心血管疾病治療的靶點
——線粒體ATP敏感性鉀通道的研究進展

寧　可，姜　麗，包怡敏

1.上海中醫藥大學碩士研究生在讀(上海 201203)；2.上海中醫藥大學基礎醫學院

?

·綜述與進展·

心血管疾病治療的靶點
——線粒體ATP敏感性鉀通道的研究進展

寧可1，姜麗1，包怡敏2

1.上海中醫藥大學碩士研究生在讀(上海 201203)；2.上海中醫藥大學基礎醫學院

摘要：線粒體是心肌保護的重要靶器官。隨著對心血管疾病機制研究的深入，線粒體ATP 敏感性鉀通道被認為是治療心肌損傷性疾病的潛在靶點。它是細胞線粒體內一種重要離子通道，其結構復雜，功能多樣，在細胞的生理病理過程中起著重要的作用，這一通道保護心肌的機制主要涉及氧化應激、鈣超載、細胞凋亡及膜電位的變化等方面。本研究就線粒體ATP敏感性鉀通道的結構及其心肌保護機制作一綜述。

關鍵詞：心肌損傷；線粒體；ATP 敏感性鉀通道；保護機制

心血管疾病已經成為威脅人類健康的最嚴重疾病之一，隨著我國人口老齡化的加快，心肌缺血、心室重構/心肌肥大、糖尿病心肌損傷與心律失常等心血管疾病的發病率逐年上升，其發病率高、死亡率高、復發率高、恢復慢，并發癥多等，醫學界已把它同腦血管病、癌癥并列為威脅人類健康的三大疾病[1]。在治療過程中，冠狀動脈搭橋術(CABG)、經皮冠狀動脈成形術(PTCA)、血管支架及旋切術等，也引起越來越多的再灌注心肌損傷，這一現象如今已經成為臨床不可忽視的問題。探索缺血性心血管疾病的發生機制，對臨床和社會具有十分重要的意義。越來越多的研究證明，線粒體三磷酸腺苷(ATP)敏感性鉀通道(mitoATP-sensitive K+channels ，mitoKATP)是保護心肌損傷的重要機制之一，其研究再灌注損傷和其他心肌損傷中發揮著重要的調控作用，被認為是治療心肌損傷的重要靶點。研究就mitoKATP的心肌保護作用做一綜述。

1ATP-sensitive K+channels 及mitoKATP的發現

ATP敏感性鉀通道(ATP-sensitive K+channels，KATPchannels)最早由日本學者Noma在豚鼠的心肌細胞上發現。它不同于其他類型的鉀通道電生理學特性，是由細胞內ATP和二磷腺苷(ADP)同時調節的一類選擇性的非電壓依賴性鉀離子通道。此通道目前分為兩類：細胞膜上的KATP通道(sarcolemmal KATPchannel，sarcKATPchannel )，和線粒體膜上的KATP通道。1991年，lnoue等[2]在大鼠的肝細胞線粒體內膜上證實了mitoKATP的存在，發現了mitoKATP可能也屬于內向整流鉀通道家族。隨后又用免疫熒光等技術證實了在大鼠骨骼肌線粒體內膜中同樣存在內向整流鉀通道Kir6。近年來也有研究證明，在心血管疾病中，如急性心肌缺血、心肌梗死、心律失常、高血壓等疾病中mitoKATP發揮的作用十分廣泛[3]。此通道在正常情況下處于關閉狀態，但在組織缺血、缺氧或能量耗竭時被大量激活，可產生擴張血管保護心肌細胞作用。因此，mitoKATP通道已成為缺血性等心肌病變的一個重要的治療靶點。

2線粒體ATP敏感性鉀通道的分子結構和生物學功能

2.1分子結構分子生物學研究表明，KATP是由內向整流鉀通道(inwardly rectified potassium channel，Kir)和ATP結合蛋白(ATP- binding cassette， ABC)兩部分組成的異源八聚體，前者形成離子通道，后者決定KATP的功能[4]。許多研究表明，mitoKATP除了若干亞基不同，大體結構與KATP相似，不同亞型的相互偶聯導致了不同組織器官的KATP特性和功能的復雜性。盡管其分子結構尚不十分清楚，但已有研究表明，KATP分為7個亞家族，其中參與組成mitoKATP的亞基為Kir6.1和Kir6.2。其與sarcKATP在藥理學上有許多相似點[5-6]，如在SD大鼠的心肌缺血再灌注模型的制備中兩者都被尼可地爾(nicorandil)和吡那地爾(pinacidil)開放，而被格列本脲抑制。這也再次說明了其分子結構可能與sarcKATP大部分相似。Kir6.1和 Kir6.2為KATP具有代表性的兩個亞基，分別為含424個和390個氨基酸的多肽，都包括兩個疏水的跨膜區段和H5區組成，其胞內羧基末端都有蛋白激酶A(PKA)依賴的磷酸化位點和蛋白激酶C(PKC)依賴的磷酸化位點[7]。組成KATP通道的ATP結合蛋白包括磺酰脲受體(sulfony lureareceptor ，SUR)和纖維囊性跨膜調節蛋白(CFTR)，SUR又分為SUR1、SUR2A和SUR2B 3個亞基。

2.2分子生物學功能mitoKATP通道的開放主要受細胞內ATP與ADP濃度比值的影響，在Kir的各個亞基上均有 ATP的結合位點，ATP與其位點結合就會產生強烈的抑制mitoKATP通道的作用。mitoKATP主要產生兩方面的生物學作用：一是調整線粒體內鉀離子的濃度，以維持線粒體容積的穩定，引起線粒體能量代謝相關酶的表達，對細胞具有保護作用[8]；另一方面是參與氧化與磷酸化過程時，在線粒體中此通道的鉀離子攝取可以部分彌補因質子泵轉運H+引起的電荷變化。從而維持一定的跨膜電位[9]。有研究表明，很多代謝因素和藥物的調控也會影響到mitoKATP的開放和關閉。Nicorandil、 pinacidil是非選擇性KATP通道開放劑，可以同時使sarcKATP和mitoKATP通道開放，diazoxide(二氮嗪)是特異性mitoKATP通道開放劑。ATP與ADP是mitoKATP的一對競爭性抑制劑，但只有在Mg2+存在時，ATP對通道才發揮抑制作用，ATP和Mg2+單獨存在時均不影響通道活性。也有文獻報道，鳥苷酸可以扭轉ATP和ADP對通道的抑制作用。在ATP存在時GTP和GDP可以抑制通道對ATP的高親和力而激活通道，從而成為mitoKATP的生理開放劑。mitoKATP活性不僅可以被ATP抑制，磺脲類藥物(SUR)和5-羥基葵酸鹽(5-hydroxydecanoate，5-HD)也是該通道有效的阻滯劑[10-11]。有實驗證實，選擇性mito KATP阻滯劑抑制了缺血損傷中的mitoKATP對心肌的保護作用[12]。然而也有實驗認為，不能完全排除sarcKATP對心肌的保護作用。

3線粒體ATP敏感性鉀通道的心肌保護作用機制

在正常情況下，線粒體ATP敏感性鉀通道處于關閉狀態；當組織缺血或缺氧時，ATP與ADP的比值發生變化而導致mitoKATP開放[13]。mitoKATP對心肌細胞具有明顯的保護作用，其保護途徑包括：氧化應激、鈣超載、細胞凋亡及MPTP開放等方面。

3.1調控氧化應激當心肌組織或細胞缺血、缺氧時，活性氧(ROS)的生成能力增強，清除功能下降；而恢復組織的供血和供氧時，ROS便大量生成，造成細胞急性或慢性損傷[14]。Carroll等[15]用離體人心房細胞第一次直接證明了mitoKATP被Diazoxide開放后誘導細胞產生自由基，其來源可能是線粒體。使用5-HD或自由基清除劑能夠阻斷這種作用。過量的ROS有可能通過一些間接的途徑抑制線粒體功能等激活凋亡信號通路，引起缺血性心肌損傷。Vanden Hoek等[16]證明，mitoKATP開放后作用是雙向的，在心肌缺血缺氧早期，mitoKATP開放，ROS生成增加，產生了保護作用；在再灌注和復氧期，mitoKATP開放，抑制ROS的大量生成，減輕再灌注損傷。

3.2減少線粒體鈣超載當心肌組織或細胞缺血或缺氧時會激活磷脂酶C，導致內質網的鈣離子釋放出來[17]，而細胞內的鈣離子濃度增高會引發磷酸化反應，也會導致氧自由基的增多而加快細胞的損傷。mitoKATP開放使線粒體內膜電位下降，抑制了Ca2+內流，從而有效緩解線粒體內鈣超載[18]。mitoKATP開放后部分鈣離子從線粒體轉入胞漿，線粒體內鈣的濃度降低，這可以阻止或延緩心肌的損傷[19]。

3.3降低心肌細胞凋亡研究發現，線粒體通透性轉換孔(MPTP)作為細胞凋亡的觸發點，在其開放時可以誘導細胞凋亡因子，從而觸發凋亡[20]。心肌缺血時，ROS生成增多，鈣超載，ATP匱乏與磷酸鹽積累過多可能導致MPTP的開放，因此抑制MPTP的通透性是保護心肌細胞缺氧缺血/再灌注損傷的重要策略[21]。而先前有研究發現，mitoKATP位于線粒體內膜上，是MPTP重要的內源性調節器。有研究證明，二氮嗪可使心肌的mitoKATP開放，對心肌細胞有保護作用，而使用MPTP的開放劑后，這種保護作用受到了抑制[22]。還有一些研究也同樣證明，mitoKATP和MPTP之間有密切的關系，這種機制可能是mitoKATP的開放抑制了MPTP的開放而保留了膜電位，從而達到保護心肌的作用[23]。

3.4平衡線粒體膜電位線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential，MMP)是由膜內外質子及其他離子濃度不對稱分布所形成的，是一種儲存于線粒體內膜的電化學勢能。用線粒體膜電位來衡量線粒體的功能已被廣泛應用[24]，mitoKATP的開放可抑制膜電位的下降使其保持平衡而降低細胞凋亡。原因可能是mitoKATP通道開放后，K+沿著電化學梯度進入線粒體，使線粒體基質內滲透壓增高而引起基質腫脹，從而使膜間隙結構得以保持， 防止外膜孔蛋白(porin)的通透性增高使腺嘌呤核苷酸進入[25]。mitoKATP通道開放引起基質腫脹還有利于能量代謝。mitoKATP開放時，K+進入線粒體導致基質腫脹使肌酸激酶和腺嘌呤核苷酸移位酶(adenine nucleotide translocase)在線粒體外膜的功能性耦聯更強，該耦聯使線粒體磷酸化肌酸而非ADP，而被磷酸化的肌酸有利于能量轉移到細胞漿， 通過減少線粒體ATP的消耗來減輕細胞能量代謝以降低細胞的凋亡或者壞死[26]。

4線粒體ATP敏感性鉀通道參與預處理和后處理心肌保護

4.1缺血預適應(IPC)這一概念在1986年由學者Murry[27]首次提出，其方法是對心肌進行反復短暫性的缺血預適應，來減輕后續較長時間缺血所導致的心肌損傷，以增強心臟對缺血的耐受性。有研究發現，在IPC的心肌保護中，mitoKATP可能是缺血預處理的共同終末途徑。缺血預處理減輕再灌注后細胞凋亡、心肌梗死面積和心律失常，以及其他心肌保護等作用都可能是通過激活mitoKATP實現的。Johansen等[28]報道，mitoKATP的阻斷劑5-HD能完全拮抗H2S預處理對離體大鼠心臟的保護作用，說明了激活mitoKATP能降低心肌梗死面積，在心肌缺血、缺氧時起保護作用。Landoni等[29]的研究認為mitoKATP在吸入麻醉藥預處理的心肌保護機制中也起重要作用。這種機制可能是mitoKATP開放后，線粒體膜電位短暫的去極化并且線粒體呼吸脫偶聯，從而產生少量的活性氧(ROS)；而ROS的產生同時促使開放了mitoKATP，形成正反饋，不斷地傳遞和放大預處理信號。

4.2缺血后適應(IPO)主要作用于再灌注早期，是在心臟開始再灌注之前的幾分鐘內，進行一次或多次的短周期的再灌/停灌處理。經典的缺血后處理與預處理有著相似的心肌保護效果。研究發現，缺血后處理與mitoKATP的活化機制密切相關。有實驗表明[30]七氟醚后處理的缺血再灌注過程中可以通過激活mitoKATP通道有效地保護缺血再灌注心肌的損傷。而使用其阻斷劑時卻明顯的抑制了其對心肌的保護作用。

4.3藥物預處理與后處理隨著對缺血預處理機制認識的不斷加深，藥物預處理將也成了一種趨勢，它不僅可以擴大使用范圍，節約處理時間，更適于臨床應用。用藥物預處理可以達到缺血預處理保護心肌的作用，目前研究發現，很多藥物預處理的保護機制與促進mitoKATP開放有關，例如使用冠心康[31]、硫化氫[32]、右美托咪定[32]等藥物預處理時，均對心肌具有保護作用。此外，一些中藥預處理也有此類作用，例如，葛根素預處理可以通過開放mitoKATP明顯減輕大鼠的心肌缺血再灌注損傷，而利用其阻斷劑5-HD可減弱其保護作用[34]；刺五加苷[35]可以通過開放PIP信號轉導途徑中的效應子mitoKATP增強左心室的收縮功能，增加冠脈流量，抗缺血再灌注心律失常，對心肌也產生一定的保護作用。同時，也有實驗表明，用阿托伐他汀對mitoKATP的藥物后處理也具有良好的心肌保護作用，也能夠減輕缺血再灌注損傷[36]。通過用藥物激發或模擬機體自身內源性抗損傷物質，模擬缺血預適應與后適應，發揮用藥物代替缺血保護作用，開辟了心臟保護的一個新領域，這對于開發新藥或老藥新用很有價值。

5總結與展望

心血管疾病的病理機制十分復雜，大多數類型的心肌損傷性疾病都有多個病理環節參與，是多信號傳導通路和多靶點參與的過程，而mitoKATP通道特殊的生理功能和結構特點，已經成為心血管領域近年來研究的熱點。因此，深入研究心血管系統的mitoKATP通道的功能特性，對于心肌細胞的存活具有重要意義，同時開發出對人類安全有效的mitoKATP通道開放劑，有望成為治療心血管疾病的理想藥物。

參考文獻：

[1]Feigin VL.Stroke epidemiology in the developing world[J].Lancet， 2005， 365(9478)：2160-2161.

[2]Inoue I， Nagase H， Kishi K， et al.ATP-sensitive K+channel in the mitochondrial inner membrane[J].Nature，1991，352(6332)：244-247.

[3]龍明， 黃根牙， 唐利龍.ATP 敏感性鉀通道在心血管疾病中的作用[J].新醫學， 2011(12)：821-824.

[4]Frances M.Ashcroft .ATP-sensitive potassium channelopathies：focus on insulin secretion[J].J Clin Invest， 2005， 115 (8)：2047-2058.

[5]Niwano SL， Hirasawa S， Niwano H.Cardioprotective effects of sarcolemmal and mitochondrial K-ATP channel openers in an experimental model of autoimmune myocarditis.Role of the reduction in calcium overload during acute heart failure[J].int Heart J 2012，53(2)：139-145.

[6]Yu T ，Fu XY， Liu XK，et al.Protective effects of pinacidil hyperpolarizing cardioplegia on myocardial ischemia reperfusion injury by mitochondrial KATPchannels[J].Chin Med J，2011， 124(24)：4205-4210.

[7]張登文，張傳漢，王學仁.心血管系統ATP敏感性鉀離子通道的結構和功能[J].華中科技大學學報，2014，43(4)：482-485.

[8]黃益民，張穎，辛毅，等.mitoKATP通道經FOX01-PGC1α通路調節后負荷過載小鼠心肌線粒體的代謝功能[J].中國病理生理雜志，2010，26(7)：1306-1310.

[9]Zhao Z， Cui Wei Zhang H， et al.Pre-treatment of a single high-dose of atorvastatin provided cardioprotection in different ischaemia/reperfusion modelsvia activating mitochondrial KATPchannel[J].Eur J Pharmacol，2015， 751：89-98.

[10]Yasar S，Bozdoqan O，kaya ST，et al.The effects of ATP-dependent potassium channel opener；pinacidil， and blocker；glibenclamide， on the ischemia induced arrhythmia in partial and complete ligation of coronary artery in rats[J].Iran J Basic Med Sci，2015，18(2)：183-193.

[11]Wang C，Hu SM，Xie H，et al.Role of mitochondrial ATP-sensitive potassium channel-mediated PKC-ε in delayed protection against myocardial ischemia/reperfusion injury in isolated hearts of sevoflurane-preconditioned rats[J].Braz J Med Biol Res， 2015，27：0[Epub ahead of print].

[12]Matejikova J， Kucharská J， Pintérová M， et al.Protection against ischemia-induced ventricular arrhythmias and myocardial dysfunction conferred by preconditioning in the rat heart：involvement of mitochondrial KATPchannels and reactive oxygen species[J].Physiological Research， 2009， 58(1)：9-19.

[13]吳永奇， 馬超， 程卯生.ATP 敏感性鉀通道在缺血性腦血管疾病中的作用[J].沈陽藥科大學學報， 2015， 1：016.

[14]Ruiz-Ginés JA， López-Ongil S， González-Rubio M， et al.Reactive oxygen species induce proliferation of bovine aortic endothelial cells[J].J Cardiovasc Pharmacol， 2000，35(1)：109-113.

[15]Carroll R，VGant VA，Yellon DM.Mitochondrial K(ATP) channel opening protects a human atrial-derived cell line by a mechanism involving free radical generation[J].Cardiovasc Res， 2001， 51(4)：691-700.

[16]Vanden Hoek TL，Becker LB，Shao Z， et al.Reactive oxygen species released from mitochondrial during brief hypoxia induce preconditioning in cardiomyocytes[J].J Biol Chem，1998，273(29)：18092-8098.

[17]王梅， 王友群.缺血引發的腦損傷發病學機理[J].中國實用醫藥， 2008， 3(25)：183-186.

[18]Costa AD， Garlid KD.Intramitochondrial signaling：interactions among mitoKATP， PKCepsilon，ROS， and MPT[J].Am J of Physio Heart Circ Physio，2008，295(2)：H874-882.

[19]Ngoh GA，Watson LJ， Facundo， HT， et al.Augmented O-GlcNAc signaling attenuates oxidative stress and calcium overload in cardiomyocytes[J].Amino Acids，2011，40(3)：895-911.

[20]Sun GQ， Wang J， Li Q， et al.Mitochondrial pores modulate theprotective effect of acetylcholine on ventricular myocytes during ischemia/reperfusion injury[J].Methods Find.Exp Clin Pharmacol，2010， 32(2)：107-112.

[21]程訓民， 江時森.心血管病新的治療靶點——線粒體通透轉運孔開放[J].醫學研究生學報， 2011， 24(10)：103-107.

[22]Hausenloy DJ， Maddock HL， Baxter GF， et al.Inhibiting mitochondrial permeability transition pore opening：a new paradigm for myocardial preconditioning[J].Cardiovasc Res，2002， 55(3)：534-543.

[23]Piriou V， Chiari P， Gateau-Roesch O， et al.Desfurane-induced precondi-tioning alters calcium-induced mitochondrial permeability transition[J].Anesthesiology， 2004， 100(3)：581-588.

[24]Zhao Z， Cui W， Zhang H， et al.Pre-treatment of a single high-dose of atorvastatin provided cardioprotection in different ischaemia/reperfusion models via activating mitochondrial KATPchannel[J].Eur J pharmacol， 2015， 751：89-98.

[25]Kowaltowski AJ，Seetharaman S， Paucek P，et al.Bioener-ge tic consequences o f opening the ATP-sensitive K+channel of heart mitochondria[J] .Am J Physiol， 2001，280 (2)：H649-657.

[26]Ming JE，Elkan M， Tang K，et al.Type I bone morphogenetic protein receptors are expressed on cerebellar granular neurons and a constitutively active form of the type IA receptor induces ce rebellar abnormalities [J].Neuroscience，2002， 8114(4)：849-857 .

[27]Murry CE， Jennings RB， Reimer KA.Preconditioning with ischemia：a delay of lethal cell injury in ischemic myocardium[J].Circulation， 1986， 74(5)：1124-1136.

[28]Johansen D，Ytrehus K，Baxter GF.Exogenous hydrogen sulfide(H2S)protects against regional myocardial ischemia-reperfusion injury-Evidence for a role of KATPchannels[J].Basic Res Cardiol，2006，101(1)：53-60.

[29]Landoni G， Fochi O， Torri G.Cardiac protection by volatile anaesthetics：a review[J].Curr Vasc Pharmacol， 2008，6(2)：108-111.

[30]Yu Lina，Yu Jing，Zhang Fengjiang，et al.Sevoflurane postconditioning reduces myocardial reperfusion injury in rat isolated hearts via activation of PI3K/Akt signaling and modulation of Bcl-2 family proteins[J].Journal of Zhejiang University Science，2010，11(9) ：661-672.

[31]張娜， 陳富榮， 章怡祎，等.冠心康對大鼠缺血心肌細胞ATP敏感鉀通道的影響[J].中國中西醫結合雜志， 2010， 30(11)：1186-1189.

[32]李雙鳳， 冉珂， 王亞平，等.硫化氫延遲預處理對大鼠心肌缺血再灌注損傷后細胞的保護作用[J].鄭州大學學報：醫學版， 2011， 46(4)：526-528.

[33]姜翠翠， 夏滿莉， 王敏，等.右美托咪定預處理減輕離體大鼠心臟缺血/再灌注損傷的線粒體相關機制[J].浙江大學學報：醫學版， 2013， 42(3)：326-330.

[34]高翔， 高全， 李濤，等.葛根素預處理保護心肌缺血再灌注損傷的機制[J].貴陽醫學院學報， 2007， 32(1)：37-41.

[35]Zhou Yi， Tang Qizhu，Shi Xiteng，et al.Improvement of donor heart storage by acanthopanax senticosus saponins pretreatment[J].Journal Chinese Microcirculation，2005，9(1)：30-33.

[36]劉春偉，叢洪良，于雪芳.PI3K-Akt、mito-KATP通道及mPTP 在阿托伐他汀后處理減大鼠心肌缺血再灌注損傷中的作用[J].天津醫藥，2015，43(1)：49-53.

(本文編輯王雅潔)

(收稿日期：2015-09-18)

中圖分類號：R54R256

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1672-1349.2016.07.012

文章編號：1672-1349(2016)07-0707-04

通訊作者：包怡敏，E-mail：yiminbao@163.com

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(No.81303256，81202945)