大電導(dǎo)電壓和鈣依賴性鉀通道在心血管疾病中的研究進(jìn)展

陳彥玲 金基永

(延邊大學(xué)附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，吉林 延吉 133000)

心血管疾病(CVD) 是導(dǎo)致世界上發(fā)病率和死亡率增高的主要原因之一。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計(jì)，2015年，由CVD造成的死亡人數(shù)超過1 770萬，占全球死亡人數(shù)的31%〔1〕。大電導(dǎo)鈣離子激活鉀(BK)通道，是表達(dá)在多種類型細(xì)胞膜和細(xì)胞器膜上的一種離子通道〔2〕。近年來BK通道在心血管系統(tǒng)中的作用得到廣泛的研究〔3～5〕。BK通道結(jié)構(gòu)和功能研究對(duì)其在各種病理生理發(fā)生過程中的作用機(jī)制有著至關(guān)重要的作用。本文對(duì)BK通道在CVD發(fā)展過程中的作用機(jī)制及相關(guān)影響進(jìn)行綜述。

1 BK通道的結(jié)構(gòu)與功能

20世紀(jì)80年代早期，大鉀離子通道，命名為大單通道電導(dǎo)(250～300 ps)〔6〕。在哺乳動(dòng)物中，BK通道被定義為大電導(dǎo)電壓和鈣依賴性鉀通道〔7〕。此通道的最大特點(diǎn)是對(duì)鉀離子具有大的電導(dǎo)作用、對(duì)電壓和鈣離子濃度較高的敏感性及在生物體內(nèi)各種細(xì)胞上廣泛的表達(dá)〔2〕。BK通道是由α亞基與輔助β亞基組成的同源四聚體〔8〕。Kcnma1基因編碼的α亞基是由7個(gè)假定的跨膜結(jié)構(gòu)域(S0-S6)〔9〕、1個(gè)細(xì)胞外N端和1個(gè)帶有鈣離子和其他調(diào)節(jié)分子結(jié)合位點(diǎn)的細(xì)胞質(zhì)C端組成。S0是一個(gè)獨(dú)特的N端跨膜片段，是與β亞基耦聯(lián)的位點(diǎn)〔10〕。S1～S4跨膜片段形成電壓感應(yīng)域，而S5～S6形成孔道〔11〕。大胞質(zhì)C端包含2個(gè)鉀離子電導(dǎo)結(jié)構(gòu)域〔12〕。β亞基有β1～β4 4種亞型〔13〕，而β1亞基主要存在于血管平滑肌細(xì)胞(VSMCs)中〔14〕。β1亞基可延長BK通道開放時(shí)間，增加BK通道敏感性。這些輔助亞基通過修改鈣離子和電壓敏感性來調(diào)整BK通道的生物物理特性。BK通道的變構(gòu)激活主要依賴于細(xì)胞內(nèi)鈣離子升高及膜去極化〔15〕。BK通道在許多生理過程有著至關(guān)重要的作用，包括調(diào)節(jié)血管張力、神經(jīng)元興奮、突觸傳遞和激素分泌〔16,17〕、介導(dǎo)血管平滑肌的遷移能力、參與保護(hù)心臟，減輕心臟缺血-再灌注(IR)損傷〔18〕。

2 BK通道與血管平滑肌的遷移能力

BK通道介導(dǎo)及調(diào)節(jié)VSMCs的遷移，VSMCs從血管中膜到內(nèi)膜的遷移導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化〔19〕。動(dòng)脈粥樣硬化是導(dǎo)致CVD的主要原因之一。當(dāng)VSMCs上過度表達(dá)BK通道后，遷移能力降低，反之，BK通道表達(dá)減少后，細(xì)胞的遷移能力顯著增加〔20〕。Chandra等〔20〕研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的變化是導(dǎo)致VSMCs遷移的始動(dòng)因素，而VSMCs的遷移必須有鈣離子依賴性蛋白激酶Ⅱ的激活才可進(jìn)行。在VSMCs上BK通道過度表達(dá)使鈣離子內(nèi)流減少，胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度降低，鈣離子依賴性蛋白激酶Ⅱ的激活受限，VSMCs的遷移速度明顯減慢。而VSMCs從血管中膜到內(nèi)膜的遷移是導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化、冠狀動(dòng)脈血運(yùn)重建后血管再狹窄等常見血管病變共同的關(guān)鍵性事件。因此，BK通道對(duì)影響心血管性事件的發(fā)生和進(jìn)展過程起到一定的作用，不僅影響血管功能性改變(調(diào)節(jié)血管張力)，同時(shí)參與血管器質(zhì)性病變的過程。

3 BK通道與心臟保護(hù)

3.1抑制BK通道可導(dǎo)致心動(dòng)過緩。心率減慢，改善心臟收縮力，致心肌耗氧量減少，進(jìn)而起到保護(hù)心臟的作用。Imlach等〔21〕利用BK通道抑制劑(paxilline、lolitrem B)在野生小鼠模型中的研究發(fā)現(xiàn)，抑制BK通道，導(dǎo)致野生型小鼠的心率降低。在大鼠心臟的離體研究還表明當(dāng)灌注paxilline和lolitrem B時(shí)，同樣引起心率減慢〔21〕。Patel等〔22〕在大鼠體內(nèi)模型中測(cè)試了BK通道在調(diào)節(jié)心率中的作用，在注射paxilline后，分別測(cè)量1分鐘和15分鐘的心率，高劑量和低劑量paxilline組大鼠心率均顯著降低。Lai等〔23〕發(fā)現(xiàn)，抑制BK通道可延長舒張期去極化和降低竇房結(jié)細(xì)胞興奮性，導(dǎo)致心動(dòng)過緩。鑒于觀察到BK通道廣泛的心臟抑制效應(yīng)，抑制BK通道導(dǎo)致心動(dòng)過緩。對(duì)不耐受β受體阻滯劑或其他類型的心率控制藥物的患者來說，BK通道阻滯劑可成為抗心律失常的一種新控制手段。BK通道通過對(duì)心率的介導(dǎo)，進(jìn)而降低心肌耗氧量，從而起到對(duì)心臟的保護(hù)作用。

3.2BK通道可調(diào)節(jié)冠狀動(dòng)脈血流。BK通道活化后可增加冠狀動(dòng)脈流量，改善心肌缺血。BK通道在冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞的質(zhì)膜中大量表達(dá)，預(yù)計(jì)其在調(diào)節(jié)冠狀動(dòng)脈血流中發(fā)揮作用。Patel等〔22〕首次使用paxilline和iberiotoxin 對(duì)冠狀動(dòng)脈血流進(jìn)行體內(nèi)分析，發(fā)現(xiàn)使用paxilline、iberiotoxin 抑制BK通道，在1 min內(nèi)可顯著降低平均冠狀動(dòng)脈速度和冠狀動(dòng)脈平均梯度，但15 min后這種抑制是完全可逆的。已知缺血和缺血后再灌注誘導(dǎo)心臟損傷〔24〕。而缺血預(yù)處理(IPC)已被證明可非常有效地使心臟不易受到損傷〔25〕。Soltysinka等〔18〕研究發(fā)現(xiàn)IR時(shí)的冠狀動(dòng)脈血流在BK活化小鼠心臟中通過IPC改善，而在BK基因敲除的小鼠心臟中通過IPC沒有改善。因此有理由認(rèn)為BK通道活化在調(diào)節(jié)冠狀動(dòng)脈灌注方面有重要作用。

3.3BK通道活化保護(hù)心臟免受IR損傷。BK通道在心臟線粒體中對(duì)IR損傷的保護(hù)作用已被獨(dú)立小組證明〔26,27〕。BK通道存在于成年心肌細(xì)胞的線粒體中〔28〕。Goswami等〔29〕對(duì)表達(dá)活化BK通道的離體心臟小鼠模型進(jìn)行的研究支持了這樣的觀點(diǎn):BK通道過度表達(dá)及BK通道活化在抗IR損傷的心臟保護(hù)中起到重要作用，可以保護(hù)心臟減輕IR損傷，提高IPC和IR損傷后左室發(fā)育壓力(LVDP)的恢復(fù)，減少心肌梗死面積。Soltysinka等〔18〕證明了使用全基因BK敲除小鼠的IPC介導(dǎo)的心臟保護(hù)和BK之間的因果關(guān)系，強(qiáng)調(diào)了BK通道的激活可進(jìn)一步增強(qiáng)IPC介導(dǎo)的心臟保護(hù)作用，減少IR后心臟損傷。另外還有研究表明BK通道活化和過度表達(dá)對(duì)IR損傷具有心臟保護(hù)作用，并且心臟保護(hù)作用部分是通過減少有害的線粒體活性氧自由基產(chǎn)生來介導(dǎo)的。研究表明ROS的產(chǎn)生與心臟保護(hù)有關(guān)。Goswami等〔29〕發(fā)現(xiàn)BK通道的遺傳激活減少了IR應(yīng)激后的ROS生成，而IPC進(jìn)一步降低了ROS生成。BK通道活化和過度表達(dá)調(diào)節(jié)ROS生成，進(jìn)而起到保護(hù)心臟作用。上述結(jié)果表明對(duì)于IR損傷的心臟恢復(fù)及IPC介導(dǎo)的心臟保護(hù)作用、心肌梗死面積減少主要是BK通道的激活作用所致。

4 BK通道與高血壓血管病變

高血壓是CVD的主要危險(xiǎn)因素之一。即使血壓輕度升高，也會(huì)增加CVD的風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，BK-α亞基和BK-β1亞基的下調(diào)引起高血壓病變血管的舒張功能障礙，BK通道在血壓調(diào)節(jié)中至關(guān)重要。

BK通道在VSMCs中高度表達(dá)〔30〕，BK通道在調(diào)節(jié)膜電位和血管張力方面的有著重要作用〔31〕，蛋白檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)高血壓大鼠VSMCs上BK通道的密度低于正常大鼠〔32〕。有理由認(rèn)為VSMCs中BK通道功能失調(diào)可能導(dǎo)致高血壓發(fā)生。遺傳動(dòng)物模型和高血壓動(dòng)物模型的研究證明，一方面BK通道的缺乏導(dǎo)致輕度血壓升高，另一方面BK通道功能或表達(dá)的改變與高血壓疾病狀態(tài)平行相關(guān)。Brenner等〔14〕、Pluger等〔33〕表明靶向缺失BK-β1亞基的基因會(huì)導(dǎo)致BK通道的鈣敏感性降低，平滑肌收縮性在這些小鼠中增強(qiáng)，出現(xiàn)全身動(dòng)脈血壓升高。缺乏BK-α亞基的小鼠也表現(xiàn)出全身血壓升高〔34〕。Amberg等〔35,36〕研究發(fā)現(xiàn)自發(fā)性高血壓大鼠和血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)高血壓大鼠的平滑肌BK通道功能減弱，并且與BK-β1亞基表達(dá)的下調(diào)有關(guān)。另一方面，肺動(dòng)脈高壓大鼠和 L-硝基精氨酸治療的高血壓大鼠顯示平滑肌中BK-α基的表達(dá)降低〔37,38〕。根據(jù)上述研究得出，BK-β1和BK-α亞基的下調(diào)導(dǎo)致高血壓期間的血管舒張功能障礙。然而其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在自發(fā)性高血壓和醋酸脫氧皮質(zhì)酮-鹽高血壓大鼠中，高血壓大鼠血管中BK通道功能均上調(diào)。BK通道功能上調(diào)被認(rèn)為是限制高血壓血管過度收縮的一種代償機(jī)制〔39〕。這些發(fā)現(xiàn)清楚地支持BK通道在血壓調(diào)節(jié)中的重要作用，并證明該BK通道是高血壓降壓治療中一個(gè)新興靶點(diǎn)。

然而，BK-β1亞基的選擇性缺失可能不足夠引起高血壓。最近的一項(xiàng)研究表明，基于連續(xù)24 h血壓測(cè)量，BK-β1亞基缺失的小鼠并不會(huì)出現(xiàn)血壓升高。因此，對(duì)于BK-β1亞基在BK通道調(diào)節(jié)血壓中的作用有待進(jìn)一步研究。

5 BK通道與糖尿病血管病變

糖尿病可使CVD風(fēng)險(xiǎn)升高約2倍。1型糖尿病和2型糖尿病都會(huì)導(dǎo)致血管功能障礙。降低糖尿病血管損害，間接減少CVD患病的危險(xiǎn)因素。大量證據(jù)表明，糖尿病血管BK通道功能障礙主要與BK-β1亞基下調(diào)有關(guān)〔40,41〕。

在生理和病理?xiàng)l件下，BK通道在調(diào)節(jié)血管張力中起著至關(guān)重要的作用〔31〕。在1型和2型糖尿病動(dòng)物模型中，血管系統(tǒng)中BK通道功能受損，并且該功能的損害與VSMCs的BK-β1的表達(dá)減少有關(guān)〔42,43〕。Lu等〔44〕在2型糖尿病患者血管平滑肌中的研究也得到相似的證實(shí)。此外Nieves-Cintrón等〔45〕報(bào)告了來自非糖尿病和2型糖尿病患者的天然小直徑脂肪動(dòng)脈和血管平滑肌細(xì)胞中BK通道相關(guān)發(fā)現(xiàn)，首先，BK通道活性可對(duì)抗人類小阻力脂肪動(dòng)脈中壓力誘導(dǎo)的收縮，但在2型糖尿病患者的動(dòng)脈中這一作用受到損害。也就是說BK 通道介導(dǎo)的血管舒張功能在2型糖尿病患者的動(dòng)脈中受損。大量研究表明，在糖尿病中，BK通道功能障礙導(dǎo)致異常血管收縮〔46,47〕，最終導(dǎo)致組織缺血，加重糖尿病心臟的缺血-再灌注損傷〔48〕。BK通道活化和BK-β1功能的降低也可能通過在糖尿病期間加重血管壁重塑和纖維化而導(dǎo)致血管并發(fā)癥〔49〕。

綜上，各種血管活性物質(zhì)引起的血管反應(yīng)涉及激活或抑制VSMCs、心肌細(xì)胞中的BK通道。BK通道在生理病理過程中的廣泛表達(dá)和參與，可調(diào)節(jié)血管張力和心肌灌注、抗動(dòng)脈粥樣硬化及介導(dǎo)心臟保護(hù)，高血壓、糖尿病血管功能障礙也與VSMCs中BK通道功能的改變有聯(lián)系。因此，BK通道有望成為防治心血管疾病的關(guān)鍵。未來我們對(duì)BK通道在CVD方面的研究可從以下3個(gè)方面著手:(1)BK通道對(duì)各心血管組織所產(chǎn)生的不同致病機(jī)制需要繼續(xù)鉆研，進(jìn)而研發(fā)出治療相關(guān)CVD的靶向藥物。(2)BK通道在人體細(xì)胞中普遍存在，通過不同的表達(dá)機(jī)制，關(guān)鍵地參與了各種過程，進(jìn)一步明確BK通道在各組織中的分布及作用機(jī)制差異，對(duì)這些差異做精細(xì)的研究，才能研究出精確的治療手段來抑制或拮抗此種機(jī)制。(3)改變BK通道活性和表達(dá)的化合物及其遺傳操作可能具有治療意義?，F(xiàn)在由于BK通道作為CVD潛在治療靶點(diǎn)的領(lǐng)域研究仍處于初級(jí)階段，BK通道對(duì)CVD的影響機(jī)制仍需探索，為治療心肌缺血、血管狹窄等相關(guān)CVD提供新的依據(jù)。