肺動脈高壓與肺動脈平滑肌細胞鉀通道

朱飛宇 綜述 王洪巨 審校

1 肺動脈高壓

肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension，PAH)指孤立性肺動脈壓力升高，而左心房與肺靜脈壓力正常，主要由肺小動脈本身病變導致肺血管阻力增加，且不合并慢性呼吸系統疾病、慢性血栓栓塞性疾病及其他未知因素導致的肺高血壓。PAH的血流動力學診斷標準為右心導管測量mPAP≥25 mmHg，同時肺小動脈楔壓(pulmonary arterial wedge pre-ssure，PAWP)≤15 mmHg及肺血管阻力>3 Wood單位[1]。PAH是一組復雜且致殘率極高的疾病，其特征是肺血管過度增殖重塑，導致肺血管阻力增加，右心室后負荷過重，最終導致心力衰竭和死亡[2]。目前的診斷工具，如右心導管術和超聲心動圖，不能確切識別早期PAH患者，癥狀和體征無特異性，導致早期診斷和及時治療十分困難。

2 肺動脈平滑肌細胞上的鉀通道

雖然PAH的發病機制被認為是一個復雜和多因素的過程，但大量證據表明肺動脈平滑肌細胞(pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs)鉀通道功能障礙是PAH的標志之一，即PASMCs鉀離子通道的表達和活性對PAH的建立和發展有著顯著影響[3-4]。鉀離子通道是細胞膜上的離子通道，鉀離子具有選擇滲透性，它們在靜息膜電位的形成、細胞興奮性、細胞電反應、動作電位的形成和持續、突觸傳遞、細胞分裂、細胞分化等多種機體調節和細胞功能控制過程中發揮重要作用。存在于血管平滑肌細胞中的鉀離子通道大致可分為4類，分別為① 電壓敏感性鉀通道(KV)；② 內向整流鉀通道(Kir)；③ 鈣激活鉀通道(KCa)；④ 雙孔域鉀通道(K2p)[5-6]。

2.1 電壓敏感性鉀通道

KV通道是一種具有重要生理功能的膜蛋白，主要由兩個功能蛋白結構域組成，即控制鉀離子滲透性的孔結構域和負責感應電壓與構象變化的電壓傳感域[7]。PASMCs中4-氨基吡啶敏感的KV通道在調節靜息膜電位和鈣離子內流，以及觸發低氧介導的膜去極化和肺血管收縮中發揮重要作用。Mittal等[8]的研究發現持續缺氧引發NADPH氧化酶4的直接作用，減小KV通道電流。另外，有研究證明腺苷酸活化蛋白激酶參與了缺氧引起的KV通道抑制[9]。KV通道家族的幾個成員包括KV1.2、KV1.5、KV2.1在PASMCs上均有表達。雖然調控KV通道的具體信號級聯尚不清楚，但已知血管平滑肌細胞中的KV通道被蛋白激酶C和蛋白激酶A緊密調控[10]。KV1.5(由KCNA5基因編碼)尤其受到關注，其優先表達于小阻力肺動脈而非導管肺動脈，在缺氧暴露后的PASMC中KV1.5的表達減少是人類和實驗性PAH的共同特征，提示該通道在多種肺動脈高壓的發病機制中發揮重要作用。KCNA5參與PASMs的凋亡控制，據報道，過表達KCNA5基因可誘導鉀離子加速外排，增加半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3水解活性，促進細胞凋亡。KV1.5活性增大或數量增加可以降低慢性缺氧大鼠的肺動脈壓力值，恢復肺缺氧血管收縮，這進一步增加了其在PAH中的意義。微小核糖核酸(miRNA)在細胞的分化、凋亡和增殖中發揮重要作用，有研究發現miRNA-1能夠誘導PASMCs肥大，降低KV通道的活性和表達，提示其通過調控KV通道在PAH中起病理生理作用[11]。另外，Huang等[12]的研究發現缺氧可誘導PASMCs增殖，其中KV2.1通道表達下調，表明KV2.1與PASMC增殖可能有重要關系。KCNQ基因編碼的離子通道屬于電壓依賴性鉀通道KV7家族，目前發現KCNQ1～KCNQ5五個成員。KCNQ通道似乎在肺動脈中優先表達，調節其活性的藥物對肺動脈張力有顯著影響[13]。Joshi等[14]的研究證明了KCNQ通道，尤其是KCNQ4在調控PASMCs的靜息膜電位方面起著關鍵作用。另外，KCNQ5的miRNA被證明是miRNA-190的靶點；同時，miR-190反義寡核苷酸可以部分逆轉miRNA-190對PASMCs的影響[15]。以上提示KCNQ通道可能是PAH的治療靶點。

2.2 內向整流鉀通道

根據不同的類型和位置，Kir在細胞中具有不同的生理功能，并被離子、磷脂、結合蛋白等各種介質調節。在體內，它們可以是同或異四聚體，Kir的獨特之處在于它們可以在超極化狀態傳導鉀離子，內向整流的發生是因為它們在去極化時被細胞內鎂離子和多胺所阻斷，而這些阻滯劑在超極化時被釋放，允許K離子流入細胞。Kir通道包括成孔區域和胞質區域，其中成孔區域負責離子傳導，胞質區域調節通道的門控。Kir通道的外向電流通常在去極化電位較高時減小，因此這些通道主要對靜息膜電位起作用[16]。ATP敏感鉀通道屬于Kir鉀通道超家族，于1978年首先由日本學者在哺乳動物心室肌細胞上發現[17]。KATP通道由Kir亞基(Kir6.1或Kir6.2)和磺酰脲類受體(SUR1、SUR2A和SUR2B)結合而組成。成孔亞基Kir6.2控制KATP通道閉合，調控亞基SUR以鎂離子依賴的方式激活通道開放[18]。不同的Kir6與不同的SUR結合形成了各種KATP通道，KATP通道在包括肺循環在內的心血管系統中廣泛表達，有助于PASMCs膜電位的維持；KATP通道的關閉可導致鈣離子濃度升高，使PASMCs的收縮和增殖增強[19]。KATP的主要功能為調節細胞的能量代謝、基因表達以及細胞凋亡，在正常的肺平滑肌細胞中KATP的作用較小，但對PAH中的肺平滑肌細胞有著重要意義。在正常生理狀況下，由于生理濃度ATP的存在，KATP通道基本關閉；而在缺血或缺氧等病理狀況下，KATP開放。Lu等[20]發現慢性缺氧的PASMCs線粒體ATP敏感性鉀通道調控低氧誘導因子(HIF)-miRNA-210-鐵硫蛋白整合素(ISCU)信號軸，形成正反饋回路，反復刺激PASMCs增殖和遷移。

2.3 鈣激活鉀通道

鉀通道受到電壓和鈣離子的雙重門控，有兩個功能獨特的區域，即一個保守的通道核心結構和一個特別長的與鈣離子結合的C端，由去極化激活，但還受到胞內鈣離子濃度的調控。最初，根據電導值的不同分為大電導(KCa1.1)、中間電導(KCa3.1)和小電導(KCa2.1-3) 鉀通道，后來發現的遺傳關系和鈣離子活化機制表明了這些通道屬于兩個定義明確的群體；其中一組只包括大電導KCa1.1通道，通過膜去極化和鈣離子濃度的協同作用控制開放；另一組包括中間電導KCa3.1和小電導KCa2.1-3通道，僅由胞質鈣離子濃度控制開放。在鈣依賴性鉀離子通道家族中，大電導KCa1.1通道是鉀離子流出量最大的通道[21]，KCa3.1通道控制一些基本的細胞過程，這些過程涉及調節一些對惡性腫瘤至關重要的高階生物學功能，包括遷移和入侵，由KCa3.1通道控制的最相關和最常見的基本細胞過程是鈣離子信號的調節和細胞體積的控制。Guo等[22]發現KCa3.1可能通過激活細胞外信號調節激酶(ERK)/p38 絲裂原激活的蛋白激酶信號通路參與PAH的發生發展，進而參與缺氧誘導的肺血管重構。在完全分化的主動脈平滑肌細胞(即具有收縮表型的細胞)中，大電導KCa電流占主導地位，而在未成熟細胞(即增殖表型細胞)中，電壓不敏感的中電導KCa電流占主導地位。在PHA中，PASMCs上鈣活化鉀通道由KCa1.1轉化為KCa3.1，促進平滑肌細胞遷移和增殖，抑制細胞凋亡[23]。

2.4 雙孔域鉀通道

根據序列相似性和功能，將雙孔鉀離子通道細分為6個亞類：TWIK、TREK、TASK、TALK、THIK和TRESK。因為K2P通道是在負膜電位時打開，它們與鉀離子穩定負靜息膜電位和平衡去極化背景的建立密切相關。KCNK3編碼的鉀通道相關的酸敏感鉀通道1(TWIK-related acid sensitive K channel，TASK-1)屬于雙孔域鉀通道家族，該基因亞家族在包括平滑肌細胞在內的可興奮細胞的生理靜息膜電位上具有組成活性，尤其與人類肺循環有關。TASK-1通道對一系列影響其活性的生理和藥理學介質敏感，如不飽和脂肪酸、細胞外pH值、缺氧、麻醉和細胞內信號通路[24]。Antigny等[25]發現在人類PAH和野百合堿誘導的大鼠PAH中，肺動脈平滑肌和內皮細胞的KCNK3的表達和功能降低。有研究證明了Src家族酪氨酸激酶(SrcTK)在TASK-1等鉀通道的調控中發揮著重要作用，它設置了人類PASMCs的負靜息膜電位，低氧誘導的對TASK-1電流的抑制和細胞內鈣離子的升高依賴于SrcTK，提示了SrcTK和TASK-1通道的生理相關性[26]。此外，內皮素(ET)-1通過與PASMCs中特定的G蛋白偶聯受體相互作用，引起的血管收縮和血管重構，對PAH的病理生理發展起重要作用[27]。Seyler等[28]證明了ET-1通過激活內皮素受體A和內皮素受體B調控血管TASK-1電流。Rho激酶信號通路介導了這種效應，在TASK-1通道C端的位點磷酸化上起著重要作用。Kiper等[29]利用雙微電極電壓鉗制法在非洲爪蟾卵母細胞中測試了KVI.5通道阻滯劑與不同化學結構TASK-1的親和力，分析發現所有KV1.5通道阻滯劑對TASK-1的親和力都比KV1.5更高，可優先阻滯TASK-1通道；這些受體阻滯劑對TASK-1通道有高親和力，提示TASK-1通道或許是KV1.5通道阻滯劑未被識別的分子靶點。有研究發現多不飽和脂肪酸活化的K2p2.1和K2p6.1在小鼠肺組織中表達，功能正常的K2p樣通道有助于內皮超極化和肺動脈舒張。K2p6.1基因表達的增加可能是一種新的有關PAH的調控機制，提示K2p2.1和K2p6.1可能是PHA的一種新的治療靶點[30]。此外，KCNK3基因的突變在遺傳性PAH中有重要意義[31]，KCNK3基因突變是PAH中發現的第一個通道病變，它所引起的PAH是一種常染色體不完全外顯疾病[32]。

3 鉀通道對肺動脈平滑肌細胞增殖的影響

維持PASMCs凋亡和增殖之間的平衡是正常組織穩態所必需的，當這個平衡被破壞，可能導致PAH等疾病。研究表明，肺動脈平滑肌抵抗凋亡的特點是PASMCs線粒體超極化(部分是由于丙酮酸脫氫酶活性降低)，線粒體活性氧(mROS)降低，KV1.5下調(鈣離子濃度升高)，活化T細胞轉錄因子核因子(NFAT)活化[33]。鉀通道在調節PASMCs的數量方面扮演了重要角色，其參與PASMCs細胞的凋亡、存活和增殖。PAH患者的PASMCs表現出的許多細胞異常都與鉀通道有關，包括鉀通道電流減少，各種鉀通道的表達下調或表達被抑制。鉀通道是細胞內主要的陽離子通道，鉀電流是細胞體積的主要決定因素，凋亡體積減小(AVD)是程序性細胞死亡的早期標志和前提，特點是鉀離子和氯離子流出；鉀通道除了在AVD中的作用以外，還被認為在抑制半胱天冬酶活性和DNA片段化中起著重要作用[34]。在PASMCs中，激活鉀通道加速AVD和促進細胞凋亡；而抑制鉀通道則減緩AVD，抑制細胞凋亡。

4 展望

目前，PAH的治療都集中在針對血管收縮通路的藥物上。由于血管舒張劑治療的局限性，目前研究的重點是逆轉肺動脈壁結構重建。基于PAH生理病理機制的研究進展，實驗模型檢測了多種藥物的抗重構作用，其中肺動脈鉀離子通道表達和鉀離子電流的恢復是最常被探討的。PAH的發生發展是一個受多因素影響的過程，應從不同的治療角度進行探討。PASMCs中鉀離子通道活性降低，促進細胞增殖、抗凋亡和血管收縮，促進血管重構。盡管上述確切機制仍不清楚，但鉀通道在控制血管功能方面的重要性為未來的研究提供了希望。