大電導電壓和鈣依賴性鉀通道在心血管疾病中的研究進展

陳彥玲 金基永

(延邊大學附屬醫院心血管內科，吉林 延吉 133000)

心血管疾病(CVD) 是導致世界上發病率和死亡率增高的主要原因之一。據世界衛生組織估計，2015年，由CVD造成的死亡人數超過1 770萬，占全球死亡人數的31%〔1〕。大電導鈣離子激活鉀(BK)通道，是表達在多種類型細胞膜和細胞器膜上的一種離子通道〔2〕。近年來BK通道在心血管系統中的作用得到廣泛的研究〔3～5〕。BK通道結構和功能研究對其在各種病理生理發生過程中的作用機制有著至關重要的作用。本文對BK通道在CVD發展過程中的作用機制及相關影響進行綜述。

1 BK通道的結構與功能

20世紀80年代早期，大鉀離子通道，命名為大單通道電導(250～300 ps)〔6〕。在哺乳動物中，BK通道被定義為大電導電壓和鈣依賴性鉀通道〔7〕。此通道的最大特點是對鉀離子具有大的電導作用、對電壓和鈣離子濃度較高的敏感性及在生物體內各種細胞上廣泛的表達〔2〕。BK通道是由α亞基與輔助β亞基組成的同源四聚體〔8〕。Kcnma1基因編碼的α亞基是由7個假定的跨膜結構域(S0-S6)〔9〕、1個細胞外N端和1個帶有鈣離子和其他調節分子結合位點的細胞質C端組成。S0是一個獨特的N端跨膜片段，是與β亞基耦聯的位點〔10〕。S1～S4跨膜片段形成電壓感應域，而S5～S6形成孔道〔11〕。大胞質C端包含2個鉀離子電導結構域〔12〕。β亞基有β1～β4 4種亞型〔13〕，而β1亞基主要存在于血管平滑肌細胞(VSMCs)中〔14〕。β1亞基可延長BK通道開放時間，增加BK通道敏感性。這些輔助亞基通過修改鈣離子和電壓敏感性來調整BK通道的生物物理特性。BK通道的變構激活主要依賴于細胞內鈣離子升高及膜去極化〔15〕。BK通道在許多生理過程有著至關重要的作用，包括調節血管張力、神經元興奮、突觸傳遞和激素分泌〔16,17〕、介導血管平滑肌的遷移能力、參與保護心臟，減輕心臟缺血-再灌注(IR)損傷〔18〕。

2 BK通道與血管平滑肌的遷移能力

BK通道介導及調節VSMCs的遷移，VSMCs從血管中膜到內膜的遷移導致動脈粥樣硬化〔19〕。動脈粥樣硬化是導致CVD的主要原因之一。當VSMCs上過度表達BK通道后，遷移能力降低，反之，BK通道表達減少后，細胞的遷移能力顯著增加〔20〕。Chandra等〔20〕研究發現，細胞內鈣離子濃度的變化是導致VSMCs遷移的始動因素，而VSMCs的遷移必須有鈣離子依賴性蛋白激酶Ⅱ的激活才可進行。在VSMCs上BK通道過度表達使鈣離子內流減少，胞質內鈣離子濃度降低，鈣離子依賴性蛋白激酶Ⅱ的激活受限，VSMCs的遷移速度明顯減慢。而VSMCs從血管中膜到內膜的遷移是導致動脈粥樣硬化、冠狀動脈血運重建后血管再狹窄等常見血管病變共同的關鍵性事件。因此，BK通道對影響心血管性事件的發生和進展過程起到一定的作用，不僅影響血管功能性改變(調節血管張力)，同時參與血管器質性病變的過程。

3 BK通道與心臟保護

3.1抑制BK通道可導致心動過緩。心率減慢，改善心臟收縮力，致心肌耗氧量減少，進而起到保護心臟的作用。Imlach等〔21〕利用BK通道抑制劑(paxilline、lolitrem B)在野生小鼠模型中的研究發現，抑制BK通道，導致野生型小鼠的心率降低。在大鼠心臟的離體研究還表明當灌注paxilline和lolitrem B時，同樣引起心率減慢〔21〕。Patel等〔22〕在大鼠體內模型中測試了BK通道在調節心率中的作用，在注射paxilline后，分別測量1分鐘和15分鐘的心率，高劑量和低劑量paxilline組大鼠心率均顯著降低。Lai等〔23〕發現，抑制BK通道可延長舒張期去極化和降低竇房結細胞興奮性，導致心動過緩。鑒于觀察到BK通道廣泛的心臟抑制效應，抑制BK通道導致心動過緩。對不耐受β受體阻滯劑或其他類型的心率控制藥物的患者來說，BK通道阻滯劑可成為抗心律失常的一種新控制手段。BK通道通過對心率的介導，進而降低心肌耗氧量，從而起到對心臟的保護作用。

3.2BK通道可調節冠狀動脈血流。BK通道活化后可增加冠狀動脈流量，改善心肌缺血。BK通道在冠狀動脈平滑肌細胞的質膜中大量表達，預計其在調節冠狀動脈血流中發揮作用。Patel等〔22〕首次使用paxilline和iberiotoxin 對冠狀動脈血流進行體內分析，發現使用paxilline、iberiotoxin 抑制BK通道，在1 min內可顯著降低平均冠狀動脈速度和冠狀動脈平均梯度，但15 min后這種抑制是完全可逆的。已知缺血和缺血后再灌注誘導心臟損傷〔24〕。而缺血預處理(IPC)已被證明可非常有效地使心臟不易受到損傷〔25〕。Soltysinka等〔18〕研究發現IR時的冠狀動脈血流在BK活化小鼠心臟中通過IPC改善，而在BK基因敲除的小鼠心臟中通過IPC沒有改善。因此有理由認為BK通道活化在調節冠狀動脈灌注方面有重要作用。

3.3BK通道活化保護心臟免受IR損傷。BK通道在心臟線粒體中對IR損傷的保護作用已被獨立小組證明〔26,27〕。BK通道存在于成年心肌細胞的線粒體中〔28〕。Goswami等〔29〕對表達活化BK通道的離體心臟小鼠模型進行的研究支持了這樣的觀點:BK通道過度表達及BK通道活化在抗IR損傷的心臟保護中起到重要作用，可以保護心臟減輕IR損傷，提高IPC和IR損傷后左室發育壓力(LVDP)的恢復，減少心肌梗死面積。Soltysinka等〔18〕證明了使用全基因BK敲除小鼠的IPC介導的心臟保護和BK之間的因果關系，強調了BK通道的激活可進一步增強IPC介導的心臟保護作用，減少IR后心臟損傷。另外還有研究表明BK通道活化和過度表達對IR損傷具有心臟保護作用，并且心臟保護作用部分是通過減少有害的線粒體活性氧自由基產生來介導的。研究表明ROS的產生與心臟保護有關。Goswami等〔29〕發現BK通道的遺傳激活減少了IR應激后的ROS生成，而IPC進一步降低了ROS生成。BK通道活化和過度表達調節ROS生成，進而起到保護心臟作用。上述結果表明對于IR損傷的心臟恢復及IPC介導的心臟保護作用、心肌梗死面積減少主要是BK通道的激活作用所致。

4 BK通道與高血壓血管病變

高血壓是CVD的主要危險因素之一。即使血壓輕度升高，也會增加CVD的風險。研究表明，BK-α亞基和BK-β1亞基的下調引起高血壓病變血管的舒張功能障礙，BK通道在血壓調節中至關重要。

BK通道在VSMCs中高度表達〔30〕，BK通道在調節膜電位和血管張力方面的有著重要作用〔31〕，蛋白檢測實驗研究發現高血壓大鼠VSMCs上BK通道的密度低于正常大鼠〔32〕。有理由認為VSMCs中BK通道功能失調可能導致高血壓發生。遺傳動物模型和高血壓動物模型的研究證明，一方面BK通道的缺乏導致輕度血壓升高，另一方面BK通道功能或表達的改變與高血壓疾病狀態平行相關。Brenner等〔14〕、Pluger等〔33〕表明靶向缺失BK-β1亞基的基因會導致BK通道的鈣敏感性降低，平滑肌收縮性在這些小鼠中增強，出現全身動脈血壓升高。缺乏BK-α亞基的小鼠也表現出全身血壓升高〔34〕。Amberg等〔35,36〕研究發現自發性高血壓大鼠和血管緊張素Ⅱ誘導高血壓大鼠的平滑肌BK通道功能減弱，并且與BK-β1亞基表達的下調有關。另一方面，肺動脈高壓大鼠和 L-硝基精氨酸治療的高血壓大鼠顯示平滑肌中BK-α基的表達降低〔37,38〕。根據上述研究得出，BK-β1和BK-α亞基的下調導致高血壓期間的血管舒張功能障礙。然而其他實驗數據表明在自發性高血壓和醋酸脫氧皮質酮-鹽高血壓大鼠中，高血壓大鼠血管中BK通道功能均上調。BK通道功能上調被認為是限制高血壓血管過度收縮的一種代償機制〔39〕。這些發現清楚地支持BK通道在血壓調節中的重要作用，并證明該BK通道是高血壓降壓治療中一個新興靶點。

然而，BK-β1亞基的選擇性缺失可能不足夠引起高血壓。最近的一項研究表明，基于連續24 h血壓測量，BK-β1亞基缺失的小鼠并不會出現血壓升高。因此，對于BK-β1亞基在BK通道調節血壓中的作用有待進一步研究。

5 BK通道與糖尿病血管病變

糖尿病可使CVD風險升高約2倍。1型糖尿病和2型糖尿病都會導致血管功能障礙。降低糖尿病血管損害，間接減少CVD患病的危險因素。大量證據表明，糖尿病血管BK通道功能障礙主要與BK-β1亞基下調有關〔40,41〕。

在生理和病理條件下，BK通道在調節血管張力中起著至關重要的作用〔31〕。在1型和2型糖尿病動物模型中，血管系統中BK通道功能受損，并且該功能的損害與VSMCs的BK-β1的表達減少有關〔42,43〕。Lu等〔44〕在2型糖尿病患者血管平滑肌中的研究也得到相似的證實。此外Nieves-Cintrón等〔45〕報告了來自非糖尿病和2型糖尿病患者的天然小直徑脂肪動脈和血管平滑肌細胞中BK通道相關發現，首先，BK通道活性可對抗人類小阻力脂肪動脈中壓力誘導的收縮，但在2型糖尿病患者的動脈中這一作用受到損害。也就是說BK 通道介導的血管舒張功能在2型糖尿病患者的動脈中受損。大量研究表明，在糖尿病中，BK通道功能障礙導致異常血管收縮〔46,47〕，最終導致組織缺血，加重糖尿病心臟的缺血-再灌注損傷〔48〕。BK通道活化和BK-β1功能的降低也可能通過在糖尿病期間加重血管壁重塑和纖維化而導致血管并發癥〔49〕。

綜上，各種血管活性物質引起的血管反應涉及激活或抑制VSMCs、心肌細胞中的BK通道。BK通道在生理病理過程中的廣泛表達和參與，可調節血管張力和心肌灌注、抗動脈粥樣硬化及介導心臟保護，高血壓、糖尿病血管功能障礙也與VSMCs中BK通道功能的改變有聯系。因此，BK通道有望成為防治心血管疾病的關鍵。未來我們對BK通道在CVD方面的研究可從以下3個方面著手:(1)BK通道對各心血管組織所產生的不同致病機制需要繼續鉆研，進而研發出治療相關CVD的靶向藥物。(2)BK通道在人體細胞中普遍存在，通過不同的表達機制，關鍵地參與了各種過程，進一步明確BK通道在各組織中的分布及作用機制差異，對這些差異做精細的研究，才能研究出精確的治療手段來抑制或拮抗此種機制。(3)改變BK通道活性和表達的化合物及其遺傳操作可能具有治療意義。現在由于BK通道作為CVD潛在治療靶點的領域研究仍處于初級階段，BK通道對CVD的影響機制仍需探索，為治療心肌缺血、血管狹窄等相關CVD提供新的依據。