖尿病小鼠ICa,L接近正常野生型。根據現有研究推斷：糖尿病可使心室肌細胞ICa,L電流密度略有減小，與長期氧化應激損傷和相關代謝途徑(如PI3-K)弱化抑制了Cav1.2編碼通道的功能有關。

1.3延遲整流鉀通道(delayed rectifier potassium channel, IK)的變化 心室肌IK電流是重要的外向鉀離子流，包括快速激活的延遲整流鉀通道(rapid delayed rectifier potassium channel,IKr)和緩慢激活的延遲整流鉀通道(slow delayed rectifier potassium channel, IKs)，IKr和IKs電流是共同構成心室細胞3相復極的主要離子流，還是在2相復極中與內向ICa,L電流相抗衡形成平臺期的主要離子流。IKr和IKs在心室肌細胞復極過程中的作用極其重要，但有關糖尿病對心室肌IKr和IKs的重構作用研究較少，結果也不完全一致。Zhang等[22]研究顯示糖尿病家兔心室肌細胞IKr電流密度較正常對照顯著減小，且編碼IKr的ERG通道蛋白表達明顯下降，與胰島素促進葡萄糖轉運相關的蛋白激酶B(protein kinase B, PKB或Akt)信號通路也明顯減弱，而注射胰島素使糖尿病家兔IKr電流密度和ERG通道蛋白表達恢復接近正常，心電圖QT間期恢復正常；隨后的另一個研究[3]顯示6周糖尿病家兔心室肌細胞IKr電流密度較正常對照減小且編碼IKr的ERG(ether-a-go-go相關基因,ether-a-go-go-related gene)通道蛋白表達明顯下降，IKs電流密度較正常對照顯著減小，編碼IKsα亞單位的KCNQ1(KvLQT1)通道蛋白表達無明顯變化而編碼β亞單位的KCNE1(minK)蛋白表達比正常對照明顯下降，并推算IKr電流的減小理論上使家兔心室肌細胞APD延長30%而IKs電流的減小未明顯改變APD，Zhang等[22]認為IKr電流的減弱是糖尿病心室肌APD延長及心電圖QT間期延長的主要離子基礎，與糖尿病氧化應激活性氧系列產物增加和PKB信號通路減弱有關。Lengyel等[13]則有研究顯示糖尿病犬IKs電流密度較正常對照顯著減小，編碼IKs的minK通道蛋白表達明顯低于正常而α亞基的KvLQT1表達高于正常，IKr電流密度與正常相當，編碼IKr的HERG和MiRP1通道蛋白表達較正常無變化，提示IKs的KvLQT1與IKr的HERG編碼蛋白表達在糖尿病狀態下有協同，IKs與IKr電流可相互補償，此后的另一個研究[17]顯示3周糖尿病家兔心室肌細胞IKr電流密度較正常無變化而IKs電流密度較正常對照顯著減小，Lengyel等[13]認為與Zhang等[22]的研究結果不同可能因糖尿病家兔病程長短不同造成病變對離子通道的損害程度不同，并認為糖尿病心室肌APD延長和相應心電圖QT延長的主要因素是IKs離子流的明顯減損。而在人體心臟IKs離子流是重要的心室肌復極儲備電流[23]：當病理因素(如基因異常、缺血缺氧、心力衰竭、糖尿病等)使心肌部分復極通道(主要是Ito、IKr等鉀通道)受到抑制造成復極減緩APD延長時，IKs離子流作為儲備代償性增加開放，促進復極，以限制APD過度延長。可見糖尿病心室肌IKs的重構有重要臨床意義，是心律失常發生的基礎之一。最近有研究[24]顯示糖尿病家兔心室肌細胞IKs重構有性別差異：雌雄個體的QT間期和心室肌細胞APD均較正常對照延長，雄性IKs電流密度低于正常，KvLQT1和minK編碼蛋白表達水平下降，而雌性IKs電流密度和兩編碼蛋白表達均高于正常對照。

1.4內向整流鉀通道(inward rectifier potassium channel, IK1)的變化 IK1電流是維持心肌細胞靜息狀態，即4相復極的背景離子流。已有的研究[3, 7, 9, 13-14]一致表明糖尿病動物心室肌細胞IK1電流密度較之正常無變化，糖尿病并不改變心室IK1的功能與分子表達。

1.5快鈉通道(sodium channel, INa)的變化 INa電流是心肌細胞0相除極的快速內向離子流，與心肌的傳導性和興奮性密切相關。現有研究[3]顯示糖尿病家兔心室肌細胞INa電流密度和通道編碼蛋白Nav1.5的表達較之正常對照無改變，糖尿病并不影響心室肌的除極。

綜前所述，糖尿病狀態下心電圖QT間期延長對應心室肌APD延長，APD長短取決于復極時間，故負責心室肌復極的離子通道重構決定了糖尿病心室肌APD的改變，復極相鉀通道Ito、IKr和IKs離子流的減小起主要作用，其中IKr和IKs的下調改變對APD的延長最為重要，作為復極儲備的IKs的減損使APD延長進一步失控則可能成為心律失常的基礎。ICa,L的重構對APD的作用有限，雖電流略有減小，但使APD縮短的作用遠被IKr和IKs電流的明顯減小所抵銷。糖尿病對心室肌的除極(INa)和靜息狀態(IK1)無明顯影響。糖尿病心室肌離子通道重構的因素可能有：胰島素不足直接造成通道蛋白合成減少，氧化應激活性氧產物增加損傷心肌離子通道，促通道蛋白合成的激素缺乏(如T3)，神經營養刺激因素(如交感遞質)不足，相關激酶(PKA、PKC、PKB等)活性的改變使通道失活或表達下調等。

2 糖尿病心房肌離子通道的重構

糖尿病對心房肌電生理性質的影響有關研究極少，有一微電極記錄的研究[25]顯示STZ誘導的糖尿病大鼠病程6周時心房肌細胞復極90%振幅的動作電位時程APD90較正常對照明顯延長。故可推斷糖尿病心房肌離子通道的重構結果也使APD延長，有關離子通道變化的研究主要有以下兩個[26-27]。

2.1瞬時外向鉀通道(Ito)的變化 Shimoni等[26]研究顯示STZ誘導的糖尿病大鼠心房肌細胞Ito電流密度較正常對照無變化，與心室肌細胞Ito電流密度明顯減小形成鮮明對比，如前所述AngⅡ促進氧化應激反應使超氧化物增加而減小心室細胞Ito電流密度，該研究則表明AngⅡ水平在糖尿病心室肌明顯升高而在心房肌無升高，而對照組(或STZ誘導前)心房肌基礎AngⅡ反而較高，糖尿病心房肌細胞超氧化物水平明顯低于心室肌細胞，提示在糖尿病心房細胞AngⅡ介導的氧化應激途徑被抑制并非AngⅡ合成減少，ACEI使糖尿病心室細胞Ito電流增大卻對心房細胞Ito電流無影響。經進一步實驗推斷：糖尿病心房與心室細胞Ito電流密度變化不一致是由于心房肌所含心房利鈉肽(atrial natriuretic peptide, ANP)抑制RAS的激活，即心房細胞ANP拮抗AngⅡ而阻斷氧化應激反應，使Ito電流密度不減小。

2.2乙酰膽堿激活的鉀通道(acetylcholine-activated potassium channel, KACh)的變化 KACh是心房肌細胞特有的外向鉀離子流，不存在于心室肌細胞，KACh可由乙酰膽堿、碳酰膽堿、腺苷等激活M受體，經G蛋白介導，低電壓激活的內向整流鉀通道，被激活可促進復極，使心房肌APD縮短，與迷走神經張力增高或膽堿物質引發房顫密切相關。Park等[27]研究顯示轉基因1型糖尿病Akita小鼠心房肌細胞KACh電流密度明顯較野生型對照組減小，糖尿病心房肌細胞KACh電流密度減小與胰島素缺乏使KACh相關G蛋白偶聯的內向整流鉀通道(G protein-coupled inward rectifying potassium channel,GIRK1)通道蛋白表達下降以及經甾體調節元件結合蛋白-1(sterol regulatory element binding protein-1, SREBP-1)表達下降使副交感反應減低有關；當然糖尿病神經病變使迷走神經遞質釋放減少可直接造成KACh電流減小。

根據現有研究分析，糖尿病可造成心房細胞APD延長，與KACh電流減小有一定關系，與Ito無關，而其它復極相關離子通道如ICa,L、IK、IK1等的重構對APD估計也會有一定影響，還有待研究。

3 存在的問題

已有的實驗研究所用糖尿病模型大多數是藥物損傷誘導模型，如STZ大鼠、四氧嘧啶家兔/犬，少數為轉基因大鼠/小鼠模型，上述模型均接近臨床上1型糖尿病，2型糖尿病模型(如果糖飼養大鼠)研究極少，而1、2型糖尿病心肌離子通道的重構變化可能不同；糖尿病動物的觀察期即病程長短與心肌離子通道重構的程度有很大關系；因實驗動物種屬差異造成離子通道編碼的差別也會影響研究結果；糖尿病心肌離子通道的重構還存在一定的性別差異；其它細節如左右心室/左右心房的差異，同一心室內、中、外不同層面細胞的電學異質性都可能影響實驗研究結果。

總之，糖尿病影響心肌細胞離子通道重構的因素繁多而復雜，根本機制未完全明了，很多研究還需要深入，尤其是對2型糖尿病模型的研究，以及對心房肌細胞的研究。

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Recentadvanceincardiacionchannelremodelingindiabetes

LI Jian, LIU Tong, LI Guang-ping

(DepartmentofCardiology,TheSecondHospitalofTianjinMedicalUniversity,TianjinInstituteofCardiology,Tianjin300211,China.E-mail:tjcardiol@126.com)

Occurrence of lethal cardiac arrhythmia, which is associated with prolongation of the QT interval in electrocardiogram(ECG), is related to increased mortality in the patients with diabetes mellitus (DM). Increased QT interval reflects the prolonged cardiac action potential duration (APD). APD abnormality is based on by cardiac ion channel remodeling induced by DM-related pathological changes. As DM is becoming an important risk factor for atrial fibrillation, the most clinically common arrhythmia, this review mainly summarizes the alterations of ion channel currents and relevant protein expression in diabetic ventricular myocytes to explore the underlying mechanisms of arrhythmia, and also discusses some research achievements from investigating the atrial myocytes in DM,

糖尿病; 心室肌細胞; 心房肌細胞; 離子通道

Diabetes mellitus; Ventricular myocytes; Atrial myocytes; Ion channels

R587.1

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2012.04.032