宁 可，姜 丽，包怡敏
1.上海中医药大学硕士研究生在读(上海 201203)；2.上海中医药大学基础医学院
·综述与进展·
心血管疾病治疗的靶点
——线粒体ATP敏感性钾通道的研究进展
宁可1，姜丽1，包怡敏2
1.上海中医药大学硕士研究生在读(上海 201203)；2.上海中医药大学基础医学院
摘要：线粒体是心肌保护的重要靶器官。随着对心血管疾病机制研究的深入，线粒体ATP 敏感性钾通道被认为是治疗心肌损伤性疾病的潜在靶点。它是细胞线粒体内一种重要离子通道，其结构复杂，功能多样，在细胞的生理病理过程中起着重要的作用，这一通道保护心肌的机制主要涉及氧化应激、钙超载、细胞凋亡及膜电位的变化等方面。本研究就线粒体ATP敏感性钾通道的结构及其心肌保护机制作一综述。
关键词：心肌损伤；线粒体；ATP 敏感性钾通道；保护机制
心血管疾病已经成为威胁人类健康的最严重疾病之一，随着我国人口老龄化的加快，心肌缺血、心室重构/心肌肥大、糖尿病心肌损伤与心律失常等心血管疾病的发病率逐年上升，其发病率高、死亡率高、复发率高、恢复慢，并发症多等，医学界已把它同脑血管病、癌症并列为威胁人类健康的三大疾病[1]。在治疗过程中，冠状动脉搭桥术(CABG)、经皮冠状动脉成形术(PTCA)、血管支架及旋切术等，也引起越来越多的再灌注心肌损伤，这一现象如今已经成为临床不可忽视的问题。探索缺血性心血管疾病的发生机制，对临床和社会具有十分重要的意义。越来越多的研究证明，线粒体三磷酸腺苷(ATP)敏感性钾通道(mitoATP-sensitive K+channels ，mitoKATP)是保护心肌损伤的重要机制之一，其研究再灌注损伤和其他心肌损伤中发挥着重要的调控作用，被认为是治疗心肌损伤的重要靶点。研究就mitoKATP的心肌保护作用做一综述。
1ATP-sensitive K+channels 及mitoKATP的发现
ATP敏感性钾通道(ATP-sensitive K+channels，KATPchannels)最早由日本学者Noma在豚鼠的心肌细胞上发现。它不同于其他类型的钾通道电生理学特性，是由细胞内ATP和二磷腺苷(ADP)同时调节的一类选择性的非电压依赖性钾离子通道。此通道目前分为两类：细胞膜上的KATP通道(sarcolemmal KATPchannel，sarcKATPchannel )，和线粒体膜上的KATP通道。1991年，lnoue等[2]在大鼠的肝细胞线粒体内膜上证实了mitoKATP的存在，发现了mitoKATP可能也属于内向整流钾通道家族。随后又用免疫荧光等技术证实了在大鼠骨骼肌线粒体内膜中同样存在内向整流钾通道Kir6。近年来也有研究证明，在心血管疾病中，如急性心肌缺血、心肌梗死、心律失常、高血压等疾病中mitoKATP发挥的作用十分广泛[3]。此通道在正常情况下处于关闭状态，但在组织缺血、缺氧或能量耗竭时被大量激活，可产生扩张血管保护心肌细胞作用。因此，mitoKATP通道已成为缺血性等心肌病变的一个重要的治疗靶点。
2线粒体ATP敏感性钾通道的分子结构和生物学功能
2.1分子结构分子生物学研究表明，KATP是由内向整流钾通道(inwardly rectified potassium channel，Kir)和ATP结合蛋白(ATP- binding cassette， ABC)两部分组成的异源八聚体，前者形成离子通道，后者决定KATP的功能[4]。许多研究表明，mitoKATP除了若干亚基不同，大体结构与KATP相似，不同亚型的相互偶联导致了不同组织器官的KATP特性和功能的复杂性。尽管其分子结构尚不十分清楚，但已有研究表明，KATP分为7个亚家族，其中参与组成mitoKATP的亚基为Kir6.1和Kir6.2。其与sarcKATP在药理学上有许多相似点[5-6]，如在SD大鼠的心肌缺血再灌注模型的制备中两者都被尼可地尔(nicorandil)和吡那地尔(pinacidil)开放，而被格列本脲抑制。这也再次说明了其分子结构可能与sarcKATP大部分相似。Kir6.1和 Kir6.2为KATP具有代表性的两个亚基，分别为含424个和390个氨基酸的多肽，都包括两个疏水的跨膜区段和H5区组成，其胞内羧基末端都有蛋白激酶A(PKA)依赖的磷酸化位点和蛋白激酶C(PKC)依赖的磷酸化位点[7]。组成KATP通道的ATP结合蛋白包括磺酰脲受体(sulfony lureareceptor ，SUR)和纤维囊性跨膜调节蛋白(CFTR)，SUR又分为SUR1、SUR2A和SUR2B 3个亚基。
2.2分子生物学功能mitoKATP通道的开放主要受细胞内ATP与ADP浓度比值的影响，在Kir的各个亚基上均有 ATP的结合位点，ATP与其位点结合就会产生强烈的抑制mitoKATP通道的作用。mitoKATP主要产生两方面的生物学作用：一是调整线粒体内钾离子的浓度，以维持线粒体容积的稳定，引起线粒体能量代谢相关酶的表达，对细胞具有保护作用[8]；另一方面是参与氧化与磷酸化过程时，在线粒体中此通道的钾离子摄取可以部分弥补因质子泵转运H+引起的电荷变化。从而维持一定的跨膜电位[9]。有研究表明，很多代谢因素和药物的调控也会影响到mitoKATP的开放和关闭。Nicorandil、 pinacidil是非选择性KATP通道开放剂，可以同时使sarcKATP和mitoKATP通道开放，diazoxide(二氮嗪)是特异性mitoKATP通道开放剂。ATP与ADP是mitoKATP的一对竞争性抑制剂，但只有在Mg2+存在时，ATP对通道才发挥抑制作用，ATP和Mg2+单独存在时均不影响通道活性。也有文献报道，鸟苷酸可以扭转ATP和ADP对通道的抑制作用。在ATP存在时GTP和GDP可以抑制通道对ATP的高亲和力而激活通道，从而成为mitoKATP的生理开放剂。mitoKATP活性不仅可以被ATP抑制，磺脲类药物(SUR)和5-羟基葵酸盐(5-hydroxydecanoate，5-HD)也是该通道有效的阻滞剂[10-11]。有实验证实，选择性mito KATP阻滞剂抑制了缺血损伤中的mitoKATP对心肌的保护作用[12]。然而也有实验认为，不能完全排除sarcKATP对心肌的保护作用。
3线粒体ATP敏感性钾通道的心肌保护作用机制
在正常情况下，线粒体ATP敏感性钾通道处于关闭状态；当组织缺血或缺氧时，ATP与ADP的比值发生变化而导致mitoKATP开放[13]。mitoKATP对心肌细胞具有明显的保护作用，其保护途径包括：氧化应激、钙超载、细胞凋亡及MPTP开放等方面。
3.1调控氧化应激当心肌组织或细胞缺血、缺氧时，活性氧(ROS)的生成能力增强，清除功能下降；而恢复组织的供血和供氧时，ROS便大量生成，造成细胞急性或慢性损伤[14]。Carroll等[15]用离体人心房细胞第一次直接证明了mitoKATP被Diazoxide开放后诱导细胞产生自由基，其来源可能是线粒体。使用5-HD或自由基清除剂能够阻断这种作用。过量的ROS有可能通过一些间接的途径抑制线粒体功能等激活凋亡信号通路，引起缺血性心肌损伤。Vanden Hoek等[16]证明，mitoKATP开放后作用是双向的，在心肌缺血缺氧早期，mitoKATP开放，ROS生成增加，产生了保护作用；在再灌注和复氧期，mitoKATP开放，抑制ROS的大量生成，减轻再灌注损伤。
3.2减少线粒体钙超载当心肌组织或细胞缺血或缺氧时会激活磷脂酶C，导致内质网的钙离子释放出来[17]，而细胞内的钙离子浓度增高会引发磷酸化反应，也会导致氧自由基的增多而加快细胞的损伤。mitoKATP开放使线粒体内膜电位下降，抑制了Ca2+内流，从而有效缓解线粒体内钙超载[18]。mitoKATP开放后部分钙离子从线粒体转入胞浆，线粒体内钙的浓度降低，这可以阻止或延缓心肌的损伤[19]。
3.3降低心肌细胞凋亡研究发现，线粒体通透性转换孔(MPTP)作为细胞凋亡的触发点，在其开放时可以诱导细胞凋亡因子，从而触发凋亡[20]。心肌缺血时，ROS生成增多，钙超载，ATP匮乏与磷酸盐积累过多可能导致MPTP的开放，因此抑制MPTP的通透性是保护心肌细胞缺氧缺血/再灌注损伤的重要策略[21]。而先前有研究发现，mitoKATP位于线粒体内膜上，是MPTP重要的内源性调节器。有研究证明，二氮嗪可使心肌的mitoKATP开放，对心肌细胞有保护作用，而使用MPTP的开放剂后，这种保护作用受到了抑制[22]。还有一些研究也同样证明，mitoKATP和MPTP之间有密切的关系，这种机制可能是mitoKATP的开放抑制了MPTP的开放而保留了膜电位，从而达到保护心肌的作用[23]。
3.4平衡线粒体膜电位线粒体膜电位(mitochondrial membrane potential，MMP)是由膜内外质子及其他离子浓度不对称分布所形成的，是一种储存于线粒体内膜的电化学势能。用线粒体膜电位来衡量线粒体的功能已被广泛应用[24]，mitoKATP的开放可抑制膜电位的下降使其保持平衡而降低细胞凋亡。原因可能是mitoKATP通道开放后，K+沿着电化学梯度进入线粒体，使线粒体基质内渗透压增高而引起基质肿胀，从而使膜间隙结构得以保持， 防止外膜孔蛋白(porin)的通透性增高使腺嘌呤核苷酸进入[25]。mitoKATP通道开放引起基质肿胀还有利于能量代谢。mitoKATP开放时，K+进入线粒体导致基质肿胀使肌酸激酶和腺嘌呤核苷酸移位酶(adenine nucleotide translocase)在线粒体外膜的功能性耦联更强，该耦联使线粒体磷酸化肌酸而非ADP，而被磷酸化的肌酸有利于能量转移到细胞浆， 通过减少线粒体ATP的消耗来减轻细胞能量代谢以降低细胞的凋亡或者坏死[26]。
4线粒体ATP敏感性钾通道参与预处理和后处理心肌保护
4.1缺血预适应(IPC)这一概念在1986年由学者Murry[27]首次提出，其方法是对心肌进行反复短暂性的缺血预适应，来减轻后续较长时间缺血所导致的心肌损伤，以增强心脏对缺血的耐受性。有研究发现，在IPC的心肌保护中，mitoKATP可能是缺血预处理的共同终末途径。缺血预处理减轻再灌注后细胞凋亡、心肌梗死面积和心律失常，以及其他心肌保护等作用都可能是通过激活mitoKATP实现的。Johansen等[28]报道，mitoKATP的阻断剂5-HD能完全拮抗H2S预处理对离体大鼠心脏的保护作用，说明了激活mitoKATP能降低心肌梗死面积，在心肌缺血、缺氧时起保护作用。Landoni等[29]的研究认为mitoKATP在吸入麻醉药预处理的心肌保护机制中也起重要作用。这种机制可能是mitoKATP开放后，线粒体膜电位短暂的去极化并且线粒体呼吸脱偶联，从而产生少量的活性氧(ROS)；而ROS的产生同时促使开放了mitoKATP，形成正反馈，不断地传递和放大预处理信号。
4.2缺血后适应(IPO)主要作用于再灌注早期，是在心脏开始再灌注之前的几分钟内，进行一次或多次的短周期的再灌/停灌处理。经典的缺血后处理与预处理有着相似的心肌保护效果。研究发现，缺血后处理与mitoKATP的活化机制密切相关。有实验表明[30]七氟醚后处理的缺血再灌注过程中可以通过激活mitoKATP通道有效地保护缺血再灌注心肌的损伤。而使用其阻断剂时却明显的抑制了其对心肌的保护作用。
4.3药物预处理与后处理随着对缺血预处理机制认识的不断加深，药物预处理将也成了一种趋势，它不仅可以扩大使用范围，节约处理时间，更适于临床应用。用药物预处理可以达到缺血预处理保护心肌的作用，目前研究发现，很多药物预处理的保护机制与促进mitoKATP开放有关，例如使用冠心康[31]、硫化氢[32]、右美托咪定[32]等药物预处理时，均对心肌具有保护作用。此外，一些中药预处理也有此类作用，例如，葛根素预处理可以通过开放mitoKATP明显减轻大鼠的心肌缺血再灌注损伤，而利用其阻断剂5-HD可减弱其保护作用[34]；刺五加苷[35]可以通过开放PIP信号转导途径中的效应子mitoKATP增强左心室的收缩功能，增加冠脉流量，抗缺血再灌注心律失常，对心肌也产生一定的保护作用。同时，也有实验表明，用阿托伐他汀对mitoKATP的药物后处理也具有良好的心肌保护作用，也能够减轻缺血再灌注损伤[36]。通过用药物激发或模拟机体自身内源性抗损伤物质，模拟缺血预适应与后适应，发挥用药物代替缺血保护作用，开辟了心脏保护的一个新领域，这对于开发新药或老药新用很有价值。
5总结与展望
心血管疾病的病理机制十分复杂，大多数类型的心肌损伤性疾病都有多个病理环节参与，是多信号传导通路和多靶点参与的过程，而mitoKATP通道特殊的生理功能和结构特点，已经成为心血管领域近年来研究的热点。因此，深入研究心血管系统的mitoKATP通道的功能特性，对于心肌细胞的存活具有重要意义，同时开发出对人类安全有效的mitoKATP通道开放剂，有望成为治疗心血管疾病的理想药物。
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(本文编辑王雅洁)
(收稿日期：2015-09-18)
中图分类号：R54R256
文献标识码：A
doi：10.3969/j.issn.1672-1349.2016.07.012
文章编号：1672-1349(2016)07-0707-04
通讯作者：包怡敏，E-mail：yiminbao@163.com
基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(No.81303256，81202945)
