離子通道與長QT綜合征的研究進展

董皓波,尹儷璇,楊森宇,陳世聞,張瑛昊,蘇敬陽

0 引言

心肌細胞膜蛋白基因編碼的改變會引起細胞生理功能障礙,最終導致心律失常,包括長QT綜合征(Long QT syndrome,LQTS)[1]。LQTS臨床表現為明顯的QT間期延長和T波異常,易產生惡性心律失常、反復發作性暈厥、心臟驟停,甚至猝死等心臟事件,給患者家庭和社會帶來嚴重的精神和經濟負擔,危害性極大[2]。劇烈運動或情緒緊張是誘發長QT綜合征的主要因素,其在睡眠中較少發生,發作一般沒有征兆。

有報道,遺傳性LQTS是由于不同的離子通道如鈣離子通道、鉀離子通道、鈉離子通道以及鈣調蛋白等基因突變引起的。心臟的動作電位受到一系列復雜的離子通道活動的調控,例如鈣離子電壓門控通道Cav1.2、鉀離子電壓門控通道KCNQ1/KCNH2、鈉離子電壓門控通道SCN5A等,這3種離子通道在產生心臟動作電位時,各自發揮著不同的作用,因此,當其發生基因突變時,可導致產生不同分型的LQTS。不同的基因突變誘發的LQTS共有17種類型,其中KCNQ1 的基因缺失突變會導致LQTS1,KCNH2突變導致LQTS2,SCN5A突變會導致LQTS3,Cav1.2蛋白突變會導致LQTS8等[3]。目前,大多數的LQTS患者都屬于LQTS1、LQTS2、LQTS3三大類亞型。其中,33%～45%的基因型病例屬于LQTS 1;25%～35%的基因型病例屬于LQTS2;2%～8%的基因型病例屬于LQTS3。SCN5A鈉通道突變引起的LQTS 3在各個方面與KCNQ1突變引起的LQTS1和KCNH2突變引起的LQTS2有較大的差異,LQTS3患者多表現出明顯的靜息心動過緩的癥狀,在慢心率時,QT間期延長表現較為明顯[4]。CaM是一個由3個同源基因(CALM1、CALM2、CALM3)編碼的Ca2+結合蛋白,任何一個基因突變都會引起嚴重的心血管疾病[5]。CaM與Ca2+結合后被激活參與調控L型鈣離子通道(Cav1.2 通道)。CaM基因突變降低了其對Ca2+的親和力,并且心臟的L型鈣通道(Cav1.2)的生理生化性質也會被改變[5-7]。目前LQTS的治愈率很低,大多數患者在發病過程中離世,因此,LQTS的預防和治療極為重要。本文就離子通道基因突變誘發LQTS的作用機制,以及目前臨床上LQTS治療現狀進行綜述,探討LQTS可能的防治靶點,為未來新藥研發提供一定的理論依據。

1 LQTS發病機制

1.1 鉀離子通道與LQTS 延遲整流K+電流(IK)在心肌細胞的動作電位復極化中起著關鍵作用,其中包括IKr和IKs[8]。電壓門控K+通道Kv7.1的α亞單位由KCNQ1編碼,α亞單位與輔助作用的β亞單位KCNE1結合,形成功能性通道并產生緩慢激活的延遲整流K+電流(IKs),生理上隨著交感神經的激活而增強,這種電流在心率增加時調節QT間期和保持心臟動作電位的正常持續時間非常重要[9-10]。KCNQ1基因缺失與LQTS1有關。KCNH2基因編碼電壓門控K+通道α亞單位Kv11.1,4個Kv11.1亞單位共同組成1個四元離子通道,能傳導快速的延遲整流K+電流(IKr)。KCNH2基因突變與大約60%的LQTS2有關,并且主要與4種不同的分子機制相關,即轉錄或翻譯異常、蛋白運輸缺陷、通道門控異常、通道滲透性改變,導致離子通道活性喪失[11]。此外,通過基因分析,HERG基因的錯義表達已經被確定為LQTS 2的顯性突變基因,大多數HERG基因錯義表達導致HERG蛋白運輸障礙,因此,大量未成熟的HERG蛋白在內質網中累積[12],這與LQTS2的發生密切相關。

對于LQTS1,Kv7.1離子通道上有多個突變點,并且KCNE1上有超過36個突變位點[13]。D242N突變點位于Kv7.1 通道的S4跨膜段,其導致鉀離子通道門控模式發生變化,但不影響通道離子運輸功能。因為當KCNE1基因缺失時,D242N-Kv7.1的細胞表面靶向作用沒有受到影響。在其他鉀離子通道家族中,D242殘基并不存在,表明D242在Kv7.1離子通道中具有獨特的作用。D242N突變會使負電荷丟失,進而導致遠端S4電荷失去平衡。有膜片鉗實驗表明,當D242N突變發生時,電壓依賴性激活沒有變化,但Kv7.1通道的電壓依賴性失活明顯減弱。然而,由于D242N-Kv7.1通道與KCNE1的結合,去極化電位發生變化,從而影響了膜電位上的IKs[13]。此外,KCNQ1突變導致的IKs減少可以由KCNQ1蛋白向細胞膜轉運受損和膜上通道蛋白功能表達受損引起[14-16]。位于KCNQ1C末端結構域中4個α螺旋中的A和B螺旋的旁側區的新型突變M437V,通過使通道蛋白的功能受損,減少了IKs并延長動作電位持續時間,這表明螺旋A和B區域突變影響KCNQ1介導的離子通道電流的傳導性,但不影響KCNQ1蛋白向細胞膜的轉運[17]。

對于LQTS2,KCNH2基因突變降低IKr,導致心室去極化到復極化的持續時間延長,臨床上表現為心電圖的QT間期延長。很多LQTS2與KCNH2基因突變有關[11],其中大部分是錯義突變。大多數錯義突變會引起IKr的減少,并且引起心臟動作電位復極化延長[18]。H1153Y-KCNH2錯義突變發生在1 153位氨基酸上,組氨酸被酪氨酸所取代,這個殘基位于蛋白質的C末端,參與Kv11.1亞單位的組成、轉運和功能調節。Farrugia等[11]研究表明,H1153Y-KCNH2是一個功能缺失的突變,可以通過改變通道的一些特性引起HERG通道功能的喪失,進而降低了HERG電流密度,但不會引起Kv11.1通道的轉運中斷。

1.2 鈣離子通道和鈣調蛋白 Cav1.2通道負責運輸Ca2+的α亞單位,包含4個相連的同源結構域,Domain I-IV,其中每個結構域包括6個跨膜段S1-S6。S1-S4跨膜段形成電壓傳感器域(Voltage sensor domain,VSD),其中位于S4上的精氨酸和賴氨酸殘基可以充當電壓傳感器,膜電位的變化可以引起氨基酸殘基位置的改變,進而控制了通道的開放或關閉。S5-S6跨膜段形成孔域(Pore domain,PD),它們之間的P環決定了鈣通道對Ca2+的選擇性運輸[19]。Cav1.2 α亞單位與輔助亞單位β3和α2δ亞單位復合物作為一個大分子存在,可以調節通道的激活和失活。這3個亞基會經歷Ca2+依賴性失活(Calcium-dependent inactivation,CDI),即在持續去極化狀態下,鈣通道的失活可以由內流的Ca2+促進[20],這使其能夠調節鈣離子向心肌細胞內的流入。當Cav1.2通道發生CACNA1C突變時,會使Ca2+內流增加,最終導致LQTS8[21],例如G1911R位點突變[22]。

L型鈣離子通道主要在心肌細胞中表達,可精確地控制Ca2+進入細胞。正常心率所必需的CDI很重要,決定了心臟動作電位的持續時間。這種調節機制是由Ca2+傳感器CaM決定的[23]。1個CaM與4個Ca2+結合后被激活(構象發生變化),發揮生物學功能,CaM/Ca2+復合物可以與目的蛋白結合,進而調控靶蛋白的活性。CaM基因突變會抑制CaM與Ca2+的結合,并且減弱Cav1.2鈣通道的CDI作用,最終引起心臟功能紊亂,動作電位去極化延長。與LQTS有關的CaM突變位點有很多,例如,CALM1(E141G、F142L、D130V)、CALM2(D96V)等,其中E141G是目前發現的第一個既可以影響Cav1.2鈣通道,又可以影響Nav1.5 鈉通道的突變位點[5,24]。

1.3 鈉離子通道與LQTS SCN5A負責編碼電壓門控鈉離子通道Nav1.5的α亞基,參與調控鈉離子內流(INa)、動作電位的起始、傳導以及興奮在心臟上的傳導[4]。SCN5A基因突變影響通道功能。在功能獲得型突變中,例如G213D位點突變使晚期的INa持續增加,而INa峰值不變,導致更多的Na+通過異常的通道門控模式進入心肌細胞內[25]。這在心電圖上表現為QT間期延長,通常被認為是導致LQTS3的主要原因[4,26]。SCN5A功能缺失突變會導致INa峰值降低,使SCN5A表達水平降低或產生有功能缺陷的Nav1.5蛋白。一些SCN5A突變體可以同時導致晚期的INa增加和INa峰值降低,同時表現出功能獲得型突變和功能喪失型突變的特征,如N406K突變。然而,與N406K相反,E1784K主要通過改變通道門控模式增加晚期INa和減少INa峰值[26]。

2 LQTS的臨床診斷與治療

2.1 LQTS的診斷

2.1.1 診斷依據 LQTS可以通過臨床癥狀(暈厥、缺氧、心悸或心源性猝死等)和家族史,以及某些特定的檢查,例如心電圖、24小時Holter記錄分析和運動壓力測試等診斷[27]。此外,藥物誘導性LQTS(Drug-induced LQTS,diLQTS)或獲得性LQTS一般是由特定藥物的服用、低鉀血癥或低鎂血癥等引起的[28]。diLQTS主要診斷特征是表面心電圖QT間期延長并且可能會出現致命性尖端扭轉性室性心律失常(Torsade de pointes,Tdp)。diLQTS通常是由藥物阻斷正常心臟復極的離子通道電流而誘發,其中,絕大多數引起diLQTS的藥物(常見的藥物有奎尼丁、丙吡胺及普魯卡因胺等)是通過抑制由KCNH2基因編碼的hERG鉀通道致病的[29]。細胞外低鉀通過影響鉀通道的功能和表達以及與藥物的親和力,直接影響心臟的復極,進而降低IKr[28-29]。對于藥物誘導的低鎂血癥患者,Mg2+的減少阻礙了K+內流,進而延長QTc并且促發室性心動過速(Ventricular tachycardia,VT)和心室顫動(Ventricular fibrillation,VF)等癥狀[30]。低鉀血癥和低鎂血癥是影響diLQTS的常見危險因素,能進一步推動QT間期的延長和Tdp的發生[29]。

2.1.2 基因篩查 在患者診斷為LQTS的可能性很大時,基因篩查可以增強對LQTS的生理檢測和對患者的危險評估,為后續診斷和治療提供精準的信息[31]。對于LQTS1患者,心臟事件更容易在交感神經興奮時(如游泳、潛水等運動或處于情緒緊張狀態)發生。正常狀態下,交感神經興奮可以激活IKs通道,從而加快心室復極化,縮短QT間期。因此,針對LQTS1患者,其攜帶的KCNQ1基因突變會使IKs缺陷,導致心室復極不能隨著心率的增加而縮短,引發QT間期延長。對于LQTS2患者,室性心律失常發生在情緒激動或者有聽覺刺激(如突然喚醒等)時,在睡眠和運動中很少見。部分女性在經期或產后易出現LQTS2心律失常。對于LQTS3患者,約65%的心臟事件發生在睡眠或休息時。心率越慢,QT間期越長,越容易發生心律失常。綜上,約有90%的疾病相關的基因突變類型包含在這3種典型的LQTS致病基因中[31]。基因篩查可以通過家系調查、染色體單倍型連鎖分析和基因突變位點篩查等方法進行[32]。

2.1.3 診斷流程 LQTS的診斷需結合患者的心電參數、臨床病史和家族史進行綜合鑒定,這3個方面信息構成了Schwartz評分標準。Schwartz評分≥3.5時,提示患LQTS的風險很大;評分<3.5且>1時,提示存在患LQTS的風險;評分≤1時,說明不存在患LQTS的風險[33]。在家族史中,同一個家族的成員不能被評估在2個風險類別中。診斷流程見圖1。

圖1 長QT綜合征患者的診斷檢查流程

2.2 LQTS的治療 目前,治療LQTS的主要方法包括非藥物療法和藥物療法(表1)。非藥物療法即改變生活方式,包括避免使用延長QT間期的藥物,調整電解質平衡,充分補充富含K+、Mg2+等電解質的食物和液體,調整飲食穩定患者的新陳代謝功能以及避免劇烈運動等。健康的生活方式是LQTS防治的基石。此外,LQTS的治療還包括左心交感神經切除術和植入式心律轉復除顫器。治療藥物主要包括β受體阻滯劑、鈉通道阻滯劑和電解質補充劑[34-35]。

表1 長QT綜合征治療方法、藥物及適應證

LQTS患者治療的基礎藥物是β受體阻滯劑,非選擇性β受體阻滯劑納多洛爾和普萘洛爾是最有效的[33]。在LQTS治療專家共識的Ⅰ類推薦中,對無癥狀的QTc≥470 ms的患者和(或)曾經有發作暈厥或VF或VT癥狀的患者予以β受體阻滯劑治療。對于QTc≤470 ms的無癥狀LQTS患者也建議進行β受體阻滯劑治療(Ⅱa類推薦)[36]。但對于嚴重的LQTS,二者并不能達到很好的效果。一直以來,研究者對使用β受體阻滯劑預防LQTS3心臟事件的發生存在爭議。基于作用機制,對于LQTS3患者,鈉離子通道阻滯劑是更好的選擇。美西律是非選擇性的電壓門控鈉通道阻斷劑,可以縮短LQTS3患者的QTc,并且顯著減少心律失常事件的負擔[27]。其他鈉通道阻滯劑包括氟卡尼和雷諾嗪等也具有一定的療效。

當β受體阻滯劑不耐受或者β受體阻滯劑治療存在高風險或有ICD禁忌或拒絕該治療的患者,可采用LCSD(Ⅰ類推薦)。LCSD對于β受體阻滯劑依從性差的患者效果顯著,且作用效果持久。LCSD能阻止去甲腎上腺素的釋放,在不損害心肌收縮力或降低心率的情況下提高心室顫動的閾值。然而,由于LCSD不是治愈性的治療方法,不一定能防止猝死,對于高危患者建議植入ICD[37]。此外,對于采用β受體阻滯劑或ICD治療后病情仍然繼續發展的患者,也建議進行LCSD治療(Ⅱa類推薦)[36]。根據Schwartz等[38]研究,在147例LQTS患者中,99%是高危患者,其中,48%的患者有過心臟驟停的癥狀,75%的患者接受過β受體阻滯劑治療但仍然存在癥狀。在經過LCSD治療后,有46%的患者無癥狀,每例患者每年發生心臟事件的次數減少了91%[39]。

ICD治療不僅有利于快速終止室性心律失常,對VT患者的長期管理也有作用。對于惡性心律失常患者,ICD往往是最緊急且唯一的治療選擇,但其并發癥往往會被忽略,例如氣胸、感染、穿孔、電極脫位,甚至也可能導致心律失常的風險增加,一般與遺傳傾向無關[40]。在HRS/EHRA/APHRS關于遺傳性心律失常綜合征患者的診斷和管理的專家共識中,ICD治療主要針對心臟驟停后幸存的(I類推薦)或接受β受體阻滯劑治療后仍反復發作暈厥(IIa類)的LQTS患者[39]。

LQTS患者應積極避免腹瀉、嘔吐、代謝或因為減肥飲食不平衡等狀況可能出現的電解質異常[36]。LQTS患者(尤其是LQTS2患者)的血鉀濃度需要維持在一個較高的水平。低鉀血癥是最常見的電解質異常,其定義為血漿K+濃度水平低于3.6 mM。患者在服用有心律失常風險藥物后,血清K+變化會導致QT延長和Tdp發生。研究表明,對于高血壓等慢性病患者,血清K+和Ca2+濃度的降低是導致QT延長的重要因素[29]。因此,當LQTS患者處于穩定期時,可以先服用足量的普萘洛爾,同時服用門冬氨酸鉀鎂或氯化鉀等電解質補充劑[33-34]。LQTS的治療策略如圖2所示。

圖2 LQTS的治療策略注:LQTS:長QT綜合征;VT:室性心動過速;VF:心室顫動;ICD:植入式心律轉復除顫器;LCSD:左心交感神經切除術

3 結語

LQTS患病率約為1/2 500,臨床表現多樣,根據病因可分為遺傳性與獲得性2種,患者可能終身無癥狀,也可能在嬰兒期或青少年期發生猝死。本文討論的是遺傳性LQTS,由于動作電位復極化受損、引起心律失常和猝死,不同的基因突變會引起不同的LQTS類型。隨著對Cav1.2、KCNQ1、hERG、SCN5A的結構和功能的研究越來越深入,研究者對離子通道功能障礙與LQTS的關系有了更新的認識,推動了對LQTS發病機制的研究。本文綜述離子通道基因突變誘發LQTS的作用機制,以及目前臨床上LQTS治療現狀,概述離子通道基因突變與LQTS之間的關系,為LQTS的治療和預防提供參考。