ik1通道与心律失常

ik1通道与心律失常

抗心力衰竭药物通常是各种离子通道的阻滞剂，其主要目标是形成一个重要的离子通道，这对心肌的运动轨迹形成有重要贡献。心肌内向整流钾通道(IK1通道)是维持和稳定心肌静息电位最重要的离子通道,也参与动作电位的形成,因此干预IK1通道,对心肌的兴奋性和心律失常的发生将产生重要影响。但目前还没有用于临床的主要以IK1通道为靶点的药物。IK1通道在心律失常的发生中究竟具有怎样的作用,以及如何调制IK1通道以达到预防和治疗心律失常的效果,一直是有争议的问题。本文将就上述问题,以及IK1通道的功能特征、整流机制、分子构成和调节机制等方面的研究进展做一综述。1ik1通道的作用机制生理状态下,心肌的内向整流钾通道主要有两种,一是IK1通道,也称为经典的内向整流钾通道,它广泛分布于哺乳动物心室肌、心房肌和浦肯野纤维,但不包括窦房结和房室结;二是乙酰胆碱激活的钾通道(IK,ACh通道),主要在心房肌和窦房结表达。本文只限于讨论IK1通道。IK1通道最重要的特征是它的强内向整流特性,这与其对静息电位和动作电位的贡献紧密相关。这种强内向整流表现为从钾平衡电位(EK)超极化的内向电导(电流曲线的斜率)很大,而去极化时外向电导减小,有如电子二极管的效应,并出现一个特征性的负斜率电导区。由于在生理状态下膜电位始终处于较EK更正的范围,因此IK1通道始终是以外向电流发挥作用。在静息电位附近,IK1通道对静息膜电导的贡献要远大于其它离子通道,钳制膜电位始终接近EK,这对心肌静息电位的维持和稳定至关重要。由于IK1通道的内向整流和负斜率电导区的出现,它在平台期的电导很小,对动作电位平台期的作用也很小。在复极期(3期),随着膜电位复极,IK1电导也随之增大,并主要参与复极期终末时相的复极过程。IK1通道的内向整流作用并不像电压门控HERG钾通道那样是通道自身的门控过程,而是由于胞内多胺和Mg2+在膜去极化过程中对孔道的堵塞作用形成的。最初的研究显示是Mg2+电压依赖性地阻断了孔道,但随后的研究显示,在细胞内无Mg2+条件下某些通道依然显示明显的内向整流。IK1通道被分子克隆以后,利用异源表达的IK1通道(Kir2.1、Kir2.2和Kir2.3通道)的研究结果证明,这种特征性的整流作用主要是由胞浆内多胺对外向IK1电流阻断造成的。多胺包括精胺、精咪和腐胺,其中4价的精胺和3价的精咪对孔道的阻断作用远大于2价的腐胺和Mg2+。对编码Kir2.1通道基因突变的研究提示,位于Kir2.1第二跨膜段上的3个带负电的氨基酸残基D172、E224和E299与多胺和Mg2+的阻断作用关系密切。利用基因突变和X线晶体影像结合的研究,进一步揭示了位于胞浆侧通道孔区与整流作用密切相关的氨基酸残基还包括D255和D259。IK1通道的另一特征是其整流特性对细胞外K+浓度([K+]o)的高度依赖性。[K+]o升高使K+电流增大,EK减小,I-V曲线沿电压轴向右平移,产生跨交(crossover)现象,其结果是当[K+]o升高时,外向电流不减小反而增大。高钾使IK1电流增大的作用是由于通道对K+的通透性增加,即单通道电导增加引起的。细胞外Cs+和Ba2+可选择性阻断IK1通道,在电压钳实验中常用作从其它离子电流中分离IK1电流的工具药,也用于表达通道或亚单位的认定。2种属和不同组织部位的心肌组织ik1的表达构成心肌IK1通道的亚单位主要来自Kir2亚家族(Kir2.x)中的Kir2.1,Kir2.2和Kir2.3,编码它们的基因分别是KCNJ2、KCNJ12和KCNJ4,各亚型的序列之间有60%以上的同源性,由它们构成有功能的同源及/或异源四聚体通道。每个亚单位仅有两个跨膜段,即M1和M2,两者之间的链接片段称为P环(孔环),四个亚单位的P环共同构成孔道的外口和内衬。每个P环上都含有决定钾通道离子选择性的GYG/GFG片段,构成通道的选择性滤器,该部位的突变将导致离子选择性乃至通道功能的丧失。每个亚单位的N端和C端在细胞内共同形成一个内前庭,将孔道延续至细胞内。不同种属和不同部位的心肌组织,其亚单位的构成是不同的。在人和兔的心室,以Kir2.1和Kir2.2表达为主;在人和羊的心房,则以Kir2.3为主。尽管三种Kir2亚型有很高的同源性,但各自的生物学特性不同。在整流特性方面,Kir2.1和Kir2.2外向电流峰值分别位于-68mV和-74mV,整流完全(-30mV处电流接近于零),呈现明显的负斜率电导;Kir2.3的外向电流峰值则向去极化方向移至-55mV,且整流不完全,不出现明显的负斜率电导。在对pH的敏感性方面,Kir2.1不敏感,Kir2.3则可被酸性细胞外液所抑制。不同种属或不同组织部位的IK1特性,有赖于Kir2.x同源四聚体或异源四聚体的亚基组成,并进而影响到它们各自对动作电位形状的贡献。例如,在羊心室肌,Kir2.x表达的亚型主要是Kir2.1和Kir2.3,其IK1电流具有Kir2.1的整流特性,但可被酸性细胞外液所抑制;将Kir2.1和Kir2.3的基因共转染入HEK293细胞,表达的IK1电流与上述在羊心室肌细胞记录的IK1电流具有相同的整流特性和酸敏感性。这表明,两种亚型的通道基因无论是在异源表达系统,还是在羊的心室肌都是以异源多聚体的形式表达的,其整流特性来自Kir2.1,而酸敏感性来自Kir2.3。比较羊心室肌和心房肌IK1的I-V曲线还可以看出,它们分别与异源表达的Kir2.1和Kir2.3通道非常相似。进一步分析它们的mRNA和蛋白表达水平,结果显示羊心室肌与心房肌Kir2.3mRNA的表达水平相似,但Kir2.1mRNA在心房肌的表达只有心室肌的1/10;心室肌Kir2.1和Kir2.3蛋白都有相当量的表达,而心房肌则以Kir2.3蛋白表达为主。可见羊心室肌和心房肌IK1I-V曲线(整流特性)的差异,是源于Kir.2.1和Kir2.3表达水平的差异,而从I-V曲线的差异又可推断,心室肌IK1电流主要是参与动作电位末期的复极过程,心房肌的IK1不仅参与末期复极,还对动作电位平台期有作用。3pkc对kir2.1信号抑制作用有多种磷酸化途径作用于Kir2.x的不同亚型而对IK1通道产生不同的效应。蛋白激酶A(PKA)对Kir2.2具有激动作用,肾上腺素能β3受体增强IK1电流的机制之一就是经PKA激动Kir2.2;PKA对Kir2.1的作用则有增强和抑制两种不同的报道。蛋白激酶C(PKC)对Kir2.1的调节是正性的,肾上腺素能β3受体增强IK1电流的另一机制就是经PKC激动Kir2.1;PKC对Kir2.2和Kir2.3都具有抑制作用,内皮素A受体就是经PKC抑制Kir2.2和Kir2.3而显示其对IK1电流的抑制作用,肾上腺素能α1A受体对Kir2.3的抑制作用也是PKC依赖性的。磷脂酰肌醇二磷酸盐(PIP2)可以直接激活Kir2.x通道。PIP2分子带负电的头部可以和通道胞浆区N端和C端带正电荷的氨基酸残基相互作用,引起通道整个孔区(包括由N端和C端形成的胞浆孔区和由M2跨膜段和选择性滤器形成的跨膜孔区)的构象改变,使通道进入激活状态。近期的研究证明,PIP2对维持Kir2.1通道处于可利用的激活状态是必要的。其它调节因子则可通过影响PIP2与通道的结合区,间接改变通道活性。例如,H+对Kir2.3的调节作用就是通过PIP2介导的;雌激素受体拮抗剂他莫昔芬和雷洛昔芬对IK1电流的抑制作用,是由于它们干扰了PIP2与构成IK1的各亚单位(Kir2.1、Kir2.2和Kir2.3)相互作用的结果。4ik1通道对基因表达的调节作用一系列基因敲除和基因修饰的实验研究表明,IK1通道在决定心肌兴奋性和心律失常发生中具有重要作用。在敲除Kir2.1基因的新生小鼠,心室肌细胞自发性电活动增加,动作电位增宽,但体表心电图没有心律失常发生;在表达负显性Kir2.1亚单位的转基因成年小鼠(其IK1被抑制95%),也同样观察到心室肌动作电位时程延长及心电图QRS波增宽和QT延长。Miake等将功能缺失的Kir2.1-AAA(钾通道孔区关键性序列GYG被AAA取代)亚单位经腺病毒转染入在体豚鼠心肌细胞,使心肌IK1电流减小50%~90%,导致动作电位增宽,静息电位减小(去极化),1/3的心肌细胞出现起搏活性;此外,40%转染Kir2.1-AAA豚鼠的心电图出现室性早搏。相应地,在Kir2.1过表达的豚鼠心肌细胞,外向IK1电流增大100%以上,出现动作电位时程缩短和静息电位增大(超极化),首次实验证实了IK1通道密度对静息电位水平的调节作用。在Kir2.1亚单位表达上调的转基因小鼠,可出现更显著的动作电位缩短及各种房性和室性心律失常。Noujaim等在Kir2.1表达上调转基因小鼠的离体灌流心脏,诱发了频率更高和持续时间更长的室速和室颤,10μmol/LBa2+(IK1阻断剂)可使其终止;Warren等在离体灌流的豚鼠心脏上的研究结果显示,3~50μmol/LBa2+可浓度依赖性地抑制乃至终止快速起搏诱发的室颤。以上这些研究表明,IK1通道在建立和维持快速稳定的折返活动中具有重要作用。直接由Kir2.1通道异常引发的心律失常,主要见于通道基因突变导致功能缺失的AndersenTawil综合征(ATS)和功能增强的3型短QT综合征(SQT3)。ATS是编码Kir2.1通道的KCNJ2基因突变引起的常染色体显性疾病,目前发现至少33个突变位点。突变体通道功能缺失或产生负显性抑制效应,使IK1电流减弱。ATS综合征的临床表现有心电图QT延长,室性心律失常,骨骼肌周期性麻痹和形体发育异常等。IK1电流减弱导致的心室肌兴奋性改变和复极延长,被认为是发生心律失常的原因。利用重组动作电位数模的进一步分析表明,随着IK1电导的逐步减小,静息电位负值逐渐减小,动作电位复极末期逐渐延长,进而出现早后除极和异常的自律活动。与ATS不同的是,SQT3是KCNJ2基因功能增强型突变引起的,突变发生在涉及Kir2.1内向整流作用的关键位点(D172N),使整流作用减弱,外向IK1电流增大。表现为经常发作的房颤和心源性晕厥。很多疾病和病理状态下发生的心律失常和IK1的功能降低有关。心衰患者中有一半伴有多种形态的心律失常,并经常由此发生猝死。大多数临床和动物实验的研究证明,IK1的减弱是心衰时心律失常发生的重要机制。心肌缺血和心肌梗死时发生的心律失常也与IK1的下降有关。有实验证明,大鼠慢性动物心肌梗死模型的心肌IK1减小20%;狗心肌缺血区心内膜下浦肯野纤维静息电位减小,也是由于IK1减小造成的。在人心肌细胞的研究证明,内皮素可显著抑制IK1,此作用是内皮素致心律失常的重要机制。相反,在某些场合,心律失常的发生可能涉及IK1上调,如慢性心房纤颤。5抗室性心律失常药物IK1通道参与心肌动作电位复极末期的复极过程,阻断后可使动作电位延长,具有III类抗心律失常药物相似的作用。上述小鼠和豚鼠离体心脏的实验研究也显示,低浓度Ba2+作为实验用IK1选择性阻断剂,可阻止室颤的发生和持续。因此,阻断IK1理应具有抗心律失常的作用。早期曾经报道过一个IK1通道特异性阻断剂RP58866,在大鼠、兔和猴的离体灌流心脏均能减轻缺血性心律失常,但随后的研究证明它对Ito、IKr和IKs均有抑制作用。最近有研究证实,葛根素对IK1通道有抑制作用,并认为这是它抗乌头碱诱发心律失常的机制。但葛根素的作用很复杂,作者在研究中并没有排除它对钠通道和钙通道的抑制作用。氯喹作为一个广泛使用的抗疟药,近年来关于它对IK1的强力阻断作用倍受关注。Noujaim等利用离体灌流心脏实验证明,10µmol/L氯喹对小鼠、兔和羊三种动物源于不同方法诱发的室颤/房颤都有显著抑制作用。尽管10µmol/L氯喹对IK1的抑制率高达96%,但同时对IKr、INa和ICa-L的抑制也分别达70%、45%和32%,因此这种抗纤颤作用应是多种通道被联合阻断的结果。至今,还没有IK1特异性阻断剂用于临床治疗心律失常的报道,其原因是多方面的,其中安全性是首先要考虑的因素。就氯喹而言,其在抗疟治疗中的有效血清浓度仅为1~5µmol/L,而且安全剂量范围很窄,在有效治疗浓度时即可引起QRS和QT间期延长,稍大的浓度可引发室性异位节律和致命性心律失常,研究证明,这些副作用主要是由于氯喹对IK1通道的抑制引起的。来自狗和兔非缺血性心衰模型的实验研究也表明,IK1电流幅度的减小是增加心律失常易感性的重要原因。这是因为正常的IK1可缓冲静息电位波动,防止舒张期小的去极化电流引起的异常动作电位;抑制IK1通道将降低膜电导,使膜电位不稳定,易导致延迟后除极及触发活动发生;IK1减小还将使静息电位负值减小(去极化),增加钠通道的失活概率,从而降低兴奋传导速度,有利于折返发生。IK1通道阻断剂应用困难的另一个原因是它分布广泛,除心肌组织外,IK1通道还对许多组织兴奋性的调节有重要作用,包括神经、平滑肌、肾脏等组织。因此,全面阻断IK1通道存在着许多潜在的风险。Dhamoon等因而提出,不全面抑制IK1,而是选择性调制IK1外向电流。例如,利用转基因技术使心肌细胞多胺合成酶过表达,提高胞内多胺浓度,增强内向整流作用,以改变外向IK1电流的电压依赖性,并筛选调制IK1的最佳模式。氯喹阻断IK1的方式就表现为对内向整流作用的加强,深入研究氯喹作用的分子机制,也将有助于研发特异阻断内向整流作用的药物,特别是具有心脏选择性的阻断剂,并预期它对3型短QT综合征和慢性心房纤颤等由IK1功能增强引起的、或伴有明显IK1增强的疾病可能是有益的。不过鉴于阻断IK1可能出现的诸多潜在风险,特异性IK1阻断剂的应用前景堪忧。另一个相反的思路是适度激动IK1通道以达到抗心律失常的目的。事实上,第一个具有抗心律失常效应的钾通道激动剂是ATP敏感钾通道(IKATP)开放剂,它通过增加静息电位负值稳定膜电位,并通过缩短动作电位时程减少缺血心肌的能耗来减少某些类型的心律失常。但动作电位时程缩短及相应的不应期缩短又是致心律失常的。因此Lopatin等首先提出,理想的抗室性心律失常药物应该是激活IK1通道的药物。支持这一设想的理由是:(1)如上所述,在许多疾病和病理状态下,心律失常的发生是与IK1通道功能下降相关的;(2)使静息电位负值增大,反转病理因素导致的膜去极化,降低细胞的兴奋性,同时增加钠通道的可利用度,提高心肌的传导性;(3)增大心肌静息膜电导,减小膜电流变化引起的膜电位波动,增加膜的电稳定性;(4)缩短动作电位时程(APD),有助于消除早后除极(EAD)和由此引起的触发性心律失常。最近Wang等报道,给予黄连素两周,可使2型糖尿病合并心肌梗死大鼠发生去极化的心室肌细胞静息电位恢复至接近对照水平,减少了心律失常的发生,其机制与黄连素增强IK1电流密度,增加Kir2.1蛋白的表达相关。这是通过增强IK1恢复静息电位,减轻心律失常发生的首例实验研究。近年来,可增强IK1/Kir2.1的药物不断被发现,如吗啡,一氧化氮,氟卡尼等,但都是非特异的。我们最近报道了一个特异性的IK1通道激动剂扎考比利,可经非受