心肌內向整流鉀電流的調控因素及相關心律失常

霍照美 田龍海 楊龍

(1.貴州醫科大學，貴州 貴陽 550025； 2.貴州省人民醫院心內科，貴州 貴陽 550002)

心肌細胞的電活動是心臟興奮性、自律性、傳導性和收縮性的基礎，由細胞的跨膜電位決定，包括靜息電位和動作電位的形成[1-2]。在心肌工作細胞中，靜息電位被稱為K+平衡電位，主要由K+外流形成細胞膜內帶負電、膜外帶正電的電位平衡[1]。參與K+外流的離子通道眾多，內向整流鉀通道(inward rectifier potassium channel，Kir通道)是其中重要的成員[1]。

Kir通道有7個亞家族(Kir1.x～7.x)，分布于多種組織和器官[3]。在心肌細胞膜上，主要存在三種Kir通道：經典Kir通道、ATP-敏感性鉀通道和乙酰膽堿敏感性鉀通道[3]。此三種Kir通道中，經典Kir通道屬于Kir2.x亞家族，在心肌中分布的主要為Kir2.1亞型，具有強大的內向整流特性，主導心肌細胞內向整流鉀電流(inward rectifier potassium current，IK1)[4]。

在心肌細胞靜息電位水平時Kir2.1通道處于開放狀態，K+外流；而當膜去極化時，Kir2.1通道的通透性降低，K+外流減少。Kir通道對K+的通透性因膜的去極化而降低的現象稱為內向整流特性[5]。IK1的內向整流特性在心肌工作細胞動作電位復極末期的作用至關重要，是影響動作電位時程(action potential duration，APD)的重要離子通道。IK1增大或減小，是短QT綜合征和Andersen-Tawil綜合征患者易出現惡性室性心律失常的主要原因[6-8]。了解Kir2.1通道的功能和調節因素，對于理解其相關心律失常的機制和針對性治療具有重要意義。

1 Kir通道的構成

Kir通道的構成皆是由四個互不相連的孔道構成蛋白亞基單體組成，Kir2.1通道的孔道構成蛋白即為Kir2.1亞基。每個亞基中有M1和M2兩個跨膜結構域，其α螺旋與P區連接構成通道的核心[9]；M1與M2之間的膜外連接鏈向通道孔內延伸，形成內孔環鏈，稱為H5環；α螺旋的構象變化通過影響H5環控制對K+的通透性[10]。G蛋白耦聯受體激活的Kir3.x通道和經典的Kir2.x通道之間的比較表明，M2 α螺旋構象改變有助于Kir通道開放[11]。

Kir通道的門控機制是由通道的細胞內結構域交替擴張和收縮變化決定。K+通過跨膜腔通道前有一個完整的水化膜，阻礙其通過腔隙；采用原子分子動力學方法模擬K+沿著跨膜腔與細胞質之間的途徑轉運，結果發現，完全水合的K+無法通過狹窄的Kir通道孔隙，每個K+在通過Kir通道時都會暫時失去其水化膜中的部分水分子[12]。通過Kir分子結構分析，帶負電荷的microRNA-1(microRNA家族成員，主要在心臟中表達，且特異性表達于心肌細胞，在心肌細胞的多種病理狀態下可通過轉錄調節多種離子通道表達和心肌電活動來參與心律失常的發生)可通過與Kir2.1通道細胞外帶正電的結構域結合，阻止離子通道構象變化，從而阻斷Kir2.1通道[13]。

2 IK1的調控

2.1 Mg2+和多胺對IK1的影響

早期研究[14]表明，Kir通道的內向整流是由于細胞內Mg2+和多胺與通道孔內結構相互作用的結果；Mg2+和多胺與Kir通道的跨膜結構域和細胞質結構域的殘基結合，阻止K+通過。多胺存在于細胞內，以電壓依賴性方式與Kir通道空隙可逆性結合，其對Kir通道的阻滯及解除過程緩慢，形成去極化過程中IK1外向電流隨時間而減少的現象；在超極化過程中，Mg2+對Kir通道的阻滯快速解除和多胺對Kir通道的阻滯緩慢解除，使IK1增大表現出時間依賴性[15]。Mg2+和多胺對Kir通道輸出的電流大小至關重要，改變Mg2+和多胺與Kir通道之間的親和力可顯著影響Kir通道活性[16]。Mg2+和多胺對Kir通道M2 α螺旋結構和通道的細胞質結構域殘基的親和力決定了IK1內向整流的程度。后來的研究[17]表明，內向整流特性可能是由于Mg2+電壓依賴性和多胺濃度依賴性的方式阻塞通道而形成。氟卡尼與Kir通道中半胱氨酸殘基結合從而減少多胺對通道的親和力，可增大IK1[15]。Kir2.1-M301K突變(位于Kir2.1基因301位點的蛋氨酸突變為賴氨酸)，不僅破壞細胞內多胺/Mg2+對離子通道亞基的作用[18]，也解除了microRNA-1對Kir通道的抑制作用，使IK1增大而出現短QT綜合征[19]和心房顫動(房顫)[18]。以上研究發現提示，對多胺結合位點調控的藥物可能成為治療Kir通道相關心律失常的方法。

2.2 Na+對IK1的影響

細胞外Na+和Ca2+濃度增加皆可減弱IK1的外向鉀電流，其機制可能為細胞膜的表面靜電效應[20]。快鈉通道電流(fast sodium channel current，INa)和IK1之間也有著密切的關聯。在心肌損傷的動物和細胞模型中，觀察到編碼快鈉通道的Nav1.5和 Kir2.1蛋白表達的同步下調，伴隨著INa和IK1的減小，二者共同接受肝源性成纖維細胞生長因子21的調控[21]。在Brugada綜合征SCN5A基因缺陷細胞模型研究中發現，在沒有明顯改變Kir2.1/2.2通道的情況下，內質網Nav1.5通道轉運功能缺陷能顯著減小IK1電流密度；并且，高爾基體Nav1.5突變致Na+轉運功能缺陷明顯影響Kir2.1/2.2通道功能，在內質網Nav1.5通道轉運功能缺陷的基礎上增加了對IK1的抑制作用，該研究結果提示Na+的轉運能增大IK1電流密度[22]。IK1增加同樣可增大INa，Kir2.1對Nav1.5密度的正向調節依賴于Kir2.1特殊的PDZ結構域(一種蛋白質中的肽結合區域，名稱來源于最早發現含有此結構的3個蛋白質：突觸后致密蛋白-95、果蠅腫瘤抑制因子和緊密連接蛋白)，而在Nav1.5通道的N末端內部存在一個類似PDZ綁定域的結構，在Nav1.5-Kir2.x相互作用中起著關鍵作用[23]。

2.3 Ca2+對IK1的影響

Ca2+對IK1的影響存在兩面性。如前文所述，細胞外Ca2+濃度增加可能通過細胞膜的表面靜電效應機制減小IK1，且K+外流減少[20]。在兔心力衰竭模型中，心肌細胞Ca2+/鈣調素依賴性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ)的激活可誘導Kir2.1 mRNA表達下調和IK1減小[24-25]。但另有研究[26]顯示，細胞內Ca2+濃度的升高可通過激活CaMKⅡ增大IK1，縮短APD；給予CaMKⅡ抑制劑干預可抑制該效應。雖然細胞內Ca2+的顯著增加可導致心律失常，但Ca2+誘導的IK1增大可使心室復極縮短和復極儲備能力增強，這可能是一種內源性負反饋，可減弱Ca2+增加的致心律失常作用[26-27]。

2.4 腎上腺素能受體激活對IK1的影響

長期的腎上腺素能受體激活可導致心臟重構，包括心臟結構、功能和心電學的重構，后者包括離子通道的重構。腎上腺素能活性增強可通過激活蛋白激酶A和蛋白激酶C而使IK1減小[28]。Koumi等[29]通過在豚鼠心室肌細胞中的研究表明，異丙腎上腺素通過激活腎上腺素能受體，使下游信號蛋白激酶A介導IK1通道磷酸化，從而使IK1減小。對KCNJ2基因突變雜合體小鼠的研究[30]發現，心室肌細胞腎上腺素能依賴的IK1在復極末期缺失，給予腎上腺素和異丙腎上腺素刺激，易誘發出動作電位3期早期后除極和多形性室性心動過速。

2.5 腎素-血管緊張素系統對IK1的影響

在TG1306/1R轉基因小鼠[該小鼠心肌組織中心臟特異性血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ，AngⅡ)含量顯著增加]的研究[31]中發現，心室肌Kir2.1和Kir2.2的mRNA表達下調，心室肌細胞IK1電流密度減小，心電圖表現出QT間期延長。大鼠心房肌細胞中，百日咳毒素可通過激活G蛋白受體，抑制AngⅡ對IK1的抑制作用[32]。也有研究得出不一致的結果，Alvin等[33]報道，在動靜脈分流導致的心臟容量負荷增加的大鼠動物模型中，AngⅡ可通過激活磷脂酰肌醇3激酶使心室肌細胞IK1增大。

2.6 磷脂酰肌醇4，5-雙磷酸對IK1的影響

磷脂酰肌醇4，5-雙磷酸(phosphatidylinositol 4，5-bisphosphate，PIP2)是Kir2.x通道的主要激動劑。PIP2通過促進Kir通道M2結構域發生構象變化而使通道開放，并能穩定已處于開放狀態的結構域[34]。硫化氫通過降低PIP2與通道結合的敏感性而抑制Kir2和Kir3通道功能[35]。在一些Kir通道基因突變的疾病(如Andersen綜合征和Bartter綜合征)中發現，Kir通道與PIP2相互作用減弱，IK1減小，導致細胞膜興奮性升高，對刺激的敏感性增加，發生室性心律失常的風險增大[36]。卡維地洛也可通過干擾PIP2與通道相互作用來抑制Kir2.3通道功能[37]。陰離子脂質可通過輔助作用促進PIP2與Kir通道結合位點之間結合更加緊密，使Kir通道的功能增強[34，38]。奎尼丁能干擾Kir2.x通道與PIP2的相互作用而影響通道的穩定性[39]。

2.7 Ryanodine受體和IK1

2型Ryanodine受體(type 2 ryanodine receptor，RyR2)是心肌細胞肌質網上的鈣釋放通道。心力衰竭時心肌細胞RyR2對Ca2+釋放的敏感性增加[40]。Myles等[41]在兔離體灌注心臟模型研究中發現，當RyR2敏感性增加并伴有IK1減小時，易誘發出局灶性室性期前收縮和室性心動過速；而僅有RyR2敏感性增加或IK1減小時，室性心律失常的誘發成功率明顯降低；因此認為，RyR2敏感性增加和IK1減小可能是通過二者協同作用促進局灶性室性心律失常的發生。

2.8 牽張刺激對IK1的影響

牽張刺激可致大鼠肥大心室肌細胞IK1電流密度增大，APD縮短[42]，與AngⅡ誘導的肥大心肌細胞IK1電流密度減小[31-32]作用相反。目前尚不清楚此兩種致肥大因子作用對IK1電流密度影響相反的機制。

2.9 糖原合成酶激酶3β對Kir2.1通道表達的調控

有研究[43]發現，在大鼠心肌梗死模型中，心室肌Kir2.1 mRNA和蛋白的表達下調，給予糖原合成酶激酶3β特異性抑制劑SB216763干預明顯上調心肌梗死時Kir2.1 mRNA和蛋白的表達；并且，SB216763可消除缺氧條件下H9c2細胞中Kir2.1 mRNA和蛋白表達的下調，說明糖原合成酶激酶3β具有調控Kir2.1通道表達的作用。但該研究未檢測IK1，不能反映Kir2.1通道功能的變化。

3 外源性因素對IK1的影響

3.1 氨茶堿對IK1的影響

氨茶堿是臨床常用的支氣管解痙藥物和治療緩慢心律失常藥物，治療期間存在致心律失常的風險。茶堿可增強心房自律性和傳導性，從而增加房顫和房性心動過速的發生。Ramalho等[44]研究發現，氨茶堿對IK1通道功能具有雙重效應，即同一濃度的氨茶堿對單個大鼠心室肌細胞IK1既有抑制作用也有激活作用，其機制尚不明確，推測可能是氨茶堿先直接作用于Kir2.x的同源四聚體亞基，繼之間接作用于Kir2.x的異源四聚體亞基而產生的不同效果。

3.2 乙醇對IK1的影響

乙醇對IK1的影響有濃度依賴性，給予大鼠右心室心肌細胞0.8 mmol/L乙醇刺激，IK1明顯減小；當乙醇濃度≥20 mmol/L時，IK1會明顯增大[45]。Bébarová等[46]在大鼠和豚鼠的心房肌細胞發現，乙醇(濃度8～20 mmol/L)對乙酰膽堿敏感性延遲整流鉀電流(IKAch)的影響也有雙重效應：即對于基礎IKAch較小的細胞，乙醇刺激能增大IKAch；而對于基礎IKAch較大的細胞，乙醇刺激則減小IKAch。

3.3 扎考比利對IK1的作用

扎考比利(zacopride)是一個選擇性的IK1激動劑，通過增強IK1可緩解缺血和缺氧誘導的大鼠心室肌細胞靜息電位去極化，從而可防治急性心肌缺血誘發的室性心律失常[47]。近期研究[48]發現，在大鼠心肌缺血再灌注模型中，扎考比利通過上調Kir2.1蛋白表達、增大IK1、維持靜息電位和縮短APD，能顯著減輕鈣超載和氧化應激引起的再灌注心律失常。

3.4 新型抗心律失常藥VU0468554

在小鼠心房肌細胞中，增強G蛋白門控Kir通道活性與室上性心律失常(包括房顫)的發病機制有關；VU0468554能有效地抑制心臟G蛋白門控Kir通道，可能對于房顫的治療有一定療效[49]。

4 IK1與心律失常

4.1 房顫

在國內一個房顫家系中發現，Kir2.1通道的編碼基因KCNJ2的93位(V93I)纈氨酸-異亮氨酸突變。對V93I突變體的功能分析表明，Kir2.1通道的活性增加，認為Kir2.1 V93I突變可能通過增加Kir2.1通道的活性來啟動和/或維持房顫[50]。在房顫患者的右心房肌細胞的研究[51]中發現，IK1電流密度在超極化狀態顯著增加。短QT綜合征 3型是編碼Kir2.1通道的KCNJ2基因突變，使IK1增大，APD縮短，導致房顫的發生，這為靶向藥物及Ⅲ類抗心律失常藥治療房顫提供了有力證據[52]。在馬的房顫模型中發現，與IK1同屬心肌Kir通道電流的IKAch也與房顫有關。給予IKAch抑制劑 XAF-1407能有效延長馬的心房有效不應期，顯著降低房顫的發生率，提高房顫的轉復成功率[53]。

4.2 室性心律失常

在苯腎上腺素誘導的肥大乳鼠心室肌細胞中，發現IK1電流密度減小，APD延長，復極末期易損期延長，通過沉默心室肌細胞的鈣調神經磷酸酶Aβ亞基基因，可顯著抑制苯腎上腺素誘導的上述效應[54]。KCNJ2突變導致的短QT，表現為IK1電流密度增大，容易誘發惡性心律失常[6，8]。在KCNJ2突變雜合體小鼠模型中，易誘發多形性室性心動過速[30]。在Andersen-Tawil綜合征中，KCNJ2突變導致IK1電流密度減小，QT間期延長，而氟卡尼通過增加Kir2.1通道表達使心室肌細胞IK1增大，對Andersen-Tawil綜合征有一定療效[55-56]。但也有研究[57]表明，通過轉基因技術構建Kir2.1表達下調和表達上調模型，前者IK1減小，后者IK1增大；在Kir2.1表達上調小鼠中更容易誘發出室性心律失常，而在Kir2.1表達下調的小鼠中，動作電位去極化的離散度顯著減小，降低了室性心律失常的誘發成功率，提示心肌細胞中的Kir2.1通道阻斷也可能是一種潛在的抗心律失常方法。

5 結語與展望

IK1在靜息膜電位和動作電位復極末期起著關鍵作用，其變化對動作電位的影響顯著。Kir2.1通道表達無論是上調或是下調(對應IK1增大或減小)，均可誘發心律失常。IK1及Kir2.1通道相關的調控因素眾多。目前，部分心臟疾病中已探明Kir2.1分子水平的表達和IK1的電流變化，并對部分改變導致的心律失常疾病有了一定的針對性治療。但在不同疾病、同一疾病不同狀態下Kir2.1通道結構和功能變化及其致病機制仍有諸多未明，需更深入的研究。