The Effects of Extracellular Potassium Concentrations on Vascular Tone and the Possible Mechanisms<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

刘丽萍 综述
王  刚 审校
解放军总医院心血管外科暨全军心脏外科研究所 麻醉研究室 100853
Li-Ping Liu, and Gang Wang, MD
Department of Anesthesiology, Institute of Cardiac Surgery, General Hospital of PLA , Beijing 100853

ABSTRACT

A small increase in extracellular K⁺ acts as a  local, physiological regular factor of blood flow, which dilates certain vascular beds by the activation of Na⁺/K⁺-ATPases and/or inwardly-rectifying K⁺ channels (KIR).Recently, some isomers of Na⁺/K⁺-ATP have been found with the development of molecular biological technology. The conception of “Potassium clouds ”offers an important insight in comprehension of vascular reaction in the presence of some vasoconstrictiors.
　Key words: Potassium; Na⁺/K⁺-ATPases; KIR ；Potassium clouds
　Corresponding author: Gang Wang, MD;  Tel: 010-66937411

细胞外钾浓度升高在临床上较为常见，其引起的血管扩张作用也有很多报道。目前认为其作用是通过Na⁺/K⁺-ATP酶和/或内向整流钾通道（KIR）的位置，电生理学研究发现在使用血管收缩剂时血管壁产生“钾云”现象，这些发现为理解临床使用血管收缩药物时的血管作用提供了新的视角。本文旨在对这些进展做一综述。

　　一、 细胞外钾离子浓度对血管张力的影响
　　1． 钾离子浓度对血管张力的影响
　　健康的心脏和脑具有良好的调节冠状动脉血流和脑血流的能力，其中一个重要的调节因素就是细胞外的钾离子浓度。早在20世纪30年代，Cohen等^[1]就描述了细胞外钾离子浓度的小量增加可以扩张离体的小冠状动脉。Dawes等随后报道了在动脉注射钾后可以引起皮肤和骨骼肌动脉血管床的扩张。Katz等的在体研究则发现钾对血管的影响较为复杂。当钾离子浓度为正常水平的1到1.5倍时，冠脉血流增加，当浓度继续上升到1.5 到2.5倍时，则冠脉血流下降。随后有很多报道进一步证实了钾的扩血管作用，典型的扩血管作用在体外实验钾浓度为1-15毫摩尔或体内实验钾浓度为8毫当量/升以下的范围时发生。而Julio等^[2]将离子交换树脂上吸附不同的药物并贴附于小冠状动脉上，发现含高浓度钾的树脂贴片可以引起冠状动脉明显的收缩。后来又有很多实验发现，体外实验钾浓度达21m mol?L^-1 时通常产生血管收缩作用^[3]。
　　2． 钾离子浓度升高的来源
　　很早就有发现运动可以增加钾离子的浓度（6-8m mol?L^-1）并增加骨骼肌的血流以及神经元释放钾（3m mol.L^-1）并引起脑的主动充血，表明浓度升高的钾离子可能来自各种活性组织，因为钾离子浓度升高可以使血流增加，与活性组织的代谢需要相适应。有活性的心脑血管组织可以释放钾离子进入血流，但是在心肌发生缺血的情况下，产生钾离子的作用会更加明显^[4]。Thomas M 等发现，在病理条件下离体猪的心脏细胞能分泌钾离子，这种升高的离子浓度在局部可以高达16 m mol.L^-1 ，大大超出正常的血浆钾离子浓度范围。研究表明，阻断猪冠状动脉造成缺血后，细胞外钾离子浓度的变化可以超过15 m mol.L^-1，而且浓度升高的钾离子可以引起小冠状动脉扩张。 

二、 影响血管张力的作用机制
　　虽然有研究认为钾离子的扩血管作用与高钾引起的神经递质释放有关，但是目前普遍认为这种作用是浓度升高的细胞外钾对血管直接发生作用产生的。钾离子对血管的直接作用已经得到了深入的研究，Na⁺/K⁺-ATP酶和内向整流钾通道（KIR）的作用也都得到了广泛的肯定^[5]。另外，钾离子是稳定平滑肌细胞膜电位的主要离子，但目前倾向于认为是内皮细胞超极化因子，释放后可以使位于血管平滑肌细胞上的对阿帕明和charybdotoxin敏感的K⁺通道开放^[6]。
　　1.内皮衍生超极化因子（EDHF）
　　80年代中期有人提出存在内皮衍生超级化因子（EDHF），其作用可以被charybdotoxin（chTX）和阿帕明联合使用所抑制，但不能被iberiotoxin加阿帕明抑制。Edwards等^[6]用去内皮小鼠肝动脉研究表明，平滑肌细胞被EDHF和5 m mol•L^-1[K⁺]₀（细胞外K⁺）引起的超级化增强作用可以被barium加喹巴因抑制，说明可能有Na⁺/K⁺-ATP酶和内向整流钾通道（KIR）的参与。另外，使用K⁺ 敏感微电极研究表明，平滑肌细胞与内皮间K⁺ 浓度大约升高6 m mol•L^-1，与脑血管和骨骼肌静脉K⁺ 浓度近似。
Edwards等^[6]研究表明来源于血管内皮细胞的K⁺（在拉伸或局部予以Ach, P物质或缓激肽引起释放）通过内皮细胞Ca²⁺ 敏感K⁺ 通道流出，并可以作为EDHF扩张血管。在20世纪80年代，人们根据各种研究结果推测EDHF可能是内皮衍生的K⁺ 确实是EDHF，而且chTX和阿帕明拮抗EDHF 的作用是通过阻断2种位于血管内皮上的Ca²⁺ 敏感性K⁺ 通道：IKCa和SKCa通道实现的。单通道电生理和分子生物学实验都证明了这种观点, mRNA 和蛋白研究表明这两种通道在内皮细胞上均有表达，而且单通道电流传导和药代特性也可以通过这些细胞记录下来^[7]。另外，使用免疫组化实验还可以证明SKCa 选择性的内皮表达特征。然而，对EDHF的研究主要依赖于电生理实验。当使用更大的器官模型时，K⁺引起的血管扩张不宜观察。同时，内皮中IKCa 和SKCa的存在尚不能完全肯定，而且Na⁺/K⁺-ATP酶的亚型和内向整流钾通道（KIR）的存在也缺乏必要的证据。收缩药物还可以产生“钾云”并对内皮衍生K⁺ 的作用产生影响。因此，目前有一些研究认为11，12-EET等也可以作为EDHF^[8]。
　　2.Na⁺/K⁺-ATP酶
　　Nelson等^[9]发现1－5mmol•L^-1浓度的细胞外钾离子产生的血管扩张可以被Na⁺/K⁺-ATP酶抑制剂Ouabain(1μ mol•L^-1)所抑制，提示由缓激肽引起的、内皮超极化因子介导的牛冠状动脑血管扩张是通过Na⁺/K⁺-ATP酶发挥作用的。Knot等^[3]发现当溶液中的钾浓度增加导5.9－19mmol•L^-1时，可以观察导强烈的血管扩张作用，而且可以被内向整流K⁺通道(KIR)抑制剂Ba²⁺(6μ mol•L^-1)所抑制。对于体循环血管来说，细胞外钾离子浓度升高可以通过刺激Na⁺/K⁺-ATP酶引起短暂的血管扩张。
　　Na⁺/K⁺-ATP酶可以维持血浆/细胞膜的Na⁺/K⁺梯度，在大多数细胞中对静息膜电位起主要作用。因此，在神经元或心肌细胞中，动作电位时通过去极化刺激使Na⁺经电压敏感Na⁺通道内流引起的，而动作电位终止则是K⁺通过电压敏感性K⁺通道实现的。在两次心跳之间，Na⁺/K⁺-ATP酶重建离子梯度。在血管平滑肌上，去极化与电压门控Cl^-通道和Ca²⁺通道有关。收缩来自Ca²⁺内流，而终止收缩由K⁺通过Ca²⁺/或电压敏感K⁺通道内流复极化引起的。虽然Na⁺不通过Na⁺通道内流，但是升高的细胞内Ca²⁺可以刺激Na⁺/Ca²⁺的反向交换，减少细胞内Ca²⁺并同时升高细胞内Na⁺，这一点可以使K⁺保持细胞内外电化学平衡。同时促进Na⁺/Ca⁺交换和Na⁺/K⁺-ATP酶的作用，从而可以降低细胞内Ca²⁺并舒张血管平滑肌。
　　Na⁺/K⁺-ATP酶含有三个不同的亚基：α－亚基使ATP和喹巴因的作用位点；β－亚基可以稳定α－亚基在膜上的位置并调节α－亚基活性；γ－亚基只存在于肾脏，可能也有调节α－亚基的作用。α－亚基具有三种异构体。1型Na⁺/K⁺-ATP酶又称为酶的基本形式，它可以维持Na⁺/K⁺梯度并能够被全面激活，而2、3型Na⁺/K⁺-ATP酶有当细胞外K⁺浓度升高几个mmol•L^-1时才能增加它们的活性^[10]。小鼠1型Na⁺/K⁺-ATP酶对于喹巴因的抑制作用相对不敏感，2、3型比较敏感。这种特性可以用于确定K⁺导致血管扩张时可能参与的Na⁺/K⁺-ATP酶亚型。将溶液中的K⁺全部去除，然后再重新加入就可以通过Na⁺/K⁺-ATP酶重建正常的Na⁺/K⁺梯度并产生超级化作用。此作用完全不受500nmol•L^-1的喹巴因影响。而此浓度的喹巴因足以消除5mmol•L^-1的细胞外钾所产生的小鼠肠系膜动脉的超极化作用，表明2和/或3型Na⁺/K⁺-ATP酶参与了这种超极化的反应。^[11]
　　RT-PCR技术、杂交印记和免疫组化技术都证明在血管平滑肌细胞上有2和3型Na⁺/K⁺-ATP酶的表达。有意义的时，在肠系膜动脉内皮上还发现了α₃-亚基，表明在平滑肌细胞和内皮之间升高的K⁺还可以使内皮细胞超极化，并可以增加内皮细胞外的Ca²⁺内向驱动力，通过开放内皮Ca²⁺敏感K⁺通过增强超极化作用。

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　　⒊ 内向整流K⁺通道（KIR）
　　在小鼠肠动脉和肝动脉中，[K⁺]₀升高到5mmol•L•1引起的K⁺介导的肌细胞超级化只有在喹巴因和30•mol•L•1的barium共同存在时才消失，表明这种机制有内向整流通道和NA⁺/K⁺-ATP酶的共同参与。Mccarron等^[5]通过脑动脉研究表明，当细胞外的钾离子浓度超过5mmol•L•1时可以引起小鼠压力脑动脉持续扩张，并可以被KIR通道抑制Ba²⁺抑制，去除内皮或使用其他类型的钾通道抑制剂对其没有影响。Knot等^[3]研究也证明KIR通道对小鼠冠状动脉和脑血管相当重要。虽然内向整流K⁺通道的作用还没有完全被理解，但可能是细胞外K⁺与通道外部的某些位点结合促进了细胞内阻断位点的释放，从而在生理的模电位下出现更强的K⁺外流^[12]。
　　在K⁺引起的超级化中KIR通道可能包含Kir2.1亚基，因为在缺乏Kir2.1亚基基因的小鼠体内[K⁺]₀升高引起的脑动脉反应消失，而缺少Kir2.2亚基则不影响。RT-PCR和免疫组合化实验也表明在肠动脉内皮细胞上有Kir2.1亚基表达。抗体结合研究表明，在小鼠肠动脉平滑肌细胞肌浆膜内没有检测到Kir2.2蛋白，但这并不能排除含有Kir2.3亚基的通道在K⁺引起的超级化中的作用，因为在小鼠肠动脉内皮细胞和平滑肌细胞中都检测到了特异性的Kir2.3亚基抗体^[13]。
　　⒋[K⁺]₀升高引起的超级化
　　在脑血管中，[K⁺]₀增加产生的超级化主要是由KIR通道引起的^[3]。但原因目前还不十分清楚，可能是脑血管缺乏α₂-亚基和α₃-亚基的2和3型NA⁺/K⁺-ATP酶所致。在循环系统的其他部分，KIR通道和NA⁺/K⁺-ATP酶都可能起重要的作用。在低浓度苯肾上腺素引起收缩的去内皮小鼠肠系膜动脉上，K⁺引起的松弛可以被喹巴因消除，表明没有KIR的参与。相反，在同样的去内皮动脉上，没有苯肾上腺素刺激时，平滑肌对K⁺的反应不能被500nmol•L•1喹巴因独自抑制而需要同时加入30•mol•L•1barium，表明在静息状态时K⁺具有重要作用。当平滑肌细胞出现超级化时，尽管K⁺的浓度变化很明显，但KIR通道的作用会消失。内向整流性Kir2.1通道在接近于EK时发挥作用，而在更高的去极化电位时没有作用，可以解释这个原因。目前认为KIR通道仅仅在膜电位接近于EK时发挥作用。而在去极化条件下，KIR通道没有作用，但是2和3型NA⁺/K⁺-ATP酶可以被K⁺浓度的升高所激活并与膜去极化程度无关 ^[11]。
　　⒌[K⁺]₀升高引起的血管收缩
　　当细胞外钾离子浓度超过21mmol•L•1时，引起血管收缩反应，此作用是通过电压敏感型钙通道实现的^[14]。这样高的钾离子浓度在临床使用停跳液时十分常见。高钾能使平滑肌细胞膜产生除极化，激活慢钙通道。动物试验和临床用冷高钾停跳液灌注冠脉发现，再灌注初期冠脉灌注流量基线值增高，冠脉阻力下降，内皮依赖性舒张作用轻度受损，血管平滑肌收缩反应性下降，这使血管能够维持相对固定的舒张状态。随着再灌注时间的延长，平滑肌对血管收缩物质如内皮素、血栓素、5-HT等反应逐渐恢复，而内皮依赖舒张作用损伤则加剧，表现为冠脉阻力上升，心肌灌注下降，因此高钾停跳液能改变内皮细胞形态，损伤冠脉的内皮依赖性舒张作用。高钾晶体停跳液不仅对内皮有害，而且对血管平滑肌功能也有所影响，可以破坏β-肾上腺素能受体和cAMP介导的肌能性收缩作用，这种变化倾向于引起冠脉痉挛和其他机制的血管功能失调，如微循环无复流。经过缺血或停条跳液麻痹一段时间后，冠脉流量主要由代谢和肌源性机制调节，因为血管平滑肌是内皮细胞介导的反应效应器，停跳液对平滑肌的直接作用不能忽视。长时间停跳时，高钾造成的细胞膜去极化使钙进入平滑肌细胞，使其处于一定程度的收缩状态，并可导致细胞内钙聚集而损伤钙介导的舒缩机制。
　　⒍血管收缩药对K⁺介导的平滑肌细胞超级化的影响
　　[K⁺]₀升高到5mmol•L•1，但是当人们最初发现这些动脉对于同样浓度的钾所产生的舒张作用不同时很困惑，这是因为电生理实验证明的参与超级化的两种通道是在缺乏血管收缩药的情况下得出的。当在1-10•mol•L•1苯肾上腺素存在的情况下进行电生理实验时，研究者发现，K⁺介导的平滑肌细胞超级化作用被减弱或消失^[15]。为了解释K⁺介导的平滑肌细胞超级化的减弱现象，Richards等^[16]提出了收缩药可以引起“钾云”现象的观点。他们认为苯肾上腺素导致的超级化和细胞内钙的升高可以激动大导电性钙敏感的K⁺通道（BK Ca）开放。K⁺通过此通道在细胞外聚集，由于饱和了NA⁺/K⁺-ATP酶和KIR通道，所以表现为此两种机制对[K⁺]₀的进一步升高不敏感。Dora等则认为收缩药引起的细胞外K⁺的积聚可能会抑制NA⁺/K⁺-ATP酶^[17]。但是，此时使用低剂量的喹巴因可以增强去极化作用则否定了这种假设，表明2和3型NA⁺/K⁺-ATP酶没有被完全抑制。
　　支持钾云存在的药理学证据有很多。在无内皮的小鼠肠系膜动脉上，5mmol•L•1的KCL所引起的超级化在苯肾上腺素的浓度为10•mol•L•1是完全消失。然而，在苯肾上腺素BKCa和抑制剂存iberiotoxin存在时，在非KCL刺激条件下也可以观察到类似的超级化强度，此现象再一次反映了K⁺可以有力地诱导扩张苯肾和iberiotoxin所引起的血管收缩^[11]。
　　使用KATP通道开放剂levcromakalim也可以产生钾云。在静息血管上，levcr-omakalim的存在可以减少K⁺介导的平滑肌细胞超级化可能因为减少了平滑肌细胞的抵抗力，但这不能完全解释测得的K⁺介导的平滑肌细胞超级化减少程度^[11]。
　　“钾云”的意义至少有两点：在体外实验中，用于研究血管扩张的经典的器官溶液技术可能会产生“钾云”，并干扰血管内通道、泵和转运蛋白之间精细的相互作用；在临床实践上，“钾云”的概念为某些疾病如血管痉挛性心绞痛时血管内细胞间可能的离子环境提供了一个重要的观点。

三．结语
　　细胞外钾离子浓度升高引起血管扩张和现象已经被研究了很长时间，目前人们已经知道，钾离子从活性细胞释放并组成了一个精细而重要的血流调节机制。研究表明对于血管来说，两种钙敏感性钾通道是钾离子的主要来源，他们主要位于血管内皮细胞上。位于血管内皮细胞的2和3型NA⁺/K⁺-ATP酶的作用在钾浓度升高时作用加强，而在平滑肌细胞上表达的KIR通道和NA⁺/K⁺-ATP酶扩血管作用的平衡，甚至可能使这两种作用丧失。另外，内皮钙敏感性钾通道是一个重要的的作用位点，以此为靶点有可能开发出一类新型的调节钾通道的治疗药物。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

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　　刘丽萍，女，1976年生，军医进修学院在读硕士研究生。主治医师。E-mial: liping_liu@hotmail.com