大電導(dǎo)鈣激活鉀通道在肥胖相關(guān)性腎病中的作用及研究進(jìn)展

杜 娟,張偉力,米旭光

(吉林省人民醫(yī)院 1.急危重癥科研與轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)室;2.病理科;3.中心實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春130021)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高,肥胖成為全球性的公共衛(wèi)生問(wèn)題甚至是社會(huì)問(wèn)題,肥胖作為心血管疾病的危險(xiǎn)因素已經(jīng)被廣泛認(rèn)同,而作為腎臟疾病的危險(xiǎn)因素正在逐漸受到重視。有報(bào)道,肥胖患者中約40% 出現(xiàn)蛋白尿[1]。以后有個(gè)案及臨床觀察[2-4]均證實(shí)肥胖可引起腎臟損害。我們課題組一直對(duì)肥胖引起的腎臟損害很感興趣,圍繞腎小球上各種通道蛋白的定位和功能,及相關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和復(fù)雜的病理生理機(jī)制進(jìn)行研究[4-6],發(fā)現(xiàn)肥胖人群和肥胖動(dòng)物的微量白蛋白尿均顯著升高,腎小球足細(xì)胞形態(tài)及裂孔隔膜(slit diaphragm,SD)標(biāo)志物均有改變[3-10]。

近年來(lái)的研究,先后確定了足細(xì)胞表面多個(gè)共同存在的SD通道及受體蛋白,包括大電導(dǎo)鈣激活鉀通道(large conductance calcium-activated potassium channels,BKCa)、TRPC3和TRPC6[11]、Nephrin[12-13]、Synaptopodin[12]、Podocin、Podocalyxin和CD2AP、MAGI-1[14]等。這些分子間形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò),被稱為“SD復(fù)合體”,通過(guò)與α-肌動(dòng)蛋白4(α-actinin-4)的相互作用,共同參與維系足細(xì)胞間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞極化和離子穩(wěn)定等生理功能。其中BKCa也稱MaxiK或Slo1,是1981年在牛嗜鉻細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)的[15],它在鈣穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。之后功能性BKCa通道又在人類和小鼠的足細(xì)胞系中發(fā)現(xiàn)[12,16],為研究足細(xì)胞SD形成和標(biāo)志性蛋白功能提供了新方法,同時(shí)將離子通道和細(xì)胞骨架蛋白串聯(lián)起來(lái),拓展了圍繞足細(xì)胞的研究領(lǐng)域。正因如此,本文將概述BKCa的生物學(xué)作用,并重點(diǎn)對(duì)其在肥胖相關(guān)性腎病中的作用及研究進(jìn)展做歸納總結(jié)。

1 BKCa的生物學(xué)概述

鈣激活鉀通道是一類受細(xì)胞膜去極化和細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度調(diào)節(jié)的離子通道,按其電導(dǎo)特性可分為大電導(dǎo)、中電導(dǎo)和小電導(dǎo)鈣激活鉀通道。BKCa通道因其電導(dǎo)大、對(duì)電壓依賴性強(qiáng)、對(duì)細(xì)胞內(nèi)鈣離子敏感性高而區(qū)別于其他離子通道。BKCa主要由α亞單位 (結(jié)構(gòu)亞單位)、β亞單位 (調(diào)節(jié)亞單位)和γ亞單位 (輔助性亞單位)構(gòu)成[17-18]。BKCa通道在哺乳動(dòng)物的各種組織細(xì)胞中分布廣泛,包括肺[19]和氣管、心肌細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞[20-22]、胃腸道和闌尾、胰腺及脾臟、腎臟和膀胱、子宮、前列腺[23]和睪丸、骨骼肌、大腦和神經(jīng)元[17,19,24]、嗜鉻細(xì)胞[25]、耳蝸毛細(xì)胞[26]等。

BKCa通道開(kāi)放需要非常大的單一電導(dǎo),為電壓依賴型離子通道,這個(gè)簡(jiǎn)單的條件決定了激活相對(duì)較少的通道,就可以對(duì)細(xì)胞的電生理學(xué)功能產(chǎn)生很大的影響[27]。此外,細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度也可調(diào)控BKCa通道,在一定的細(xì)胞膜電位下,鈣離子濃度越高,BKCa通道開(kāi)放的幾率越大。BKCa通道是細(xì)胞膜上唯一可接受兩種信號(hào)調(diào)節(jié)的通道,把細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞膜上的電信號(hào),這一特性決定其調(diào)節(jié)機(jī)制和生理功能更加精準(zhǔn)[28]。

2 BKCa在腎臟的表達(dá)及生理學(xué)作用

BKCa通道在出生后小鼠所有時(shí)間點(diǎn)的腎小球和腎小管中都有表達(dá)[27],包括足細(xì)胞和系膜細(xì)胞,以及遠(yuǎn)曲小管和集合管。采用激光共聚焦顯微鏡觀察到,隨著足細(xì)胞的分化和成熟,BKCa通道的分布逐漸從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜表面,這與不同發(fā)育時(shí)期足細(xì)胞的膜蛋白免疫印跡分析和膜片鉗夾實(shí)驗(yàn)電流的變化結(jié)果是一致的,這些研究進(jìn)一步揭示腎臟的分化發(fā)育和解剖生理,為以后的研究奠定了基礎(chǔ)[14]。新近報(bào)道在人多潛能干細(xì)胞誘導(dǎo)的腎臟類器官上,也有BKCa的表達(dá)[29]。

足細(xì)胞是構(gòu)成腎小球基底膜和濾過(guò)屏障的主要結(jié)構(gòu)。我們關(guān)注的焦點(diǎn)是,足細(xì)胞上的BKCa通道作為重要的離子通道之一,具有慢激活及大電導(dǎo)的特點(diǎn),對(duì)細(xì)胞膜的壓力作用敏感,可將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電化學(xué)信號(hào)發(fā)揮作用,故對(duì)足細(xì)胞足突機(jī)械牽張比較感敏。同時(shí)在分化成熟的足細(xì)胞系中,BKCa通道可調(diào)控足細(xì)胞內(nèi)鈣離子穩(wěn)態(tài),進(jìn)一步發(fā)揮重要作用。以上兩點(diǎn)是BKCa通道影響足細(xì)胞功能的基礎(chǔ)和前提[14,27]。

尤其值得一提的是,BKCa通道與TRPC6通道二者存在相互協(xié)同作用,在鈣離子經(jīng)過(guò)TRPC6通道內(nèi)流的過(guò)程中發(fā)揮驅(qū)動(dòng)作用,進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞發(fā)揮功能。Kim等人發(fā)現(xiàn)足細(xì)胞上BKCa與TRPC6離子通道共表達(dá),并且后者可增加BKCa通道在細(xì)胞膜上的表達(dá)。同樣,BKCa通道也與TRPC3共表達(dá),但TRPC3通道卻不影響B(tài)KCa的功能[11]。該作者還發(fā)現(xiàn),在敲低 Nepherin或synaptopodin的小鼠足細(xì)胞胞膜上,BKCa通道的表達(dá)減少,在HEK293T細(xì)胞上轉(zhuǎn)染Nepherin能增加BKCa的表達(dá),MAGI-1則減少胞膜上的BKCa通道的表達(dá),因此Nepherin與BKCa通道的相互作用機(jī)制復(fù)雜[12-13]。

3 BKCa通道在肥胖相關(guān)性腎病中的作用機(jī)制

在一項(xiàng)包括4214例肥胖患者和5417例普通患者的代謝性疾病的全基因組關(guān)聯(lián)分析中,顯示來(lái)自5/6的對(duì)照研究病例,BKCa通道基因都與人類肥胖相關(guān),而且肥胖個(gè)體的脂肪組織中BKCa轉(zhuǎn)錄表達(dá)增加,這些發(fā)現(xiàn)為研究代謝通路和BKCa表達(dá)和功能之間的聯(lián)系打開(kāi)一條新途徑[30]。其他研究也發(fā)現(xiàn)肥胖能有選擇性的降低血管BKCa通道表達(dá)及功能[31-33],因此我們非常關(guān)注肥胖對(duì)腎小球上BKCa通道的影響。

3.1 BKCa通道與肥胖本身導(dǎo)致的機(jī)械壓力和血流動(dòng)力學(xué)改變

我們?cè)诮馄史逝执笫髸r(shí)發(fā)現(xiàn),腹部脂肪和腎周脂肪明顯增加,脂肪組織對(duì)腎臟的壓迫可直接影響腎臟的血流動(dòng)力學(xué)。此外,肥胖個(gè)體因?yàn)閱挝惑w積內(nèi)毛細(xì)血管分布減少,容易導(dǎo)致組織缺氧,而足細(xì)胞缺氧是腎臟疾病發(fā)生發(fā)展的重要機(jī)制之一,也是慢性腎病進(jìn)展至終末期腎衰竭的共同最后通路。BKCa通道是最早被發(fā)現(xiàn)的能被低氧抑制的離子通道之一[16],有報(bào)道低氧環(huán)境下足細(xì)胞上BKCa通道明顯受抑制,電流的激活曲線向負(fù)極化方向移動(dòng),說(shuō)明BKCa通道的動(dòng)力學(xué)改變參與慢性缺氧的損傷過(guò)程[14,32,34]。

3.2 BKCa通道與肥胖伴發(fā)的代謝異常

肥胖是高血糖、高血壓、血脂異常等代謝綜合征各組分發(fā)病的共同土壤,而這些組分都可以導(dǎo)致BKCa的改變,造成腎臟損害。

高血糖狀態(tài)可引起血管平滑肌細(xì)胞張力發(fā)生改變,胞膜上分布的BKCa通道是參與血管舒縮的主要離子通道之一[28,35-36]。血糖升高時(shí),BKCa通道開(kāi)放概率減少,電壓依從性和鈣離子依從性受損,而且其電流密度及β1亞基的表達(dá)顯著降低,導(dǎo)致動(dòng)脈血管收縮增強(qiáng),舒張減弱,有作者認(rèn)為與泛素化調(diào)控密切相關(guān)[28,31]。還有觀點(diǎn)認(rèn)為,糖尿病早期由于一氧化氮減少,BKCa通道被激活起代償作用,但后期血管環(huán)降低了對(duì)舒血管物質(zhì)的敏感性,而對(duì)縮血管物質(zhì)敏感性增強(qiáng),分析與BKCa通道電導(dǎo)性降低及關(guān)閉時(shí)間縮短有關(guān)。最直接的證據(jù)是,與對(duì)照組比較,糖尿病組大鼠BKCa通道β1亞單位表達(dá)減少,24小時(shí)尿蛋白、血尿素氮、血肌酐、腎臟指數(shù)和腎臟病理變化明顯,說(shuō)明在2型糖尿病BKCa通道降低并出現(xiàn)腎臟病變[35]。

BKCa通道是調(diào)控血管緊張度并影響血管舒縮的主要離子通道,但不同發(fā)生機(jī)制的高血壓對(duì)BKCa影響不同。BKCa通道β1亞單位在血管緊張素誘導(dǎo)的高血壓大鼠腸系膜動(dòng)脈的表達(dá)下調(diào),對(duì)鈣離子敏感性降低,而在自發(fā)性高血壓大鼠則表達(dá)升高或不變[38-41]。體外實(shí)驗(yàn)中也觀察到,血管緊張素Ⅱ可明顯抑制足細(xì)胞BKCa通道的電流,引起足細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激增加,導(dǎo)致足細(xì)胞的凋亡,同時(shí)當(dāng)BKCa通道被抑制后,血管平滑肌細(xì)胞的膜電位去極化,引起血管收縮,腎臟血流灌注不足,造成腎損傷[14,35]。腎動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞中,BKCa通道和血管緊張素Ⅱ受體在細(xì)胞周邊共定位表達(dá),而血管緊張素Ⅱ受體拮抗劑可緩解BKCa電流減少[25,42]。因此,腎小球作為一團(tuán)特殊的小動(dòng)脈,BKCa通道介導(dǎo)的血管壓力調(diào)節(jié)將對(duì)腎小球產(chǎn)生直接的影響。

我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn),肥胖大鼠和肥胖患者都存在血脂異常。有實(shí)驗(yàn)報(bào)道高膽固醇血癥可使豬冠狀動(dòng)脈血管平滑肌細(xì)胞BKCa通道的功能降低,此外,高膽固醇血癥還能減弱人前臂血循環(huán)中BKCa通道的功能[26,43-45]。BKCa通道在肥胖小鼠脂肪組織和膽固醇豐富的脂蛋白上表達(dá),并參與胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,通過(guò)升高細(xì)胞外鈣離子流,促進(jìn)甘油三酯沉積,這也是一種新的肥胖和脂肪沉積的調(diào)節(jié)機(jī)制[32,46]。

此外,在慢性腎損傷實(shí)驗(yàn)中,高尿酸血癥損傷動(dòng)脈平滑肌中BKCa介導(dǎo)的血管舒張[47]。KIM等[13]研究發(fā)現(xiàn),胰島素可使足細(xì)胞BKCa通道表達(dá)增加。故認(rèn)為,高尿酸血癥和高胰島素血癥等都可以直接或間接通過(guò)BKCa通道影響腎臟功能。

4 研究展望

BKCa通道的研究對(duì)疾病的診治有重要的意義。一些合成小分子如NS004和fenamates,以及天然物質(zhì)衍生化合物如DHS-1和maxikdiol,BMS-191011[48],NS11021[20,24]等都是選擇性BKCa通道激活劑,有些鉀通道激活劑如咪諾地爾等,也可調(diào)節(jié)BKCa通道功能[35]。尤其是NS1619可產(chǎn)生濃度依賴性血管舒張,成為肥胖伴發(fā)高血壓治療的藥物靶點(diǎn),藥理學(xué)中對(duì)BKCa通道β亞基的研究,發(fā)現(xiàn)并提供了針對(duì)靶向特定組織的選擇性激動(dòng)劑[20,49-50]。此外,中藥川芎嗪[51]、丹參水溶性成分丹參素、燈盞花的藥用成份燈盞花素,都可激活BKCa通道的舒血管作用[25],將成為有效保護(hù)腎臟的藥物。然而開(kāi)發(fā)高生物利用度的BKCa通道激活劑仍有一些困難,如化合物活性低、對(duì)BKCa通道選擇性低、結(jié)構(gòu)類型有限等。盡管如此,BKCa還是為闡述肥胖導(dǎo)致腎臟損害的機(jī)制及其治療打開(kāi)一條門徑。