細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)測(cè)量技術(shù)及其調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

顏芷昕 宋娜娜，3 丁小強(qiáng)△

（1復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院腎內(nèi)科 上海 200032； 2上海市腎病與血液透析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200032；3復(fù)旦大學(xué)張江研究院 上海 200120）

維持機(jī)體鉀平衡是保證多種生命活動(dòng)正常運(yùn)行的必要條件，鉀平衡紊亂會(huì)導(dǎo)致多系統(tǒng)、多器官的異常，機(jī)體鉀缺乏可促心血管疾?。?］、慢性腎臟?。?］的發(fā)生和發(fā)展。臨床上一般用血鉀和尿鉀水平來評(píng)估機(jī)體鉀的平衡狀態(tài)，這些指標(biāo)主要反映細(xì)胞外液鉀離子水平。然而，越來越多的研究提示細(xì)胞外液鉀離子濃度不夠靈敏和真實(shí)地反應(yīng)機(jī)體鉀水平，如長(zhǎng)期低鉀飲食可使血鉀濃度依舊接近正常值，但此時(shí)機(jī)體的低鉀狀態(tài)已造成腎損傷指標(biāo)的升高［3］，因此需要一個(gè)更真實(shí)更靈敏的指標(biāo)反映機(jī)體鉀水平——細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度可能更為合適。鉀離子在細(xì)胞內(nèi)外并非呈均衡分布，細(xì)胞內(nèi)液鉀離子濃度（150 mmol/L）約是細(xì)胞外液（3.5～5 mmol/L）的30倍［4］。在慢性腎臟病的模型中，盡管此時(shí)的血鉀濃度可能并無明顯改變，但細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度明顯減少，及時(shí)糾正細(xì)胞內(nèi)低鉀的情況可改善細(xì)胞周期阻滯及腎臟纖維化［5］，細(xì)胞內(nèi)液鉀離子可能作為細(xì)胞外液的緩沖系統(tǒng)，較細(xì)胞外液先發(fā)生平衡紊亂，因此細(xì)胞內(nèi)液鉀離子水平更靈敏地反映機(jī)體鉀狀態(tài)。此外，維持細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)可調(diào)節(jié)能量代謝、細(xì)胞增殖和死亡等過程［6-7］，維持細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)具有重要的意義。

細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)基本情況細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)有兩個(gè)層面：一是細(xì)胞內(nèi)液總鉀平衡，二是亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)鉀離子的分布平衡。囿于技術(shù)限制，關(guān)于細(xì)胞器中鉀離子的分布以及細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度在不同生理和病理?xiàng)l件下的動(dòng)態(tài)變化一直未有定論，但隨著近幾年關(guān)于靶向亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的熒光探針、基因編碼鉀離子指示劑及光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究者在幾個(gè)不同類別的細(xì)胞中均發(fā)現(xiàn)：胞核的鉀離子濃度最高（150～350 mmol/L）且細(xì)胞核基質(zhì)的濃度高于核周間隙，細(xì)胞基質(zhì)的鉀離子濃度居中（50～100 mmol/L），線粒體（40～50 mmol/L）、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（2～8 mmol/L）和溶酶體（2～50 mmol/L）的鉀離子濃度較低［8-10］，需要注意的是不同類型的細(xì)胞、不同病理狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)鉀離子情況并不相同。

細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度的測(cè)定長(zhǎng)久以來，對(duì)細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度的測(cè)定是研究細(xì)胞內(nèi)鉀離子相關(guān)生理病理研究的瓶頸，直接測(cè)量難度較大、操作繁瑣，更多的研究是采用間接測(cè)量（電生理）的方法，通過對(duì)離子通道電流的分析間接推斷細(xì)胞內(nèi)鉀離子的情況（表1）。

表1 細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度測(cè)量方法Tab 1 Measuring methods of intracellular K+ concentration

原子吸收光譜法 將細(xì)胞裂解后對(duì)裂解液進(jìn)行光譜分析，準(zhǔn)確度高且可定量，但具有細(xì)胞破壞性。

核磁共振波譜法（39K-nuclear magnetic resonance，39K-NMR） 據(jù)核磁共振的原理測(cè)量鉀，操作時(shí)收集待測(cè)細(xì)胞至特殊小管，根據(jù)得到的譜圖進(jìn)行分析［11］，此方法無細(xì)胞損傷性，但靈敏度和精確度低且難以獲得亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的分布信息。

鉀離子選擇性玻璃電極法 玻璃電極由鉀離子選擇電極和參比電極共同組成，其中鉀離子選擇電極含特殊的含纈氨霉素的聚氯乙烯膜成分，當(dāng)電極破壞細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)液接觸后，可在聚氯乙烯膜上產(chǎn)生電位并與參比電極構(gòu)成回路獲得電極電位，以此計(jì)算出細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度。此方法準(zhǔn)確、敏感度高［12］，但具有細(xì)胞損傷性且無法獲取鉀離子在細(xì)胞內(nèi)的時(shí)空分布情況。

合成鉀離子敏感的熒光染料法 熒光探針可選擇性螯合細(xì)胞內(nèi)游離鉀離子，當(dāng)鉀離子與探針結(jié)合后可改變探針的構(gòu)象，增加其量子產(chǎn)率，使光譜發(fā)生偏移，通過分析產(chǎn)生的熒光信號(hào)可獲得細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度的數(shù)據(jù)。理想的鉀離子熒光探針應(yīng)滿足對(duì)生理?xiàng)l件下細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度變化的敏感性以及選擇特異性。PBFI是應(yīng)用最早和最廣為人知的鉀離子熒光探針之一，但是它對(duì)鉀離子的選擇性差，易受到鈉離子干擾，而且操作繁瑣。后來研究者研制出鉀離子選擇性更高的探針，如KS2探針［13］和可降低假陽性率并用于活細(xì)胞成像的雙熒光探針［14-15］；還有能定位于亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的鉀離子探針，如半定量檢測(cè)線粒體內(nèi)鉀離子濃度變化的KS6探針［16］。

基因編碼的鉀離子指示劑 研究者發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)存在可螯合鉀離子的鉀離子選擇性蛋白，為了改善化學(xué)合成熒光探針有一定細(xì)胞毒性、特異性差、低通量的缺點(diǎn)，他們提出可采用基因工程的方法，通過在原核生物體內(nèi)共表達(dá)和提純具有高度鉀離子選擇性蛋白和熒光蛋白進(jìn)而獲得基因編碼的鉀離子指示劑，并認(rèn)為此方法更安全、高效［8］。此外，在鉀離子指示劑上添加細(xì)胞器特異序列可實(shí)現(xiàn)靶向亞細(xì)胞的鉀離子動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，推進(jìn)對(duì)細(xì)胞器鉀離子功能的研究，目前有靶向線粒體的KS6［16］、Mt lc-LysM GEPII鉀離子探針［8］以及靶向細(xì)胞核的NUClc-LysMGEPII鉀離子探針［8］，這些探針具有高靈敏性、特異性、時(shí)空分布性、高通量的優(yōu)勢(shì)。目前基于雙熒光能量共振轉(zhuǎn)移發(fā)光方式的指示劑有：GEPII系列［8］、KIRIN1-GR［17］；基于單熒光的有GINKO，和雙熒光發(fā)光方式相比，單熒光團(tuán)體積小、適用于多熒光檢測(cè)［17］（表1）。

細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)的調(diào)控機(jī)制由于鉀離子不能自由進(jìn)出細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，細(xì)胞內(nèi)液鉀離子濃度穩(wěn)態(tài)依賴于細(xì)胞膜上特殊通道的開放程度和細(xì)胞內(nèi)外鉀離子電化學(xué)梯度；而亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的鉀離子分布平衡則依賴于細(xì)胞器膜上的特殊通道（圖1）。

圖1 細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)的基本情況及調(diào)控機(jī)制Fig 1 Intracellular K+ distribution and machinery for K+ regulation

細(xì)胞內(nèi)總鉀平衡 鉀離子在細(xì)胞內(nèi)外形成的電化學(xué)梯度和膜上的孔道性質(zhì)共同決定鉀離子的進(jìn)出方向，細(xì)胞膜上鉀離子流動(dòng)的孔道主要有：鉀特異性通道、鉀離子交換體、鈉鉀泵、非選擇性陽離子通道和特殊“膜孔”結(jié)構(gòu)。（1）鉀通道是鉀離子流動(dòng)最常見的孔道，根據(jù)門控機(jī)制、結(jié)構(gòu)和功能主要分成了5個(gè)家族：電壓門控鉀通道KV；內(nèi)向整流鉀通道Kir；鈣和鈉激活大電導(dǎo)鉀通道SLO；小電導(dǎo)鈣激活鉀通道 SKCa以及雙孔鉀通道K2P［22］。由于胞內(nèi)鉀離子濃度明顯高于胞外，大多鉀通道在一般生理?xiàng)l件下順電化學(xué)梯度介導(dǎo)鉀離子由胞內(nèi)流向胞外。（2）鉀離子交換體和轉(zhuǎn)運(yùn)體：如氫-鉀交換體（鉀離子進(jìn)出方向取決于兩種離子在細(xì)胞內(nèi)外的濃度差，酸中毒時(shí)氫離子轉(zhuǎn)運(yùn)入胞內(nèi)，鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)出胞外）和鈉鉀二氯同向轉(zhuǎn)運(yùn)體（介導(dǎo)鉀離子內(nèi)流入胞）等；（3）鈉鉀泵：將鉀離子逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)至胞內(nèi)，維持胞內(nèi)高鉀環(huán)境；（4）非選擇性陽離子通道：如瞬時(shí)受體電位陽離子通道亞家族（transient receptor potential channel，TRPC），介導(dǎo)鉀離子由胞內(nèi)流向胞外；（5）特殊膜孔：焦亡效應(yīng)蛋白gasdermin D在胞膜上形成孔結(jié)構(gòu)，結(jié)合鉀離子并介導(dǎo)鉀離子外流［23］。當(dāng)鉀離子由胞內(nèi)流向胞外時(shí)，細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度減小；反之，細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度增多。改變細(xì)胞外液鉀離子濃度，如增加細(xì)胞外鉀離子濃度可減弱電化學(xué)梯度，減小鉀離子外流，使胞內(nèi)鉀濃度增多。

亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)間鉀離子分布的平衡 鉀離子在細(xì)胞內(nèi)并非均勻分布，在鉀通道的調(diào)節(jié)下維持亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)間鉀離子分布平衡（表2），胞核鉀離子濃度最高，細(xì)胞基質(zhì)次之，其他細(xì)胞器（線粒體、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等）濃度最低。目前亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的膜上的鉀離子通道研究仍非常有限，一般認(rèn)為鉀離子的流動(dòng)方向是由胞漿流入線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體和細(xì)胞核基質(zhì)。細(xì)胞核維持高鉀離子水平的機(jī)制，細(xì)胞器膜上是否存在其他鉀離子孔道（如交換體等）待進(jìn)一步研究。

鉀離子通道的調(diào)控機(jī)制由于鉀通道對(duì)鉀離子的高度特異性，鉀通道在細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)調(diào)控占主體地位。目前已發(fā)現(xiàn)的鉀通道有80多種，每種鉀通道的調(diào)控機(jī)制各不相同。總體而言，主要包括通道本身的門控機(jī)制（電壓、機(jī)械張力、ATP、pH等）和信號(hào)分子對(duì)通道活性和表達(dá)水平的調(diào)控（如炎癥、氧化應(yīng)激相關(guān)信號(hào)分子）。

門控機(jī)制 作為鉀離子通道本身的特性，鉀離子通道的開放可由膜電位/電壓（如電壓門控鉀通道Kv家族）、胞內(nèi)外pH（如酸敏感的雙孔鉀通道TASK2）、機(jī)械刺激（如弱內(nèi)向整流相關(guān)雙孔鉀通道TREK1）、ATP水平（如ATP敏感的鉀通道KATP）、胞內(nèi)其他陽離子（Ca2+、Mg2+、Na+）濃度、G蛋白偶聯(lián)受體激活的G蛋白信號(hào)通路（如被激素激活）等調(diào)控。

信號(hào)通路 （1）炎癥相關(guān)信號(hào)通路：炎癥過程中產(chǎn)生的細(xì)胞因子可調(diào)控鉀通道活性，γ干擾素（interferon-γ，IFN-γ）通過與細(xì)胞膜上的受體結(jié)合，在近端腎小管細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生過氧化物或過氧化亞硝基，使鉀離子通道發(fā)生氧化或亞硝基化進(jìn)而被抑制；白細(xì)胞介素1β（interleukin 1β，IL-1β）可激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）通路，抑制鉀離子通道［24］。（2）氧代謝相關(guān)信號(hào)通路：多種鉀通道和氧化應(yīng)激或氧代謝通路相關(guān)。缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia-inducible factor，HIF）是氧感受通路的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，研究發(fā)現(xiàn)缺氧通過增加HIF-1上調(diào)鉀通道表達(dá)水平，如在肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞中上調(diào)BKCa表達(dá)［25］以及在B淋巴細(xì)胞中上調(diào)TASK2表達(dá)［26］?；钚匝酰╮eactive oxygen species，ROS）是缺氧過程中線粒體代謝產(chǎn)物，線粒體ATP敏感的鉀通道常在缺氧的條件下被ROS產(chǎn)物活化［27］。ROS還可氧化修飾鉀通道進(jìn)而改變通道活性，BK通道位于細(xì)胞內(nèi)的3個(gè)蛋氨酸被ROS氧化修飾后活性增強(qiáng)而半胱氨酸被氧化修飾后活性減弱［28］。細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度增加也常見于氧化應(yīng)激過程，可激活鈣敏感鉀通道的開放。氧化應(yīng)激過程還可通過激活cAMP/GMP依賴的蛋白激酶信號(hào)通路磷酸化鉀通道亞基，進(jìn)而改變通道的活性。

細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)的生理作用細(xì)胞內(nèi)鉀離子基本功能是維持細(xì)胞靜息膜電位，這是可興奮細(xì)胞正常發(fā)揮其興奮功能的必要條件。此外，鉀離子還參與調(diào)控多種生命活動(dòng)（圖2）。

調(diào)節(jié)酶及能量代謝 細(xì)胞內(nèi)鉀離子通過穩(wěn)定酶結(jié)構(gòu)維持酶活性［29］，如丙酮酸激酶、丙酮酸脫氫酶、DNA雙鏈斷裂修復(fù)蛋白R(shí)AD51等；也可作為酶的輔因子，如鉀離子是己糖激酶Ⅱ的輔因子，促葡萄糖分解［6］。此外，細(xì)胞內(nèi)鉀穩(wěn)態(tài)參與細(xì)胞能量代謝過程：胞內(nèi)鉀離子濃度降低時(shí)，AMP依賴的蛋白激酶通路活化，糖酵解過程被抑制，線粒體ATP生成減少，線粒體氧化磷酸化功能受抑制［6］。激活線粒體鉀通道，促線粒體內(nèi)膜去極化，促呼吸鏈運(yùn)行和ATP生成，脂肪酸氧化過程加強(qiáng)［30］。

調(diào)節(jié)遺傳物質(zhì)的生物合成 細(xì)胞內(nèi)鉀離子可與DNA結(jié)合，穩(wěn)定核酸G-四鏈體結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)DNA復(fù)制［31］；胞內(nèi)鉀離子參與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄活性：抑制核膜上的鉀離子通道開放（如BKCa、KV1.3等），促核膜超極化，最終導(dǎo)致環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMP response element-binding protein，CREB）磷酸化，促進(jìn)c-fos等極早期反應(yīng)蛋白轉(zhuǎn)錄［10，32］。

調(diào)節(jié)細(xì)胞容積和形態(tài) 細(xì)胞內(nèi)鉀離子維持細(xì)胞容積的穩(wěn)態(tài)：鉀離子是胞內(nèi)濃度最高的陽離子，是維持細(xì)胞內(nèi)滲透壓的主要組成成分；而細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓差決定細(xì)胞液體流動(dòng)方向，影響細(xì)胞的容積和形態(tài)。凋亡相關(guān)細(xì)胞容積減小與鉀離子通道激活介導(dǎo)的鉀離子外流相關(guān)［33］；當(dāng)細(xì)胞過度腫脹時(shí)鉀離子通道也會(huì)被激活，進(jìn)而降低細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度，減小細(xì)胞內(nèi)的滲透壓，抑制腫脹進(jìn)一步加?。?4］。

調(diào)節(jié)細(xì)胞周期和增殖 增殖是細(xì)胞的基本功能，其中細(xì)胞周期的精準(zhǔn)調(diào)控保障增殖的有序進(jìn)行。最初研究者發(fā)現(xiàn)非興奮性細(xì)胞的細(xì)胞周期中伴隨著膜電位的周期性變化，G1期→S期超極化，G2期→M期去極化［35-36］；而鉀離子是維持靜息膜電位的主要離子，研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度的改變可直接影響細(xì)胞周期和增殖，抑制外周血淋巴細(xì)胞鉀離子通道活性或增加細(xì)胞外液鉀離子濃度進(jìn)而提高細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度，可抑制淋巴細(xì)胞增殖和分泌細(xì)胞因子［36］；我們團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)體外誘導(dǎo)纖維化的近端腎小管上皮細(xì)胞以及體內(nèi)纖維化腎臟模型中細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度減低，并促進(jìn)上皮細(xì)胞G2/M期阻滯［5］。同時(shí)，鉀電流和鉀離子通道的表達(dá)水平可隨細(xì)胞周期變化［37］，鉀通道是調(diào)控細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)的重要手段，鉀離子通道的開放通過影響細(xì)胞內(nèi)鉀穩(wěn)態(tài)進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞周期。

然而細(xì)胞內(nèi)鉀離子調(diào)控細(xì)胞周期的具體機(jī)制尚缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，目前有如下幾種學(xué)說：（1）鈣學(xué)說：細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度的減低為鈣離子內(nèi)流提供驅(qū)動(dòng)力，促使細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的升高，鈣離子作為第二信使啟動(dòng)Ca2+—鈣調(diào)蛋白/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶（calmodulin/calmodulin kinase，CaM/CaMK）通路調(diào)控細(xì)胞周期關(guān)鍵蛋白，比如上調(diào)細(xì)胞周期抑制因子p27、p21等表達(dá)，阻滯細(xì)胞周期［37］；（2）信號(hào)通路學(xué)說：鉀離子通過調(diào)控cAMP依賴蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）、P38絲裂原活化蛋白激酶（P38 mitogen activated protein kinases，P38-MAPK）、細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）以及蛋白激酶B（Akt）相關(guān)信號(hào)通路改變細(xì)胞周期蛋白的表達(dá)水平［38］，但需更多的研究證實(shí)。

調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡 胞內(nèi)鉀穩(wěn)態(tài)調(diào)控與凋亡的發(fā)生密切相關(guān)，凋亡的其中一個(gè)特征是細(xì)胞容積減小，而鉀離子作為胞內(nèi)含量最高的離子對(duì)細(xì)胞容積的調(diào)控至關(guān)重要，胞膜鉀通道的激活、鉀離子外流和細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度降低均可促進(jìn)凋亡發(fā)生［33］。線粒體內(nèi)膜上的鉀通道和線粒體鉀離子穩(wěn)態(tài)也參與調(diào)控死亡，抑制線粒體鉀離子通道（TASK3、KV等）可促進(jìn)ROS釋放、抑制呼吸鏈并誘導(dǎo)死亡［30］；還有研究提示激活線粒體鉀離子通道SK、增加線粒體鉀濃度可減輕細(xì)胞鐵死亡［39］。

調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移和修復(fù) 細(xì)胞（尤其是表皮細(xì)胞）遷移是發(fā)生損傷修復(fù)的重要手段之一，遷移過程包括細(xì)胞骨架重構(gòu)、細(xì)胞膜突出、前部的細(xì)胞外基質(zhì)的局部黏附和后部的細(xì)胞外基質(zhì)去黏附。研究者發(fā)現(xiàn)細(xì)胞遷移過程中細(xì)胞膜上的鉀離子通道分布不均勻，如腎上皮細(xì)胞發(fā)生遷移時(shí)，KV1.4通道聚集在板狀偽足的前部突出部分，抑制這部分的鉀離子通道會(huì)抑制細(xì)胞遷移，而KCa通道分布在胞體尾部，抑制這部分的離子通道同樣會(huì)抑制細(xì)胞遷移［40］；遷移相關(guān)信號(hào)通路如受體蛋白酪氨酸激酶（如表皮生長(zhǎng)因子及受體）及非受體蛋白激酶（如ERK）信號(hào)通路的激活可上調(diào)鉀離子通道的表達(dá)、增加鉀離子外流進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞遷移。同時(shí)遷移信號(hào)通路也受鉀離子通道調(diào)控，抑制鉀離子通道可抑制遷移信號(hào)通路［41］。

目前鉀離子調(diào)控細(xì)胞遷移修復(fù)的機(jī)制包括：（1）鉀通道開放、鉀離子的外流為鈣離子內(nèi)流提供驅(qū)動(dòng)力，通過激活鈣信號(hào)通路促進(jìn)細(xì)胞遷移［42］；（2）細(xì)胞內(nèi)鉀離子直接可作為第二信使調(diào)控遷移相關(guān)蛋白合成［43］，也可調(diào)節(jié)局部滲透壓與容積，調(diào)控肌動(dòng)蛋白促進(jìn)細(xì)胞骨架重構(gòu)［44］；（3）通過改變局部離子濃度影響細(xì)胞外基質(zhì)組裝、交聯(lián)過程［42，45］。

調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答 細(xì)胞內(nèi)鉀離子通過炎癥小體（NLR family pyrin domain containing 3，NLRP3）活化、炎癥因子生成和免疫細(xì)胞功能調(diào)節(jié)參與機(jī)體的免疫應(yīng)答。NLRP3介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)常伴隨著細(xì)胞內(nèi)鉀離子外流、細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度減低的現(xiàn)象［46］，細(xì)胞內(nèi)鉀離子外流促進(jìn)NLRP3進(jìn)一步形成，激活細(xì)胞死亡的過程［23，47］。細(xì)胞內(nèi)鉀離子外流可抑制DNA感受器環(huán)GMP-AMP合酶-干擾素刺激基因（cyclic GMP-AMP and the stimulator of interferon genes，cGAS-STING）反饋通路，調(diào)控I型干擾素的生成［23］。免疫細(xì)胞（T/B/NK細(xì)胞）上的鉀離子通道開放及其介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)鉀離子外流還可通過膜超極化為鈣離子的內(nèi)流提供驅(qū)動(dòng)力、增加細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度，鈣離子作為第二信使可活化轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)而誘導(dǎo)下游基因轉(zhuǎn)錄促免疫細(xì)胞成熟、分化及發(fā)揮效應(yīng)［48-49］，如鉀通道KV1.3和IKCa2的激活可促活化T細(xì)胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）的核定位并啟動(dòng)下游基因轉(zhuǎn)錄，促T細(xì)胞增殖和分泌細(xì)胞因子［50］。

細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)失衡和疾病的聯(lián)系

腫瘤 在多種腫瘤（如乳腺癌、宮頸癌、神經(jīng)胚胎瘤、結(jié)腸癌、急性髓性白血病等）存在鉀通道表達(dá)異常［51-53］，研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)腫瘤的組織間液的鉀離子濃度升高［7］，二者均可影響細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)，細(xì)胞內(nèi)鉀失衡和腫瘤密切相關(guān)。細(xì)胞內(nèi)鉀穩(wěn)態(tài)失衡促腫瘤發(fā)生發(fā)展的機(jī)制復(fù)雜多樣，涉及細(xì)胞增殖死亡、損傷修復(fù)和免疫功能異常。細(xì)胞內(nèi)鉀穩(wěn)態(tài)失衡破壞細(xì)胞周期的有序進(jìn)行，細(xì)胞周期蛋白（如cdc25、cdc2）表達(dá)異常［54］，促腫瘤細(xì)胞不斷分裂增殖；鉀離子通道（如KCa家族、KV通道家族）活化可促腫瘤細(xì)胞DNA損傷修復(fù)，增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對(duì)放化療的抵抗性［55］，高表達(dá)鉀離子通道的腫瘤組織可能提示不良預(yù)后；細(xì)胞內(nèi)鉀離子還參與調(diào)節(jié)腫瘤免疫，腫瘤微環(huán)境的鉀離子濃度高于正常組織的細(xì)胞外液，造成其中的T細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度升高，增強(qiáng)磷酸酶PP2A的活性并抑制蛋白激酶B-雷帕霉素靶蛋白（Akt-mTOR）通路磷酸化程度，最終抑制T細(xì)胞發(fā)揮效應(yīng)，削弱對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷作用［7］。

急性缺血相關(guān)疾病 細(xì)胞膜鉀通道（KV、KATP、TREK1等）開放可通過抑制鈣超載、促DNA損傷修復(fù)和減輕凋亡在多種急性缺血性臟器損傷中發(fā)揮保護(hù)作用，包括急性心肌梗死［56］、卒中［57］、急性缺血再灌注腎小管損傷［58］等。線粒體內(nèi)膜鉀通道（如BK）的開放可減輕缺血誘導(dǎo)的心肌損傷——阻斷或抑制線粒體BK通道可抑制線粒體呼吸鏈，增加ROS產(chǎn)生，增加細(xì)胞凋亡，最終加劇心肌損傷［59-60］。

自身免疫疾病 鉀通道的異常表達(dá)（增多或減低）、異常功能及其介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)失衡和自身免疫疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，包括系統(tǒng)性紅斑狼瘡［61］、多發(fā)性硬化［62］、炎癥性腸?。?2-63］、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎［64］等，其中的病理生理機(jī)制尚未明確。自身免疫疾病模型中的免疫細(xì)胞（B/T/NK細(xì)胞）常見鉀離子通道表達(dá)上調(diào)、功能過度活化以及細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度減低，細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度異常減低可促進(jìn)免疫細(xì)胞的異?；罨?，而免疫細(xì)胞的過度激活是自身免疫疾病的重要發(fā)病機(jī)制之一［65］；而在病變臟器常見鉀離子通道表達(dá)減少、通道活性受抑制，最終抑制組織器官發(fā)揮功能［66］。

內(nèi)分泌疾病 內(nèi)分泌器官的鉀離子通道和細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)維持內(nèi)分泌激素的正常分泌，鉀離子通道表達(dá)減少、功能缺失可見于糖尿?。ㄐ律鷥禾悄虿。?7］、2型糖尿?。?8］）以及高醛固酮血癥［69］，并造成激素分泌紊亂。腎上腺鉀通道（如TASK1、TASK3）的缺失造成細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度升高、細(xì)胞持續(xù)去極化，細(xì)胞興奮周期被破壞、鈣離子內(nèi)流增強(qiáng)，不斷合成和分泌醛固酮激素［70］。

神經(jīng)退行性疾病 近年研究者發(fā)現(xiàn)鉀通道表達(dá)減少和功能受損常見于神經(jīng)退行性疾病，包括亨廷頓?。?1］、帕金森?。?2］、阿爾茲海默?。?3］等，并可作為疾病治療的重要靶點(diǎn)之一。胞膜上的鉀通道表達(dá)減少、細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度升高可直接導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)的興奮毒性、細(xì)胞受損和神經(jīng)環(huán)路的破壞［74］；激活線粒體鉀通道如KATP可減輕線粒體損傷、保護(hù)膽堿能中間神經(jīng)元，最終緩解亨廷頓?。?5］；TMEM175是鉀離子進(jìn)出溶酶體的主要通道并維持溶酶體功能［76］，TMEM175表達(dá)減少與功能缺失可通過抑制溶酶體功能，加劇α-突觸核蛋白的異常沉積、多巴胺神經(jīng)元的減少和運(yùn)動(dòng)功能損害，最終促進(jìn)帕金森病的進(jìn)展［77］。

結(jié)語鉀離子主要分布于細(xì)胞內(nèi)液，細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)的改變往往先于細(xì)胞外液。細(xì)胞內(nèi)鉀穩(wěn)態(tài)由細(xì)胞內(nèi)、外液和細(xì)胞器間鉀離子分布平衡共同維持，參與細(xì)胞生長(zhǎng)死亡、黏附遷移、能量代謝和免疫調(diào)控等多種活動(dòng)。細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)失衡與腫瘤、急性缺血、自身免疫、內(nèi)分泌、神經(jīng)退行性等疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，并提示疾病進(jìn)展、預(yù)后，靶向干預(yù)鉀離子通道以及糾正細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)水平為臨床提供了新的治療思路。受測(cè)量細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度檢測(cè)技術(shù)的限制，先前大多數(shù)研究都是通過鉀通道的功能變化間接推測(cè)細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度的改變，缺乏細(xì)胞內(nèi)鉀穩(wěn)態(tài)失衡與疾病發(fā)生發(fā)展相關(guān)性的直接證據(jù)，總體上對(duì)胞內(nèi)鉀離子的調(diào)控機(jī)制及在細(xì)胞功能調(diào)控中的作用機(jī)制的認(rèn)知是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。近年鉀離子敏感的熒光探針和基因編碼的鉀離子指示劑技術(shù)手段的發(fā)展將進(jìn)一步促進(jìn)人們對(duì)細(xì)胞內(nèi)鉀離子穩(wěn)態(tài)調(diào)控機(jī)制的探索，并為疾病的診療提供新的方向。

作者貢獻(xiàn)聲明顏芷昕 文獻(xiàn)檢索，綜述撰寫，繪圖，制表。宋娜娜 綜述修訂和審校。丁小強(qiáng) 綜述構(gòu)思和審校。

利益沖突聲明所有作者均聲明不存在利益沖突。