鈣激活鉀通道與心力衰竭關系的研究進展

干鵬程，毛威

（浙江中醫藥大學，浙江 杭州 310053）

心力衰竭是各種心臟疾病發展的終末階段，發病率高，是目前世界上最重要的心血管疾病之一[1]。心力衰竭中心臟收縮或舒張功能障礙可引起機體組織灌注不足及靜脈系統淤血，其病理生理改變主要是心室重構，表現為心肌細胞肥大、凋亡及心肌間質纖維化等。雖然對心力衰竭的發病機制和治療研究已取得一定進展，但其預后依然不佳。近年來，鉀離子通道的研究得到很多關注。鉀離子通道可分為延遲整流鉀通道、瞬時鉀通道、鈣激活鉀通道、內向整流鉀通道及ATP敏感性鉀通道等。鈣激活鉀通道相對于其他幾種鉀通道對心血管疾病尤其對心力衰竭被越來越廣范地認識。目前的研究表明，心力衰竭的發生和發展與鈣激活鉀通道改變密切相關，鈣激活鉀通道表達異常，可通過各種機制加重心室重構從而導致心力衰竭。鈣激活鉀通道是一種受細胞膜去極化和細胞內鈣離子增高而活化的離子通道，按其電導特性可分為大電導鈣激活鉀通道 （Large conductance Ca2+-activated K+channel，BKCa）、中電導鈣激活鉀通道 （Intermediate conductance Ca2+-activated K+channel，IKCa）、小電導鈣激活鉀通道 （Small conductance Ca2+-activated K+channel，SKCa）。本文將分別闡述三種鈣激活鉀通道的基本結構以及對心力衰竭的影響。

1 三種鈣激活鉀通道的基本結構以及對心力衰竭的影響

1.1 大電導鈣激活鉀通道與心力衰竭

1.1.1 BKCa的基本結構和特點 BKCa是1981年

在牛嗜鉻細胞中首次發現的，BKCa又稱“KCa1.1”，是由α亞單位和β亞單位組成的四聚體結構。α亞基是一個7次跨膜蛋白，N端在細胞外，C端在細胞內，由KCNMA1基因編碼。α亞基的跨膜蛋白有7個跨膜區域（S0～S6），以及位于細胞內與羧基端相連的 4個疏水性片段（S7～S10）。S1～S4形成電壓感受區，S5～S6形成孔道，S7～S10組成了鈣離子敏感區域，能夠調節通道的鈣離子依從性。β亞基（KCNMB1-4）有4個不同的基因編碼，每個β亞基形成BKCa通道不同的門控特性。BKCa主要特點為對K+離子的導電作用強，對Ca2+敏感性高，電壓依賴性強[2]。BKCa表達于多種細胞類型，如神經元、血管和子宮肌層平滑肌和分泌細胞。在正常生理狀態下，BKCa對人體大部分細胞都能起重要的調節作用，表現出明顯的生物物理、藥理和功能特征。相關研究表明，BKCa在心血管系統中發揮著積極的調節作用[3]。

1.1.2 BKCa對心力衰竭的影響 Wang等[4]分別在慢性心力衰竭組及非心力衰竭組大鼠的下丘腦室旁核慢性灌注BKCa抑制劑IBTX，發現兩組大鼠交感驅動指標明顯升高，心力衰竭組的大鼠的交感驅動指標均高于非心力衰竭組。通過熒光定量聚合酶鏈反應（RT-PCR）檢測大鼠下丘腦室旁核BKCa基因的表達量，發現心力衰竭組大鼠下丘腦室旁核內BKCa表達量明顯低于非心力衰竭組。此外，敲減BKCa基因KCNMB4的大鼠交感指標比未敲減的大鼠更高，提示BKCa表達下調可以引起交感神經激活，且心力衰竭可導致大鼠下丘腦室旁核BKCa表達的下調和功能鈍化，通過增強交感神經興奮性，進一步激活RAAS系統加重心力衰竭。He等[5]通過體外培養人心肌成纖維細胞，發現使用特定的阻滯劑抑制BKCa后，心肌成纖維細胞在不同細胞周期中數量發生變化，在G0/G1期增多，S期細胞數量減少，并且伴隨著cyclin D1和cyclin E表達的降低，提示BKCa可通過調節cyclin D1和cyclin E的表達促進心肌成纖維細胞周期進展，參與了心肌成纖維細胞增殖的調控，而心臟成纖維細胞的增殖和膠原合成是心臟纖維化的主要病理基礎，并可進一步導致心室重構引起心力衰竭。此外，BKCa介導的心肌保護作用能夠防止心衰的發展。已有多項實驗表明，BKCa的開放可以減少心肌細胞的缺血再灌注損傷[3]。在心肌缺血再灌注時，BKCa可通過抑制線粒體內鈣離子超載[6]、減少心肌細胞線粒體缺氧后活性氧的增加[7]以及增加線粒體的呼吸作用[8]等方式來減少線粒體膜通透性轉換孔（mPTP）的開放，從而減少大量凋亡因子的釋放，抑制心肌細胞凋亡或壞死[9]。BKCa除了通過線粒體機制保護心肌外，還可通過增加冠脈血流及較少心肌梗死面積等非線粒體活性氧調節機制介導心肌保護作用[10]。既往研究報道，BKCa的激活可減少血管平滑肌細胞電壓依賴的鈣離子通道的活性和鈣離子內流，從而降低血管收縮。有多種途徑例如血管緊張素Ⅱ（AngII）刺激血管緊張素受體2（AT2），多巴胺刺激多巴胺受體1（DAl）以及緩激肽的作用均可激活血管平滑肌細胞膜上的BKCa，使血管平滑肌肌細胞膜復極化增強，從而促進血管擴張[11]，并且還發現，通過激活BKCa也能使血栓素等一些特殊信號誘導的血管收縮作用減弱[12]。目前已有多項研究表明，BKCa的通道激活可以擴張冠狀動脈，增加對心肌的血流灌注，減輕心肌梗死后的心臟癥狀[13-15]。

1.2 中電導鈣激活鉀通道與心力衰竭

1.2.1 IKCa的基本結構和特點 IKCa又稱“KCa3.1”或“SK4”，其編碼基因KCNN4是在1997年首次從人胰腺組織中克隆出來[16]。IKCa由4個α亞基和6個跨膜片段（S1～S6）組成，其N端和C端均位于胞內，IKCa對胞內Ca2+高度敏感，C端連著鈣調蛋白，是該通道對鈣敏感性調節的重要結構。IKCa廣泛表達于哺乳動物的各個器官組織，由細胞內Ca2+激活，使K+外流，從而調節細胞內鈣信號和細胞膜電位，參與細胞周期的調節以及細胞的增殖、遷移等[17]。

1.2.2 IKCa對心力衰竭的影響 眾所周知，AngII對心力衰竭的發生發展有著不可小覷的作用。AngII可刺激多種細胞因子及炎癥因子，通過激活多種細胞信號通路、誘導細胞活性氧增多等方式引起心肌細胞肥大、纖維化以及凋亡，從而發生心力衰竭。Zhao等[18]發現，使用IKCa阻滯劑TRAM-34可以緩解壓力過載大鼠炎癥改變引起的心肌纖維化，并且TRAM-34對炎癥細胞因子的作用不僅與AngII水平降低的繼發效應有關，還與直接抑制炎癥細胞有關，提示IKCa在AngII通過炎癥改變引起心肌纖維化的過程中有重要作用。另有證據表明，AngII結合血管緊張素受體 （AT1R）時，通過ERK1/2、p38-MAPK和PI3K/Akt信號通路激活AP-1復合體，從而上調IKCa，促使大鼠心肌成纖維細胞增殖。王麗萍等[19]通過實驗說明氧化應激可能通過誘導IKCa的表達從而影響心肌纖維化。在原代培養雄性AGT-REN雙轉基因高血壓小鼠的心肌成纖維細胞上試驗，發現隨著小鼠年齡的增長，心肌成纖維細胞活性氧（ROS）逐漸增多，而在使用ROS清除劑N-乙酰半胱氨酸 （NAC）后，小鼠心肌成纖維細胞上PI3K/Akt信號通路磷酸化水平、IKCa通道蛋白表達及膠原合成均明顯降低。如前所述，PI3K/Akt等信號轉導通路的激活可以誘導IKCa通道蛋白活性及表達上調，從而推測IKCa表達增強在AngⅡ誘導的ROS增多引起的心肌纖維化過程中也有重要的作用。另外，Ju等[20]通過測試IKCa在新生小鼠AngII刺激心肌成纖維細胞中的作用中發現，IKCa的阻斷可通過AKT、ERK1/2信號通路抑制心肌梗死后成纖維細胞增殖、分化和原纖維基因的表達，從而減輕心室重構，減緩心衰的進一步發展。

1.3 小電導鈣激活鉀通道與心力衰竭

1.3.1 SKCa的基本結構和特點 1986年Blatz和Megleby等[21]在體外培養的大鼠骨骼肌中發現無神經支配的骨骼肌的后超極化點位是由電導較小的鈣激活鉀通道介導，并將這種通道命名為小電導鈣激活鉀通道 （SKCa），SK通道由3個基因編碼，分別為 SK1、SK2、SK3（KCNNl、KCNN2、KCNN3）。 其基因產物在腦組織、周圍神經系統、平滑肌、骨骼肌、心肌細胞均有表達。SKCa主要由4個α亞基和與之相連的4個鈣調蛋白（CaM）亞基組成的四聚體結構構成。SKCa結構上的S4區僅有2個正電荷氨基酸殘基，因此導致其對膜電位的變化相對不敏感。已有多項證據表明，SKCa通道的異常與房顫、室顫等心律失常有一定關系[22]，而近期的研究表明，SKCa與心力衰竭也存在相關性。

1.3.2 SKCa對心力衰竭的影響 SKCa表達下降時可以參與心力衰竭的形成，有研究發現，心力衰竭時大鼠的下丘腦神經分泌細胞（MNCs）興奮性增加與SKCa通道的表達減少有關。SKCa表達障礙使下丘腦神經分泌細胞膜的后極化作用減弱，從而增加其興奮性，并能釋放大量血管升壓素，進一步導致神經體液調節失衡，對心力衰竭的發生發展起到了一定作用[23]。李曉燕等[24]的實驗發現，心衰大鼠中SK2明顯減少；并且通過在大鼠下丘腦室旁核注射SK2腺病毒使SKCa過表達處理后，大鼠的腎交感神經興奮性出現明顯降低，推測下丘腦室旁核SK通道蛋白在心衰狀態下表達降低可使SK2通道介導的中樞負性交感調節通路降低，從而增加了腎交感神經的興奮性，激活腎素血管緊張素系統影響心衰的進展。另有研究表明，SKCa能通過改變心肌線粒體的能量代謝起到保護損傷心肌的作用，通過使用SKCa通道激活劑改善心肌缺血再灌注時的細胞代謝及功能，啟動心臟藥物預處理作用，從而降低細胞氧化還原狀態，減少氧自由基的產生，減少心肌損傷，降低心力衰竭的發生[25]。

2 心力衰竭對鈣激活鉀通道的影響

鈣激活鉀通道表達的異常可影響心力衰竭的發生和發展，反之，心力衰竭同樣可以作用于鈣激活鉀通道引起其結構的改變或表達異常。Wan等[26]發現，收縮性心力衰竭的小鼠腸系膜動脈血管收縮性會發生改變，推測其可能為在心衰時腸系膜血管平滑肌細胞膜上的BKCa通道上的α及β1亞單位表達減少導致；Idres等[27]發現，心力衰竭時大鼠冠狀動脈上的BKCa對3型和4型磷酸二酯酶（PDE3，PDE4）抑制作用出現降低，從而使冠狀動脈的舒張能力減弱。但心力衰竭引起BKCa表達變化的具體機制尚不完全明確。此外，心力衰竭時心室肌細胞膜上的SK2表達增加，推測其機制可能為心衰時Jnctophilin 2（JP2）表達減少，導致細胞膜鈣通道與肌質網鈣釋放通道“脫耦聯”，使細胞內Ca2+濃度改變引起鈣調蛋白、蛋白激酶或蛋白磷酸化酶的改變，而這些物質均可以調節SK2通道的功能和表達，從而引起心肌SK2通道表達量的變化[28]。Yang等[29]在構建大鼠的容量負荷性心衰模型中發現，大鼠心肌的蛋白磷酸酯酶2A（PP2A）與酪蛋白激酶2（CK2）的失衡可以影響SK2通道的功能。

BKCa的電導特性最強，可由鈣離子和膜電壓激活，IKCa和SKCa的激活和失活主要是鈣離子結合或釋放的結果[22]。三種鈣激活鉀通在結構、功能及作用機制均有所不同，對心力衰竭的發生發展均具有不可忽略的作用，然而其機制復雜，涉及的內容廣泛，還有很多問題有待探討。例如，腎素血管緊張素醛固酮系統（RAAS）對心衰的發展有明確的意義，而RAAS同樣對BKCa具有調節作用。RAAS激活時，腎素能夠上調BKCa的表達，而AngII與AT1R結合后對BKCa反而有抑制作用，此外，醛固酮不僅能作用于腎臟上皮鈉離子通道及鈉鉀離子泵，還能調控BKCa在內的多種鉀離子通道[30]。那么，RAAS在引起心力衰竭的過程中，BKCa的變化是否起到了作用也有待進一步探討。Thompson等[31]發現，在唾液腺腺泡細胞中的IKCa的激活可以通過阻斷細胞質孔的方式抑制BKCa，而在心力衰竭的發展過程中，三種鈣激活鉀通道是否會相互協同或抑制進而影響心衰進程，目前未見報道。

有關鈣激活鉀通道的藥物目前已有許多研究成果，例如，川芎嗪[32]能直接激活豬的冠狀動脈平滑肌BKCa通道，從而擴張冠狀動脈；John等[33]發現，SKCa的一種激活劑SKA-31可降低阻力血管的肌張力，起到抗高血壓和改善動脈粥樣硬化等重要作用。但是基于目前的研究，與心力衰竭明確相關的鈣激活鉀通道的靶點藥物仍未見報道。

3 展望

隨著醫學技術的不斷發展和對離子通道的深入研究，越來越多的疾病與離子通道的相關性被逐漸證實。鈣激活鉀通道在心血管方面的研究已經取得部分進展，而與心力衰竭相關的研究目前仍比較少。鈣激活鉀通道對心力衰竭的影響，心力衰竭時鈣激活鉀通道的具體變化和相關反饋調節機制還有待進一步研究。期待鈣激活鉀通道的研究能夠進一步闡述心力衰竭的發生和發展機制，并以此為靶點研發出治療心力衰竭的新型藥物。