【发布】起搏通道和病窦综合征

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离子通道和窦性节律

    超极化激活的阳离子流If长期以来被认为是心脏起搏活动产生的重要离子流基础。不过，有关该离子流真实的生理意义是长期争论的焦点并持续至今。现认为五类离子流参与调节窦房结活动：超极化激活通道（If）、两个钾通道（Ikr和Iks）、毒蕈碱受体激活的钾通道（IkAch）、两种钙通道（Ica-T和Ica-L）以及持续性内向电流（Ist）。窦房结细胞内高密度表达T型钙通道Ca3.1（α1G），中等密度表达L型钙通道CaV1.2（α1C）和CaV1.3（α1D）。CaV1.3基因失活因舒张期除极减慢而出现静息状态下的窦性心律失常。已报道T型钙通道Ca3.1基因失活，但未能详细描述心脏表型，Ca3.1缺乏最有可能产生静息状态下的心动过缓。让我们惊讶的是，鼠起搏活性受河豚毒敏感钠通道Nav1.1和（或）Nav1.3影响。低浓度河豚毒增加了心率变异性，降低了安静状态下的心率。破坏基因编码的GIRK4——一种IkAch通道亚单位，使迷走刺激的负性变时效应降低了一半。从以上的研究我们可以看出静息时窦性节律受多重离子通道调节并具有多种调节机制。

    此外，交感神经刺激增加起搏活动，毒蕈碱刺激减慢心脏频率。这种相反的自主起搏活动调节是由快速的毒蕈碱通过G蛋白亚单位激活IkAch和缓慢的腺苷受体激活增加cAMP水平完成的。cAMP直接与If通道耦联，增加窦房结除极化频率，甚有可能激活cAMP激酶，导致两种L型钙通道CaV1.2和CaV1.3磷酸化并易于激活。与超极化激活一致，环核苷酸（HCN）门控基因编码If通道，对这个基因以及通道电流的研究有可能解释正常和病理状态下心脏节律的形成。

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心脏表达HCN

    哺乳动物基因组编码四种HCN基因，直接命名为HCN1～HCN4。心脏已发现全部四种异构体。不同种属、不同心脏组织和发育不同节段这些异构体的表达存在差异。研究发现不同种属（兔、鼠和犬）成年动物窦房结优势表达HCN4，约占总体HCN信使约80％。在老鼠，其余的HCN转录本主要是HCN2和极少的HCN1。相反，兔窦房结细胞观察到明显的HCN2表达（约占20％）。一个问题是人类的窦房结HCN表达模式类似于鼠模式（HCN4＞HCN2＞HCN1）还是类似于兔模式（HCN4＞HCN1＞HCN2）？已发现胚胎鼠发育中的窦房结高表达HCN4 mRNA和蛋白。此外，业已发现胚胎起搏细胞低水平表达HCN1和HCN3 mRNA。

    根据鼠科动物表达HCN异构体模式，研究者建立了缺乏HCN2和HCN4通道的鼠模型，发现了这两种心脏起搏通道不同的功能。HCN1基因敲除鼠也有报道，不过未详细研究心脏改变。

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分析HCN2敲除鼠

    缺乏HCN2通道的鼠表现出明显的心脏和神经表型。突变的鼠出现共济失调步态、活动减少和失神癫痫。除了这些神经缺陷以外，鼠还出现心律失常，特征性表现为变化性的RR间期，但PQ、QRS和QT间期以及单个心电波形正常（见图1），提示心律失常是由于窦房结功能不全引起的。突变鼠RR间期波动并不是随机的。一阵正常的心搏活动（几秒～几分钟）后跟随一阵较慢的心搏。值得注意的是突变鼠最短RR间期并不比野生型鼠短（例如突变鼠峰值心率并不比野生型鼠快）。相似的，两组鼠活动时心率以及心率对异丙基肾上腺素的反应没有区别。这些证据表明HCN2并不是交感刺激心率变化的必需条件。

    膜片钳记录显示HCN2缺陷鼠窦房结膜电位较野生型鼠更为超极化。HCN2敲除鼠窦房结最大舒张期电位漂移约－5mV。这些结果提示野生型鼠HCN2有活性，主要使膜电位更为极化（水平）。因此，窦房结细胞里的HCN2主要作用是稳定正常的舒张期膜电位。HCN2缺陷鼠缺乏HCN2的这些功能可能解释它们导致的心律失常。在这些老鼠中，过度的超极化（例如增加K＋通道活性或降低除极电流）使之不能像野生型鼠那样快速的调节至更为正向的电流，导致动作电位延迟产生。从分离的窦房结细胞记录的动作电位也证实了以上观点。从野生型鼠中记录到规则的动作电位曲线（见图1B），而HCN2缺陷鼠记录到不规则的动作电位曲线，与其心电图表现一致。RR间期变异和动作电位－动作电位变异，总之，HCN2是确保最大舒张期电位出于正常范围的安全机制。缺乏HCN2通道使膜电位处于超极化状态，导致动作电位形成不规则。

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分析HCN4敲除鼠

    删除HCN4基因外显子4可以产生HCN4缺陷鼠。除了心脏HCN4缺乏外，纯合子鼠在胚胎第9.5～11.5天死亡。在这些鼠的胚胎心肌细胞，If电流下降约80％。基因缺陷鼠未发现心脏结构缺损。不过，与野生型鼠相比，HCN4缺陷鼠心脏收缩速率下降约40％。此外，与野生型鼠相反，增加cAMP浓度并不改变HCN4缺陷鼠收缩速率。重要的是，野生型鼠和基因敲除鼠收缩节律规则，未出现明显的心律失常。

    野生型和HCN4缺陷鼠动作电位记录呈“初级”动作电位。在胚胎第9天，野生型鼠可见“成熟”的起搏电流，而HCN4缺陷鼠胚胎未发现起搏电流。这些发现提示HCN4在起搏电流调节和基础心率决定方面起着重要作用。此外，这个通道介入了交感刺激心率反应，至少在胚胎如此。

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离子通道缺陷可导致病窦综合征

    病窦综合征可因窦房结功能不全出现一系列症状，例如头晕、疲劳和晕厥。这是常见植入起搏器的心脏疾病，大约50％的起搏器植入原因为病窦综合症。窦房结功能不全可以出现数种心电图特征：窦性心动过缓、窦性暂停、窦房传导阻滞或交替的慢－快综合征。大部分的病因是原发性窦房结退行性变和继发性药物所致。但对显著一部分患者来说，并未发现器质性心脏异常或外在原因，而且几个家族性遗传性窦房结功能不全已有报道。

    当If的分子基础一旦阐明以后，人们就推测HCN通道原发性缺陷可能是某些心律失常的基础，特别是家族性窦性节律疾病；也有可能是HCN通道缺陷有利于获得性心脏节律形成紊乱。基于以上原理，几个研究组开始扫描先天性窦房结功能不全患者的HCN通道。在两个遗传性病窦综合症大家系分析编码HCN2和HCN4的基因，未发现病理性突变。2003年一个研究组报道一例特发性窦性心动过缓和变时功能不全者出现HCN4杂合子突变。突变造成HCN4蛋白缺乏环核苷酸耦联域，突变通道不能被cAMP激动。此外，突变蛋白还出现灭活动力学改变。复合表达实验证实野生型亚单位的突变通道主要是负性变时效应。该例患者变时功能不全是由于其HCN4通道对β肾上腺介导的增加细胞内cAMP无反应。这例窦性心动过缓也可能是由于较快灭活动力导致HCN4通道利用度降低所致。然而，尚无可供利用的基因连锁资料进一步证实上述突变属于病理性。

    HCN4在成年心脏起搏中的作用尚未完全明了。正如下面所说，已有的HCN通道阻滞剂在较高浓度下同时阻滞其他离子通道，势必增加了结果的不确定性。HCN4缺陷成年鼠还未有报道，因为HCN4缺陷鼠早死于子宫。无论如何，HCN4敲除胚胎由于HCN4通道丢失出现严重的心动过缓和变时功能不全。这些都是病窦综合症的特征。此外，这些结果与上面HCN4基因突变患者表现一致。然而，必须认识到HCN4突变患者和基因敲除条件至少存在两个方面的不同：（1）该患者突变是杂合子；相反，杂合子基因敲除鼠未出现任何异常；（2）除了灭活动力改变以外，人类突变通道（在无刺激条件下）电流产生与野生型鼠类似，而基因敲除动物不产生任何HCN4电流。总之，HCN4通道缺陷可能是部分家族性病窦的病因。是否该离子通道缺陷有利于获得性心律失常尚不得而知。人类除HCN4外其余HCN通道突变尚未见报道。

    鼠HCN2通道缺失出现的心律失常是由于窦房结功能故障所致。然而，突变心电图不负荷病窦综合症的大部分心电图模式。RR间期变异性显著增加提示心律失常的原因是自主张力改变。不过，分析选择性敲除HCN2的心肌细胞，去神经心房和单个窦房结细胞记录的动作电位等一致证实心律失常独立于任何自主神经失平衡。此外，HCN2缺失鼠交感神经刺激心率增加反应正常。总之，HCN2敲除心律失常代表了一种特殊形式的窦房结功能不全。这种功能不全不出现明显的临床症状，因为心输出量无较大改变。

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起搏通道阻滞剂潜在的致心律失常效应

    假设起搏电流If基本作用是调制起搏电位，有关心动过缓药物作用于起搏电位和If的研究已有多年。在HCN通道被当作If基础离子通道以前很长时间里，山羊心脏蒲肯野纤维和兔窦房结细胞记录的动作电位发现自发性缓慢舒张期自发除极频率降低，但并未消失，加用某一物质后，导致更慢的窦房结细胞自发频率。因为这些效应显著发生于动作电位周期的第4相，低剂量时对其他时相影响相对较小，这些物质就是特异性心率减慢而不影响正性肌力作用或出现心律失常药物的主要候选药物。心脏和神经细胞电压钳实验显示If阻滞后，在反复逐步至超级化电位后，这种阻滞进展十分缓慢。在心脏细胞，超极化电位出现在舒张期，提示If电流在每个动作电位之间部分阻滞，较多心搏后才能完全阻滞。这种行为被称为“使用依赖”：使用依赖性心动过缓药物治疗作用发生在一定数量增加的心搏上（例如更多的If流被用于下次心搏的发生，则这种阻滞更为完全）。因此，心动过缓效应出现在心动过速或心动过速性心律失常上，而不会出现在其他情况下。这种效应让人期盼，例如治疗劳力诱发的心绞痛，因其心率增快降低了舒张期灌注时间，可以导致有害的低心肌灌注。

    目前有三种使用依赖性If通道阻滞剂应用于临床：zatebradine、cilobradine和ivabradine。结构上，这些药物与维拉帕米，一种L型钙通道阻断剂有关。这些化合物阻断If通道的效能高于阻断心脏细胞的Ica，L和Ik电流。在初步的实验研究中发现克隆的HCN通道实际是高亲和力阻滞。图2显示了5μm cilobradine对人类胚胎肾293细胞HCN通道电流的影响。表达HCN通道的电流阻滞方式为使用依赖性，与所描述的自然If一致。已研究的三个HCN通道亚型在其稳定状态对这些阻滞剂的亲和力无区别。IC50 cilabradine约为1μm，zatebradine约为2μm。然而，HCN4，窦房结主要的HCN亚型通道，在使用依赖性上具有更快的阻滞：只需激活20％～40％的通道既可达到完全阻滞，而HCN1和HCN2需激活200～400。

    根据基因敲除鼠获得的研究结果，HCN4通道可能上调心率，而HCN2通道主要是稳定舒张期膜电位，防止心律失常的发生。特异性阻断HCN4通道可以降低心率而不必担心出现其他心律失常。因为cilodradine（和zatebradine）具有轻度的HCN4优选作用，研究试验了cilodradine是否可以在老鼠中诱导特异性的心率和心率变异性。老鼠心率可以降低约70％，从600次/分（注射生理）到180次/分（cilodradine，2mg/kg），见图2B（上）和图2C（第1和第2条心电图）。增加剂量至7.5mg/kg并不能进一步减慢心率，提示基础心率持续独立于Ik。同时，增加剂量导致心律失常发生，见图2B（下）和图3（第3份心电图记录）。注意，心律失常类型与上述HCN2敲除鼠极为类似，心律特征性的被慢频率节律间隔。这种奇特的现象让人怀疑cilodradine对某一亚型通道的影响可以产生不同的心率效应：（1）在低剂量时，只有HCN4被阻滞，导致规则的心率下调；（2）高浓度，除HCN4外，HCN2也被阻滞，导致心率下降和心律失常。不能除外高浓度cilodradine阻断其他调节心率的通道，例如L型和T型Ca2+通道，Ist通道和延迟整流K＋通道（据报道与zatebradine有高亲和力）。

    从HCN敲除鼠和If阻滞剂的试验研究，我们可以看出窦房结表达调节心率的HCN通道。HCN4通道可以提高心率至基础频率以上，HCN2可防止心律失常。阻断HCN通道可产生临床期望的减慢心率作用。高浓度HCN阻断剂可导致心律失常，临床应用应注意这点。