9.离子流的相互作用

随着细胞电生理研究的不断深入，认识到离子流作为心脏电活动的基本单元在心脏特性和功能及心律失常的发生方面起着至关重要的作用。但其作用方式并不清楚，基于既往的研究成果，推测心肌细胞离子流存在相互作用，且此相互作用在维持正常心电活动和心律失常的发生等方面发挥重要作用。

一　离子流相互作用及其类型

研究显示，各离子流间相互作用类型可分为通道分子间直接相互作用和间接相互作用或功能性相互作用。

1.不同离子通道分子的直接相互作用

离子通道由多种亚基组成，其中α亚基是组成离子通道的核心，它的改变直接影响到离子流的变化。Biliczki等报道，将IKs通道α亚基（KCNQ1）和IKr通道α亚基（HERG）共转染后，KCNQ1可直接上调HERG蛋白在膜上的表达，同时增加离子流密度。且当KCNQ1存在时，HERG灭活加速，其灭活性质更接近天然的IKr。Ehrlich也有类似的发现。另有研究发现，不仅不同通道的α亚基间存在相互作用，一个通道的β亚基可能对其他通道也有调控效应，更甚者可能同时对多种通道起共同调节作用。如HERG受到IKs 的β亚基（KCNE1）的直接调控。可能的解释是HERG的C末端与蛋白伴侣的相互作用对于其通道蛋白的定位和功能至关重要，而KCNQ1、KCNE1可能作为蛋白伴侣而发挥作用。IKr的辅助亚基MiRP1同样对起搏电流（If）的亚基HCN功能有影响。Ito的辅助亚基KChIP2也可以调控ICa，L电流。

2.不同离子流的间接相互作用或功能性相互作用

除了直接作用外，离子流之间更多的是间接或功能性相互作用。包括：通过改变膜电位影响其他离子流。复极过程是内、外向离子流相互作用和相互平衡精细调节的结果。当IKr被抑制时，引起心肌细胞有更多的时间使IKs激活。事实上，任何一种外向电流的减少或内向电流的增加都可使动作电位平台期延长，从而引起其他外向电流的增加。Ito贡献在1相复极，对APD影响有限。但必须强调的是Ito可以改变平台期电位，间接改变其他通道电流。另外，Kv4.3有一个缓慢的失活过程，可影响平台期ICa，L和INa的窗口电流。Deschenes等发现钠电流与Ito存在功能性联系。

通过改变细胞内、外离子浓度影响其他离子流。钾离子外流减少导致［K+］o降低，可导致IK1降低，而增加4期自动除极过程中Na+或Ca2+内流，使除极化加快。同时，［K+］o降低又会促进IKr通道降解增加。ICa，L及肌质网钙释放通道功能改变，将引起［Ca2+］i变化，而后者则可以影响INa。非选择性离子流、交换体电流、泵电流及离子敏感通道电流等，本身就受到多种离子流的影响和调控，离子流之间往往通过离子的改变相互联系。如抑制Na+-K+泵，使细胞内Na+增加，则促进Na+-Ca2+交换激活，使Ca2+内流增多，进而导致ICl/Ca、IK/Ca和钙释放通道电流的增加。

通过改变内源性物质影响其他离子流。Luo等报道，长时间抑制IKr后，可通过降低miR-133对IKs转录后抑制效应，引起IKs蛋白表达上调。［Ca2+］i可经钙离子/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ（CaMKⅡ）参与Ito、INa，L、IKs、IK/Ca和IK1表达或功能的调控（图1-9-1）。

二　离子流相互作用的研究

1.心肌复极储备

实际上，很多学者已经关注离子流之间的相互作用。最著名的是Roden提出的心脏复极储备观念。它认为复极是复杂的。当一个成分（如IKr）损失时，通常不会引起复极异常，因为系统中其他成分将补充（如IKs），直到IKr阻断显著增加。随后，许多学者均证明了复极储备的存在，并且深入研究了离子流相互作用的形式。如当IKs发生丧失型突变时，IKr的阻滞可明显加重心律失常的危险。IKs在正常心脏复极中作用很小，而当药物诱导IKr阻滞、低血钾、基因异常或心动过缓时引起APD增加，可能引起IKs的激活，启动负反馈机制限制APD的进一步延长。Biliczki等发现，在与KCNQ1-WT共转染时，尽管HERG总蛋白合成和糖基化不变，但其在膜上的表达增加，电流增大。与迁移缺陷的突变KCNQ1-T587M共转染后，HERG在膜上的表达没有增加，电流也与单转染时接近。复极储备概念的提出对理解心律失常的发生开辟了一个新思路。不仅证实了离子流之间相互作用的存在，也对揭示LQTS等心律失常的发生机制起到重要作用。

然而该概念存在两个不足：①它强调不能过度延长APD，以免诱发LQTS。却忽视了APD过度缩短同样诱发心律失常的可能。②目前认为抗心律失常的药物应以多通道阻滞为好，但依照复极储备的概念，应用阻滞多个钾通道的药物显然更易导致APD的过度延长，其致心律失常风险远高于选择性钾通道阻滞剂。而“离子流相互作用”认为，将APD维持在一个正常范围内，过度增加或减少均可导致心律失常，这也与经典的心律失常概念相吻合。另一方面，该假说强调药物或治疗手段使心肌电活动恢复至正常范围内，而不是单纯强调APD的延长或缩短，不存在对离子流作用的数量问题，究竟作用于一个还是多个离子流应视具体情况而定。

2.计算机模拟研究

离子流是由许多单个通道组成的，一些通道行为呈现出像大分子复合物特征的复合通道（co-channels）。这样记录的离子流是各单个通道的叠加效应，通道开放频率增加主要是由于通道之间存在协同作用的结果。有学者认为，细胞膜上离子通道呈一维列阵分布，离子流的单个通道间或离子通道与细胞外电场存在相互协同作用，可以利用数学和统计力学方法对离子通道的集体行为和相互作用进行精确计算，以发现一个通道开放或者关闭对相邻通道的影响程度。1991年，Luo小组利用LRd模型模拟得到动作电位、钙离子浓度及各种离子流随时间的变化曲线，观察各离子流改变的综合效应及对动作电位的贡献。他们发现由于IKs的累积效应，导致INa/Ca通道激活和电流增加，继发性引起Na+累积，使细胞产生明显的APD频率依赖性。之后Rudy小组又用LRd动力学模型就离子流相互作用对AP适应性、恢复性及复极储备和心电图（图1-9-1）的影响等从不同角度进行了诸多研究。Yifrach等模拟发现增大心肌细胞快速复极化电流时，可使其他外向钾电流先减小后增大并出现震荡，同时使INa降低，去极化速度减慢。Zhou等则建立了部分离子通道蛋白之间相互作用的网络模型。这些模拟的研究成果不仅为离子流相互作用提供了理论支持，也为系统研究离子流相互作用提供了有力的方法和手段。

3.离子流相互作用与心脏正常电活动

心脏电活动是复杂而有序的，即存在不同部位的多样性，又显示整体心脏的协同性，作为心脏电活动基本单元的离子流在其中起着关键作用，它们包括：参与4相自动除极的If、ICa，T、IK1、INCX、IK，ACh、Ipump等；参与0相除极的ICa，L、INa；参与复极的IKr、IKs、IKur、Ito、IK1、ICa，L、INa，L、ICa，T、INCX等和维持静息电位的INCX、IK1和Ipump。此外还有缝隙连接通道电流、肌质网钙释放电流、线粒体阴离子通道电流、mitoIKATP、mitoIK，Ca等，心室离子流细胞模型示意图见图1-9-1。生理状况下，如内向电流ICa，L、INa增加，可以使APD增加，导致外向电流IKr、IKs等增加，从而防止APD的过度延长。当一个外向电流减少时，其他外向电流增加来减缓APD延长，使之维持在正常范围内，这从另一个侧面反映了离子流通过相互作用维持心脏正常的电活动。模拟实验发现，正常心肌细胞在受到外界刺激时导致细胞各离子浓度改变，适当刺激一定时间后，其动作电位基本呈周期状态变化，提示正常心脏在受到刺激下短时间内可自我调节，并恢复正常状态。可见，当外界因素引起每种离子流的改变，其他离子流将代偿性地进行调节和补充，以维持心脏正常电活动。

4.离子流相互作用与心律失常

众所周知，APD延长为产生早后除极、迟后除极和LQTS等创造了条件，而APD缩短则是折返的基础。AP的除极和细胞间连接的改变又为复极离散度的增加、细胞间传导异常提供了可能。

动作电位在复极过程中或完全复极后再次出现除极，前者为早后除极（EADs），后者为迟后除极（DADs）。后除极达到阈电位可激起一个或一串提前出现的动作电位，引起触发性心律失常。由于IKr、IKs、IKUr和Ito降低及ICa，L、INa，L的增加或两者同时存在，使得2相或3相复极延长，导致EAD的发生。AP的平台期，由于膜电阻高，电流总的都比较小，此时INa，L对APD作用显著。INa，L增加可驱使Na+进入，使INCX的反向模式激活，Ca2+进入增加，促进肌质网Ca2+释放，引起钙超载，最终引起EADs，还直接诱发LQT3。心脏舒张期，由于钙渗漏和自发性钙释放增加，［Ca2+］i升高，使INCX和ICl，Ca激活，产生Iti电流，引起DADs。IK1通道主要维持静息电位，该电流对［Ca2+］i非常敏感，当［Ca2+］i减少时降低IK1，导致工作心肌或肺静脉肌袖自动去极化增加，诱发异位节律和阵发性房颤。

正常心肌细胞存在跨室壁和（或）区域间复极不均一性。病变心肌由于电重构导致复极离散度增大，诱发折返。如心衰时心肌细胞APD的延长，主要是由于Ito、IKr和IK1的减弱，且Ito的减弱主要发生于心内膜，使得原本在外膜和中层细胞高表达的Ito与之差距更大，导致离散度增加，进而引起心律失常。缝隙连接蛋白可减少这种不均一性，降低折返的发生。但病理情况下，缝隙连接蛋白功能降低，扩大了心肌复极离散度。当一些细胞APD延长时，另一些细胞可能缩短，即发生不一致的交替，容易诱发心律失常。

5.离子流相互作用与药物疗效或心脏毒性评价

由于IKr阻断可以导致致命的尖端扭转型室速（TdP），故检测药物对IKr的作用已成为新药心脏毒性的“检测标准”。但实际中发现，仅阻断IKr并不能诱发复极延迟或TdP。因为心脏复极不仅仅依赖IKr，还依赖其他电流，仅单纯的IKr异常并一定导致心律失常。若同时抑制延长APD的电流，才可能使TdP的事件显著增加。故仅以IKr作为心脏毒性的“检测标准”不够全面。

现有抗心律失常药物虽可控制症状，但疗效不佳，甚至诱发新的心律失常，也不能降低死亡率。因此，寻找针对离子流相互作用的药物可能更符合客观实际。如胺碘酮等作用于多种离子流，使APD延长，但跨室壁复极离散度（TDR）却不增加，甚至降低。Scirica等发现抗心绞痛药物雷诺嗪同时阻滞INa，L和IKr，长期应用并不延长QT间期。维拉帕米是ICa，L阻断剂，对HERG和Kir6.2电流均有较强的抑制作用，也很少诱发TdP，体现了药物对离子流的综合效应。离子流相互作用理论强调对药效的评价由原来离子流数量转向对离子流相互作用的综合指标，即以综合指标转归作为药物疗效的评判标准，这样更符合客观实际。药物延长病变心肌的APD，对消除折返有效，但能促使TdP。缩短APD的药物利于防止TdP，却促使形成折返。因此，抗心律失常药应该具有双向性APD调控特征，才能有效地纠正心脏电活动的偏离。复合型Ⅲ类药胺碘酮、阿齐利特及CPU-86017可能正是具有这种双相调控APD特性，才较少诱发心律失常。

综上所述，心脏电活动可能由心肌细胞上众多离子流共同完成，各离子流之间以相互作用的模式维持整个心脏正常的电活动。当某种因素使离子流及其相互作用异常时，可导致心脏电活动发生偏离，机体将通过代偿性调节使之恢复并维持正常。当偏离超过一个临界范围后，则诱发心律失常。这说明离子流是心脏电活动的基础，但各离子流不是孤立的，也非若干个离子流简单叠加或平衡，而是存在复杂的、动态的相互影响和相互作用。这种相互作用是心脏电活动的基本模式，它决定着心脏电生理的整合性和协调性。同时，离子流及其相互作用受到诸多因素的影响而发生改变时，机体内环境、内源性物质及神经内分泌系统将进行代偿性调节，使之维持在一个正常范围内。但变化超出此范围，机体将处于失代偿状态，则导致心律失常的发生。由此推测，心律失常的治疗策略应为综合纠正离子流及其相互作用的异常改变，使心脏电活动恢复并维持在正常范围内，才能有效地减少心律失常的发生。

离子流相互作用对于揭示心肌正常电活动以及心律失常的细胞学机制有着重要的意义。但离子流相互作用是一个生理协调系统，要揭示这样复杂的系统，需要多重高质量的互补途径才能实现。由于此概念刚刚提出，还有诸多方面需要进一步研究证实和不断完善，包括：①离子流相互作用的类型和机制的明确；②寻找和确定反映离子流综合作用的心脏电生理指标及其正常值范围；③需要一个更有效的、尽可能反映人类心脏众多离子流相互作用复杂性的评价系统。

（李央　傅义程）

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