ATP敏感性钾通道在药理预适应心肌保护中的作用研究进展

来源： 2010-08-24 09:07:47

罗友军董振明<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

1 概述
　　1.1 KATP-C的种类和结构1983年，日本学者Noma应用膜片钳技术在豚鼠心室肌细胞上证实KATPC的存在。随后的研究发现哺乳动物心肌有两种不同的KATPC：一种通常位于细胞膜上(sarcolemmal KATPC，sarc-KATPC或surface KATP channels)；另一种分布于线粒体内膜(mitochondrial KATPC，mito-KATPC)。KATPC在心脏、血管平滑肌、胰腺、神经细胞、肾上腺皮质细胞等组织器官上均有分布。(1)sarc-KATPC的分子结构：目前sarc-KATPC的分子结构研究较清楚，它是由内向整流钾通道(Kir)和ABC蛋白(ATP-binding casstte proteins，简称ABC蛋白)组成的复合体。1993年克隆出许多K+通道。Kir家族中(Kir6.x)中有Kir6.1-6共6个亚型。ABC蛋白之一的磺酰脲受体(SUR)为KATPC的调节体，于1995年克隆成功，由1582个氨基酸组成，分子量177KD。其亚型有SUR1、SUR2A、SUR2B等。心肌细胞由Kir6.2与SUR2A，血管平滑肌由Kir6.1与Sur2B构成各自的sarc-KATPC。(2)mito-KATPC的分子结构：1991年Inoue等首次证实mito-KATPC位于线粒体内膜^[1]。，随后大量研究从不同角度证实mito-KATPC的存在，但其分子结构仍不清楚，通过药理学对照研究推测mito-KATPC分子结构与Kir6.1/SUR1相似^[2]。

　　1.2 KATPC的生理学特性KATPC在哺乳动物心脏的密度很高，而且在研究过的心肌细胞上发现KATPC表现几乎一致的电生理特性，提示其在进化过程中的保守性，并可能有重要的生理功能。生理条件下心肌KATPC处于关闭状态。其主要特征：(1)通道的动力学特征依赖于K+膜外的电势。对K+的通透有很高的选择性。(2)通道的活性受细胞内核苷酸的调节，细胞内ATP对KATPC起双向调节作用。当心肌发生缺血、能量消耗ATP低于0.2nmol/L时，KATPC开放，K+外流增加，加速复极，动作电位平台期缩短，电压依赖型Ca2+通道活性下降，Ca2+内流减少，心肌收缩力减弱。当心肌和血管平滑肌游离膜片暴露于完全缺乏ATP的溶液中，KATPC自发开放，达颠峰后自发失活。在Mg2+存在下ATP可使这些游离膜片KATPC重新恢复。

2 KATPC和PPC
　　一般认为，mito-KATPC在抗心梗作用、sarc-KATPC在心功能的恢复中起主要作用。PPC可提供一种更安全的保护方式，尤其对于存在病态的心肌。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

　2.1 内源性物质或其类似物和PPC 内源性物质或其类似物(腺苷、缓激肽、降钙素基因相关肽等)可诱导IPC效应。腺苷A1通过作用腺苷A1受体由蛋白激酶C(PKC)信号转导使mito-KATPC开放，产生抗心梗作用^[3]。Sato等^[4]的实验认为腺苷受体依赖PKC激活mito-KATPC。Gaudette等^[5]认为PKC和KATPC是心肌保护中必需且相互依赖的关系。B型脲钠肽(B-type natriuretic peptide，BNP)预处理离体鼠心肌产生抗心梗作用与mito-KATPC而不是sarc-KATPC有关，因为这种保护只被5-HD而不被HMR-1098取消^[6]。而强啡肽和Met-enkephalin分别作用于δ和κ受体，通过sarc-KATPC和mito-KATPC共同限制心肌细胞死亡，产生心肌保护作用^[7]。

　　2.2 KATPC开放剂(potassium channel openers，PCOs)与PPC PCOs直接开放KATPC，是当前人们最感兴趣的研究热点。二氮嗪是特异性的mito-KATPC开放剂；P-1075为特异性的sarc-KATPC开放剂；HMR-1098为特异性的sarc-KATPC阻滞剂；尼可地尔、吡那地尔为非特异性PCOs；阿里卡林(aprikalim)、MCC-134(新合成的阿里卡林类似物)，开放sarc-KATPC并阻滞mito-KATPC；5-HD为特异的mito-KATPC阻滞剂；格列本脲（glibenclamide）为非特异性KATPC阻滞剂。大多数实验证实KATPC的心肌保护作用，但不同KATPC开放剂产生的心肌保护作用亦有区别。

　分别用克罗卡林、尼可地尔和二氮嗪预处理在体狗心肌产生心肌保护作用，并证实mito-KATPC及sarc-KATPC在PPC狗心缩小心梗面积中各自独立地起重要作用^[8]。吡那地尔缩短离体鼠心灌注模型缺血前及缺血期间ARI(动作电位恢复时间)，二氮嗪不影响ARI，但加快缺血诱导的ARI缩短。二者均使左心室梗死面积缩小。HMR-1098明显取消吡那地尔、二氮嗪、IPC诱导的ARI缩短，并部分阻滞吡那地尔、二氮嗪的心梗面积缩小，不影响IPC的保护作用，5-HD不影响ARI而完全取消吡那地尔、二氮嗪的心梗面积缩小。说明两种通道共同参与吡那地尔、二氮嗪的抗心梗作用[9]。尼可地尔和IPC同样改善供体心脏(鼠心)的保护。KATPC开放剂和IPC减小SD大鼠心脏复苏后心功能紊乱的严重程度。还有实验证实尼可地尔预处理保护作用是由两种通道共同参与而非NO和OFR(自由基)激活PKC介导的。因为应用N-2-mercaptopropionglglycine(自由基清除剂)以及Calphotin C(PKC-ε抑制剂)不取消尼可地尔的抗心梗作用^[10]。
2.3 麻醉药与PPC 大多数的研究证实吸入麻醉药PPC可产生心肌保护作用。对鼠心室肌的线粒体和其内膜片段融入脂质双层的研究发现：异氟醚直接激动mito-KATPC，增加mito-KATPC累积开放概率，使ATP对mito-KATPC半数抑制浓度增加^[11]。异氟醚预适应诱导离体兔心延迟抗心梗作用。异氟醚、七氟醚开放mito-KATPC诱导离体豚鼠黄素蛋白氧化(mito-KATPC激活的高度特异性指标)。Han等^[12]证实三氟乙酸(TFA，异氟醚的代谢产物)浓度依赖性升高兔心室肌膜片KATPC的活性，升高KATPC开放数目，不影响单个KATPC的电导，延长开放持续时间、缩短开放间歇期，TFA降低KATPC对ATP浓度的反应关系，认为异氟醚诱导的心肌预适应由TFA调节KATPC实现。以左心室舒张压、肌酸激酶等指标观察异氟醚预处理的离体鼠心，则认为异氟醚不能诱导鼠的心肌保护作用^[13]。静脉麻醉药异丙酚和戊巴比妥的心肌保护作用不依赖黄素蛋白氧化并潜在抑制吸入麻醉药的心肌保护作用^[14]。氯胺酮/塞拉嗪麻醉不影响吡那地尔的抗心梗作用，而戊巴比妥麻醉则影响。氟烷麻醉的兔不影响尼可地尔但增强IPC诱导的抗心梗作用^[15]。应用膜片钳技术证实氯胺酮通过抑制sarc-KATPC或mito-KATPC抑制缺氧预适应、二氮嗪、吡那地尔预适应的心肌保护^[16]。

3 PPC作用机制
　　3.1 K_ATPC将细胞代谢和细胞电机械活动耦联，K_ATPC开放增强缺血/缺氧期耐受，快速复原再灌/复氧期细胞能量状态。Korge等^[17]在用游离线粒体制作的I/R模型上发现，心肌保护中起二氮嗪激活mito-K_ATPC模拟IPC效应，是通过保护线粒体使之度过I/R期间的紧急易损阶段。二氮嗪通过阻滞线粒体通透性转移(mitochondrial permeability transition，MPT)和膜间细胞色素C丢失而强有力地降低线粒体损伤，这两种作用可被5-HD阻断。二氮嗪激活mito-K_ATPC有利地调节线粒体膜电位(mitochondrial membrane potential，Deltapsi (m)，Deltapsi(m)最终恢复对心功能的恢复是必需的，二氮嗪通过抑制Ca²⁺摄取驱动力进而阻滞MPT。通过分析核磁共振快速扫描Na23和P31标记的离体鼠心波谱，研究在I/R期间K_ATPC激活对心肌细胞阳离子和能量状态的作用。尼可地尔减弱ATP消耗及细胞内钠离子堆积，延迟缺血期间酸中毒，防止缺血期间心肌缺血性挛缩，5-HD可取消这种作用。在相同条件下，吡那地尔不改变缺血期Na⁺(i)堆积、ATP消耗和pH值。吡那地尔和尼可地尔明显改善缺血后心功能恢复，大幅度改善Na⁺(i)内流、蛋白分解代谢率(PCr)和ATP恢复的速度和程度。Na⁺(i)内流和再灌注PCr恢复存在因果关系。吡那地尔使再灌注期Ca²⁺摄取减少2倍。尽管K_ATPC诱导代谢改变是多样的。减弱缺血期酸中毒、细胞能量耗竭、Na⁺(i)堆积不是PPC的心肌保护必需的。改善再灌注期细胞能量状态、加快再灌注期Na⁺(i)复原、减少Ca²⁺摄取(快速Na⁺(i)内流的恢复与减少Ca²⁺摄取存在潜在的因果关系)在PPC心肌保护中起重要作用。因此，再灌注期的心肌细胞的迅速修复能力比保护缺血期阳离子和细胞能量状态更为重要^[18]。

　　用牛心室肌细胞的mito-K^ATPC重建平面脂双层，检测超氧化物(superoxide(O2-))对重建通道激活发现，二氮嗪提高通道开放活性，HMR-1098不抑制mito-K^ATPC，5-HD可浓度依赖性地降低通道开放概率^[19]。最近也有研究认为，线粒体存在独立于KATPC的二氮嗪、吡那地尔、5-HD的靶位，PPC与部分抑制呼吸链复合体有关。Hanley等^[20]从猪心脏分离并制成亚线粒体颗粒，发现10～100μmol/L的二氮嗪剂量依赖地降低琥珀酸盐的氧化，不影响NADH氧化；吡那地尔不抑制琥珀酸盐的氧化，而选择性抑制NADH氧化；二氮嗪和吡那地尔的这种直接抑制作用，不能用mito-K^ATPC解释。另外在分离的豚鼠心室肌细胞，二氮嗪和吡那地尔都不降低线粒体膜电位。通过高压液相色谱法和电子喷射质谱测量分析法发现：5-HD和CoA在酰基CoA合成酶(线粒体内、外膜和基质中的一种酶)催化生成5-HD-CoA，5-HD-CoA可作为酰基CoA脱氢酶(β-氧化)的底物或抑制该酶。

　　3.2 抑制钙超载用微速摄影共聚焦显微镜检测成年兔心室肌细胞I/R模型中ρ-2荧光(线粒体基质中Ca²⁺浓度的指标)。ρ-2荧光在缺血期增强，而且在再灌期更强。二氮嗪削弱I/R期间Ca²⁺的积累，这种作用可被5-HD阻断。环孢素A(线粒体通透转移抑制剂)和米酵菌酸(腺嘌呤核苷转位酶抑制剂，抑制ATP-ADP交换输送)二者都能抑制线粒体膜通透性转运(MPT)但不能改变缺血期Ca²⁺积累，可明显抑制Ca²⁺在再灌期的升高。因此推测：MPT只在再灌期Ca²⁺积累起作用。Mito-K_ATPC开放促进线粒体膜部分除极进而抑制I/R期Ca²⁺摄取，防止超载^[21]。成纤维细胞生长因子预处理保护肌酸激酶活性抑制再灌注Ca²⁺超载，这种抗缺血再灌注损伤作用与KATPC有关^[22]。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

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