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张杰 武立达 钱玲玲 王如兴
心肌细胞动作电位(AP)的平台期由内向L-型钙电流和外向钾电流形成,但是在AP的平台期时也有内向流动的微小钠电流,可持续整个平台期,影响AP 的形态,即晚钠电流。正常情况下晚钠电流很小,而在一些病理情况下,如心肌缺血缺氧、心力衰竭(简称心衰)、氧化应激和长QT 间期综合征3(LQT3)时,晚钠电流增加,引起AP时程(APD)延长,从而诱发心律失常[1]。笔者对晚钠电流致心律失常的机制及药物靶向治疗进展作一综述。
心肌细胞AP快速上升期后绝大部分钠离子通道迅速转变为完全失活的状态,至细胞膜完全复极化后才恢复。但有一部分钠通道在失活后仍保持开放或重新开放,从而允许在平台期的钠离子内流,即晚钠电流,其在AP 复极过程及之后持续数百毫秒[2]。正常情况下,晚钠电流波幅很小,在大鼠心室肌细胞中,晚钠电流的波幅约为峰钠电流的0.1%,在人心室肌细胞中,晚钠电流的波幅可达峰钠电流的1%[3]。增加的晚钠电流可持续整个AP 平台期,在很大程度上决定了AP的形态,调节APD,在早后除极、晚后除极和触发活动中起重要作用[1]。
由SCN5A 编码的电压门控钠通道1.5(Nav1.5)是心脏最主要的钠通道亚型,经典观点认为心肌中的晚钠电流由Nav1.5产生,而最新研究发现先前认为由Nav1.5产生的钠电流仅部分对河豚毒素(TTX)敏感,另一部分对TTX 不敏感,提示晚钠电流可能存在两种成分,这另一种成分可能就是 由SCN10A 编 码 的 Nav1.8 钠 电 流[4]。研 究 发 现SCN10A-/-(Nav1.8的基因敲除)小鼠心肌细胞的晚钠电流较野生型小鼠降低,证实了Nav1.8对晚钠电流的贡献[5－6]。与Nav1.5介导的钠电流相比,Nav1.8电流的激活与失活要慢的多,其激活电位显著的向更正的膜电位移动,电流峰值出现在＋20 m V,而Nav1.5电流的峰值多在－30 m V。两种通道亚型在晚钠电流的形成中所占的比例也存在较大差异,当刺激电压为－70 m V 时,Nav1.8激活的晚钠电流仅占7.3%±1.3%,而当刺激电压增大到0 m V,这一比例增大到了39.2%±6.2% ,这或许与Nav1.8的激活特征有关[6]。
电压门控Na＋通道形成大分子复合物,每个复合物由一个成孔α亚基及 包 括β1、β2、β3 和β4 的 调 节 亚 基 组 成,α亚基决定了钠通道的亚型,其中包含着药物毒素的受体位点。钠通道复合物还与SNTA1、CAV3 和钙调蛋白依赖的蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)等蛋白共装配,这些蛋白进一步影响其表达或功能[2]。目前晚钠电流增大的机制明确认为有三种:①窗口电流增加(来自稳态激活曲线和失活曲线的变化);②钠通道失活延缓;③钠通道从失活中恢复加速[7]。缺血缺氧、心衰等疾病状态,内源性因子及某些药物毒素均可影响钠通道复合物的功能,通过上述机制增大晚钠电流,与晚钠电流增加有关的因素见表1。
表1 与晚钠电流增加有关的因素
2.1 基因突变
与Nav1.5α亚单位相关的SCN5A 突变可导致晚钠电流增加,而与Nav1.5相关的4个β亚基中,异源SCN4B-L179F的表达使LQT10 的晚钠电流增加了8 倍[2]。SCN5AR680H、R680H＋S1103Y(共表达)和R680H/S1103Y(位于同一cDNA)使晚钠电流增加为野生型的2.1、3.4和3.6倍[10]。SCN5A 和LQT9突变Cav3-F97C 共表达使晚钠电流增加 为Cav3-WT 的2 倍[11]。R800L-SCN5A 和A261VSNTA1的联合突变显著提高晚钠电流峰钠电流比值,为野生型的5.6倍,延长了APD 并导致长QT 综合征发生。
2.2 内源性因子
晚钠电流也受内源性因子的调节。一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)、Ca2＋、Ca MKⅡ、蛋白激酶C(PKC)可影响通道蛋白的翻译后修饰,单独或协同调节Na＋通道功能。Dallas等[12]发现NO介导的Nav1.5亚硝化,可诱导并增加晚钠电流。而CO 可激活一氧化氮合酶,通过NO 途径增加晚钠电流,此外,CO 还可通过Ca MKⅡ-δ和Nav1.5的磷酸化机制增加晚钠电流[13]。Ma等[14]研究表明佛波酯可在正常钙离子水平激活PKC,增加晚钠电流。当钙离子浓度升高时(从0.1到0.3,0.6,1.0μmol/L),晚钠电流进一步增高,而抑制PKC可以部分降低晚钠电流,表明PKC介导的Ca2＋升高是晚钠电流增加的途径之一。Ca MKⅡ-δ是心脏Ca MKⅡ的主 要 亚 型,它 可 通 过 磷 酸 化Nav1.5 的Thr594 和Ser516 位点来增加晚钠电流。Nav1.5的Ser571是新发现的Ca MKⅡ的磷酸化位点,研究者发现在应激反应及缺血再灌注损伤模型中,Ca MKⅡ通过磷酸化Ser571增加晚钠电流,使APD 和QT 间期延长,从而增加了心律失常事件发生的易感性[15－16]。Greer-Short等[17]则发现CaMKⅡ通过磷酸化Ser571增加晚钠电流,使心房肌细胞Ca2＋循环异常、电生理改变和心房颤动(简称房颤)发生风险增加,但Ser571磷酸化增加晚钠电流的机制仍有待研究。
2.3 其它因素
Hegyi等[18]研究发现β-肾上腺素能受体(β-AR)的刺激及其下游信号可通过蛋白激酶A(PKA)和Ca MKⅡ途径调节晚钠电流产生和幅度变化。PKA 介导的晚钠电流增加主要在AP的平台早期,而Ca MKⅡ则主要在AP的平台晚期和快速复极期间升高晚钠电流。研究还发现直接电刺激EPAC(c AMP激活的交换蛋白)可增强β-肾上腺素诱导的晚钠电流增加,NADPH 氧化酶2产生的活性氧也参与异丙肾上腺素诱导的AP早期晚钠电流的激活。而一氧化氮合酶抑制剂可抑制β-肾上腺素诱导的CaMKⅡ依赖的晚钠电流增加作用。磷脂酰肌醇3-激酶α(PI3Kα)是一种在心脏中具有高活性的原癌基因。药物抑制PI3Kα的活性可激活晚钠电流,导致肌浆网Ca2＋负荷增加和QT 间期延长而致心律失常[9]。
晚钠电流致心律失常机制如图1所示,主要包括:①延长APD,触发早后除极(EAD)。晚钠电流对心律失常发生的影响首先在于其对AP 平台期的影响。正常情况下,AP平台期的净电流很小,几乎为零。因此,即使是相对较小的晚钠电流增加也可以显著延长APD,这些效应在外向钾电流减少及心动过缓的情况下更加明显。APD 的延长为L-型Ca2＋通道提供了从失活中恢复的时间,由之产生的内向钙离子流可触发EAD 以及增加心肌复极的离散度,从而促进折返性电活动形成。②钠离子内流引起细胞内钠超载,通过钠钙交换使细胞内Ca2＋增多,钙稳态失调,引起DAD。③AP4相舒张期去极化增加,导致心肌细胞自律性异常,触发自动除极,尤其易于发生在静息电位低的心肌细胞。此外增加的晚钠电流还增加心室肌细胞跨室壁复极离散度及相关的QTc离散度,具有潜在诱导尖端扭转性室性心动过速(简称室速)的发生[19]。
图1 晚钠电流触发心律失常的可能机制示意图
Fischer等[20]进一步研究发现细胞内钙离子增多通过以下两种机制增加心房肌细胞的肌浆网钙漏,诱发DAD 促进心房颤动(简称房颤)的发生:①激活Ca MKⅡ,使肌浆网兰诺定受体2(RyR2)的Ser2814位点过磷酸化,促进舒张期Ry R2通道开放,引起肌浆网钙漏增加,释放Ca2＋火花。②刺激腺苷酸环化酶5或6,增加细胞内的c AMP,激活蛋白激酶A,进而增加PLN(Ser16)的磷酸化,从而促进肌浆网钙离子摄取,维持肌浆网钙负荷,并使Ca MKⅡ依赖的肌浆网钙漏持续发生。在钠离子超载情况下,Ca2＋通过NCX 进入细胞内,激活Ca MKⅡ。而Ca MKⅡ又磷酸化Nav1.5 使晚钠电流增加。在此情况下,细胞内离子失衡形成一个正反馈,使Ca MKⅡ激活、肌质网Ca2＋泄漏和晚钠电流增加持续发生。
4.1 经典钠通道阻滞剂
临床上相关的小分子钠通道抑制剂包括局麻药、抗惊厥药和抗心律失常药,如利多卡因、卡马西平、苯妥英钠、拉莫三嗪和美西律。这些小分子的钠通道阻滞剂与钠离子通道所谓的“局部麻醉(LA)位点”结合,该结合位点处的氨基酸残基在不同的Nav亚型之间高度保守[21]。正因为如此,“经典”的钠通道阻滞剂特异性低,并非作用于特定的亚型,而是在一定程度上抑制所有亚型,即对峰钠电流和晚钠电流都有抑制作用,而对晚钠电流通常有更强的抑制作用。如利多卡因抑制晚钠电流和峰钠电流的半效浓度分别为29、367 μmol/L,心得安抑制晚钠电流和峰钠电流的半效浓度为3、26μmol/L,奎尼丁抑制晚钠电流和峰钠电流的半效浓度为12、11μmol/L,而雷诺嗪抑制晚钠电流和峰钠电流的半效浓度分别为17、1329μmol/L[22]。可见经典的钠通道阻滞剂的特异性显著小于雷诺嗪。
4.2 选择性晚钠电流阻滞剂
4.2.1 雷诺嗪 与利多卡因、苯妥英钠等钠通道阻滞剂类似,雷诺嗪同样通过与心脏Nav1.5通道的LA 位点结合而抑制钠电流,但是其对晚钠电流更有选择性。Kloner等[23]研究表明小剂量的雷诺嗪(4μmol/L)在急性缺血/再灌注状态下具有明显的抗心律失常作用,研究者将20只大鼠随机分为对照组与给药组,两组发生各种心律失常的比例分别为9/10和3/10(P＝0.02),室速的发生率分别为6/10和0/10(P＝0.01),其机制主要与抑制晚钠电流有关。Morita等[24]在24只离体灌流的老年大鼠心脏上,进行了左室心外膜表面电压和细胞内钙离子的同步光学标测和微电极记录。分别采用快速起搏及0.1 mmol/L H2O2诱导心室颤动(简称室颤)发生。快速起搏在8只大鼠的心脏中有7只诱发了持续性室颤(持续超过3 min只能电复律终止),10μmol/L 的雷诺嗪应用使这7个心脏由持续性室颤转变为平均持续(24±8)s的非持续性室颤。暴露于H2O2使8例老年鼠心脏均发生持续性多起源室颤,10μmol/L 雷诺嗪灌流(1.1±0.4)min终止了室颤的发作且在灌流的1 h内未出现EADs,而8个心脏中的7个在雷诺嗪冲洗后平均(36±10)min出现自发性室颤。进一步研究发现雷诺嗪是通过将触发病灶的数量减少到维持室颤所需的临界值以下从而抑制多起源室颤的发生。除了基础研究外,雷诺嗪还是首个进入临床研究的晚钠电流抑制剂。
一项双盲HARMONY2期临床试验纳入了134名阵发性房颤和植入起搏器的患者,持续监测12周的治疗期内房颤负荷(AFB)。患者被随机分为安慰剂、雷诺嗪(750 mg,每日2次)、决奈达隆(225 mg,每日2次)及雷诺嗪(750 mg,每日2次)与决奈达隆(150 mg或225 mg,每日2次)联用组。结果显示两种药物单用与安慰剂组相比不能显著降低AFB,而联合治疗组中,雷诺嗪＋决奈达隆(225 mg组)和雷诺嗪＋决奈达隆(150 mg组)分别比安慰剂组降低了59%(P＝0.008)和43%(P＝0.072),且患者对这两种组合耐受性均很好,在安全性方面,各给药组均对QT 间期无影响[25]。同年在另一项RAFFAELLO 实验研究了不同剂量雷诺嗪治疗房颤的效果。研究纳入了持续性房颤(7天至6个月)的患者,在成功电复律2 h 后,将患者随机分为安慰剂、雷诺嗪375 mg、500 mg和750 mg,每日2次组。体表心电图显示雷诺嗪在各给药剂量下均未延长QTc间期(与安慰剂组相比,P＞0.4),在服用至少一剂研究药物的238名患者中,安慰剂组和雷诺嗪375 mg/500 mg/750 mg组的房颤复发率分别为56.4%、56.9%、41.7%和39.7%。提示两个较高剂量的雷诺嗪具有抗心律失常效果,预计可使房颤复发率降低大约35%[26]。
在一项RAID 研究[27]中,1 012例植入了埋藏式心脏转复除颤器(ICD)的患者被随机分为雷诺嗪(1 000 mg,每日2次)组和安慰剂组,主要终点是需要适当的ICD 治疗的室速或室颤或死亡。雷诺嗪组与安慰剂的主要终点风险比为0.84(95%CI:0.67～1.05P＝0.117)。与安慰剂组相比,雷诺嗪组显著降低了需要ICD 治疗的复发室速或室颤的风险(风险比:0.7,95%CI:0.51～0.96;P＝0.028)。然而雷诺嗪治疗的其它效果并不显著。Gong等[28]在对8 项随机临床试验的荟萃分析中发现,雷诺嗪可显著降低不同临床情况下房颤的发生率,如急性冠状动脉综合征、心脏手术后和房颤电复律后。此外,雷诺嗪和胺碘酮联合使用与胺碘酮单独使用相比,房颤转复率高1.23倍(95%CI:1.08～1.40),转复时间明显缩短约10 h。
4.2.2 GS967 GS967是一种三唑并吡啶衍生物,目前大量研究提示GS967可显著改善心肌细胞电重构。Belardinelli等[29]首次发现GS967可抑制ATX-Ⅱ诱导的兔心室肌细胞晚钠电流增加(半效浓度0.13μmol/L)和舒张期胞内钙浓度增加,促进兔心室肌细胞APD 缩短及舒张期钙瞬变减少。此外,GS967还减弱氯非铵对兔心室肌细胞延迟整流钾电流的抑制,致兔体表心电图QT 间期缩短(P＜0.01),进而显著降低尖端扭转性室速的发生(P＜0.05)。此后,Alves等[30]在肾上腺素诱导的猪自发性室速模型中发现,GS967通过选择性抑制心肌细胞晚钠电流,致T 波电交替(TWA)的幅度降低(降幅最高可达62%),从而显著抑制肾上腺素诱发的自发性室性心律失常的发生(P＜0.05)。Bonatti等[31]发现GS967可抑制缺血引起的左房和左室交替波的增加,降低缺血引起的去极化异质性和复极不均一性,减少了缺血诱发的心电不稳定性。此外,在慢性房室传导阻滞(CAVB)犬模型中,体内外试验均发现GS967 显著缩短了复极时间,并且GS967完全消除了多非利特诱导的CAVB犬尖端扭转性室速的发生(10/14 vs 0/14,P＜0.05),而这被证实与GS967降低复极空间离散度有关[32]。然而,目前关于GS967的作用机制尚不明确,初步研究表明GS967可能对Nav1.5的失活区域具有高度的亲和力,加速钠电流慢失活的门控特性,进而延缓其失活后恢复的过程[33]。
4.2.3 伊拉嗪(又名GS-6615) 伊拉嗪是一种新发现的钠电流抑制剂,与传统的钠通道阻滞剂相比,其与LA 结合位点的相互作用速度更快,具有较高的晚钠选择性。El-Bizri等[34]使用膜片钳技术对表达野生型人心脏Nav1.5和21种LQT3突变体细胞的离子流进行记录,发现伊拉嗪可抑制ATX-Ⅱ增加的晚钠电流,半效浓度为(0.62±0.12)μmol/L。Bacic等[35]在13只闭胸麻醉的猪模型中静脉注射肾上腺素以诱导自发性室速,右室腔内心电图记录发现静脉注射伊拉嗪可以使室速的发生率降低56%(P＝0.004),肾上腺素诱导的TWA 峰值降低64%(P＜0.001)。Fuller等[36]进行类似研究发现GS967减少了肾上腺素诱导的房性早搏3倍以上(P＜0.04),肾上腺素联合乙酰胆碱在7只猪中均诱发出了房颤,而伊拉嗪抑制了全部动物房颤的发作(P＝0.04)。除了雷诺嗪外,伊拉嗪是目前唯一进入了三期临床的晚钠电流阻滞剂。一项三期单盲研究(NCT02300558)纳入了41名LQT3的患者,单盲给药24 周,第1 天给予48 mg的安慰剂,第2天给予负荷剂量48 mg的伊拉嗪,从第3天到12周给予3 mg伊拉嗪,每日1次,12周至24周予6 mg的维持剂量,每日1 次。主要观测研究起始至24 周的平均日间QTc。结果显示伊拉嗪使平均QTc减少了8.5 ms(P＜0.01)且仅有一位患者出现了严重的不良反应(肾结石)。在一项TEMPO2 期临床试验中(NCT02104583),313 名植入ICD 的受试者被随机分成伊拉嗪(3 mg,6 mg,每日1次)和安慰剂组,主要观测24周内ICD 电击事件的发生率,结果表明应用伊拉嗪相较安慰剂组增加了电击事件的发生,因此在2016年底,伊拉嗪的所有相关研究被终止。
4.2.4 F15845 F15845对藜芦碱诱导的晚钠电流的半效抑制浓度为3.25μmol/L,而当浓度为10μmol/L 可以抑制峰钠电流23%[37]。F15845的相关研究较少,笔者查询到的最后一次实验数据发表于2010年,该团队研究发现F15845降低了藜芦碱和ΔKp Q 突变(可引起LQT3)增加的晚钠电流,在冠状动脉结扎造成的缺血兔模型中,F15845(从2.5 mg/kg起)呈剂量依赖性的降低了室速和室颤的发生率[38]。
4.2.5 GS-462808 GS-462808是Koltun等[39]在GS967的分子基础上进一步加工而得到的一种化合物,膜片钳记录发现GS-462808对晚钠电流的半效抑制浓度为1.9μmol/L,加大浓度至10μmol/L 时可抑制10%的峰钠电流,与GS967相比,其对心脏选择性更高,仅阻断8%的脑Nav1.1电流。随着在毒理实验中表现出肝脏毒性,GS-462808的进一步研究被终止。
4.3 Nav1.8抑制剂
Yang等[6]用膜片钳技术观察Nav1.8的特异性阻滞剂A-803467对心肌细胞钠电流及APD 的影响。结果显示低剂量(30nmol/L)的A-803467 显著降低了兔心室肌细胞的晚钠电流,缩短了APD 并抑制了ATXⅡ诱发的小鼠和兔心室肌细胞EADs的发生。Pabel等[5]发现A-803467 或PF-01247324(另一种Nav1.8阻滞剂)可显著降低人心房肌的晚钠电流(约50%),抑制舒张期肌质网Ca2＋漏,降低了舒张期钙波的频率,抑制了迟后除极和自发AP的发生。这些结果在SCN10A-/-小鼠中被进一步证实。更重要的是,SCN10A-/-小鼠房颤诱发率及持续时间均显著低于野生型小鼠,Nav1.8的基因敲除表现出了强大的降低房颤发生的作用。
4.4 SGLT2抑制剂(SGLT2i)
SGLT2i,即钠-葡萄糖共转运体2 抑制剂,是临床上常用的新型降糖药,国内外已上市的SGLT2i包括恩格列净、达格列净、坎格列净等6种。近年来研究发现,SGLT2i同样具有强大的心血管保护作用,可改善糖尿病伴心衰患者的预后。Philippaert等[40]采用膜片钳技术、钙成像和全心脏灌流技术研究了SGLT2i在心衰,基因突变的心肌细胞中的作用。研究表明10μmol/L的恩格列净可减少心衰小鼠心肌细胞及含有LQT3突变R1623Q 或ΔKPQ 的心脏Nav1.5通道的晚钠电流,恩格列净、达格列净、坎格列净均可选择性抑制H2O2诱导的晚钠电流(半效浓度分别是0.79、0.58和1.26μmol/L),对峰钠电流的影响较小。研究还发现恩格列净与Nav1.5的LA 结合位点相互作用,1μmol/L 恩格列净使藜芦碱诱发的自发钙瞬变的发生率降低了46%,而对正常状态的心肌细胞钙瞬变无明显影响。
4.5 其它非抗心律失常药物
姜黄素是多离子通道阻滞剂,可同时阻滞晚钠电流(半效浓度为7.53μmol/L)和峰钠电流,且对晚钠电流的抑制作用是峰钠电流的52.97倍[41]。槐果碱呈浓度依赖性抑制晚钠电流及反向钠钙交换电流,减轻了细胞内钙超载,从而具有抗心律失常的作用[42]。Abrams等[43]发现成纤维细胞生长因子13(FGF13)直接与小鼠心肌细胞的Nav1.5 的C 端相连,可抑制IQ/AA 突变心肌细胞的晚钠电流。Matasic等[44]研究发现NAD＋的前体烟酰胺核苷可通过多种机制对Nav1.5起差异性调节,降低新生大鼠心肌细胞的晚钠电流,缩短小鼠心室肌细胞QTc间期,补充烟酰胺核苷可能是一种新的抗心律失常治疗策略。
目前大量实验室研究已证实心肌细胞晚钠电流增加是多种心脏疾病致心律失常发生的重要原因,抑制晚钠电流可显著减少多种房性和室性心律失常的发生。以晚钠电流为靶点的药物或将为心律失常的治疗开辟一条新的渠道,为此需要进行更多的临床实验以评估其安全性和有效性。此外,Nav1.8在心律失常发生中的具体作用,其它非心脏钠通道亚型是否也参与心肌晚钠电流的形成,这些都值得进一步的探讨和研究。
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