钠氢交换蛋白1及其抑制剂的研究进展

马嘉琪 陈章炜 钱菊英

钠氢交换蛋白[sodium hydrogen exchange protein(Na+/H+exchanger)，NHE]是一种离子转运蛋白。1976年，Murer等[1]首次报道了存在于大鼠小肠和肾脏微绒毛结构中的NHE。至此，已发现10种NHE异构体，即NHE-1至10[2-3]。其中，NHE-1主要分布于心肌细胞膜上，NHE-2至4主要分布于肾脏及胃肠道细胞膜，NHE-5分布于大脑细胞膜，NHE-10分布于破骨细胞膜[3]，而不同于前几种异构体，NHE-6至9则主要分布于胞内膜结构[4]。

NHE-1可通过使心肌细胞外钠离子与细胞内氢离子1∶1交换，调节细胞内pH值，维持细胞容积，同时在心肌细胞生长等过程中也发挥着重要作用[4-5]。研究已证实，NHE-1 在多种心血管疾病中，尤其是心力衰竭、心肌肥厚、冠心病等的发生、发展中起着重要作用。本文将就NHE-1的蛋白结构、生物学功能及其在心血管疾病中的变化及病理生理学机制做一综述。

1 NHE-1的结构及功能

NHE-1蛋白分子量为90 000，糖基化后分子量为110 000，由815个氨基酸组成[6]。其包含两个功能结构域：一部分为-NH2端(N-端)，是由500个氨基酸组成的12次跨膜结构，主要发挥跨膜离子转运功能，是介导一个胞外Na+与一个胞内H+互相交换的充分必要结构；另一部分是-COOH 端(C-端)，是由315个氨基酸组成的胞内结构，为胞浆内通过蛋白激酶诱导的磷酸化等方式进行功能调节的区域[7]。

NHE-1蛋白的活性受多种胞内外因素的影响而改变，各种结合蛋白或生物活性物质与胞内结构域结合以激活或抑制NHE-1的功能。NHE-1的C-端含有细胞内质子调节位点[8]、丝氨酸/苏氨酸的磷酸化/脱磷酸化位点以及多个NHE相关功能蛋白结合位点。现有研究证实，钙离子结合蛋白、蛋白激酶、磷酸酶及一些细胞骨架蛋白均可与NHE-1胞内结构特定结合位点相互作用[9-13]。

2 NHE-1的生理学及病理生理学作用

Grinstein等研究发现，当细胞遭受某些刺激因素后，细胞内pH值一旦下降，便可激活NHE-1，使其发挥Na+/H+交换作用，从而使细胞内pH值尽快恢复正常，在纠正了细胞内酸中毒的同时提高了Na+水平。由此，证实了NHE-1主要在pH值变化时发挥作用[14-15]。而在缺血缺氧时，细胞产生ATP不足，不能通过正常的Na+/K+交换将NHE-1转移入胞内的Na+转移至胞外，细胞内Na+水平显著升高。这可进一步激活Na+/Ca2+反向转运，使细胞外Ca2+大量转移至细胞内，导致细胞内Ca2+超载[16-18]。众所周知，Ca2+超载是众多细胞病理过程的启动因素，通过激活丝裂原活化蛋白激酶家族等细胞信号转导途径，导致细胞损伤、肥大、凋亡、肿胀和纤维化以及氧自由基大量产生等病理生理过程的发生。

此外，NHE的激活还与细胞增殖、分化、细胞骨架形成和细胞迁移有关。NHE突变的细胞在通过G2-M检查点时显著延缓，进而导致增殖能力下降[19]。另有研究发现，抑制NHE-1可影响P19细胞的分化[20]。NHE-1基因敲除小鼠虽可成活，但其生长及生存率均明显低于野生型[21]。在肿瘤细胞中，NHE-1还可调控细胞的迁移及上皮间质转化[22]。

3 NHE-1与心血管疾病

3.1 NHE-1与心肌缺血再灌注损伤

研究表明，NHE-1在心肌缺血再灌注损伤中发挥着重要作用。正如前文所述，NHE-1与胞内pH值的稳定密切相关。在正常的生理状态下，胞内pH值正常，NHE-1活性很弱。而当心肌缺血缺氧时，心肌细胞内无氧糖酵解增多，导致细胞内H+明显增多，继而激活NHE-1，促进H+/Na+交换，使细胞内Na+水平显著升高[23]。当心肌细胞恢复供血供氧后，细胞外pH值恢复，加之缺血期细胞产生的各种活性物质的激活作用，NHE-1活性迅速增加，使得更多的Na+大量涌入细胞内。此时，细胞内高浓度的Na+将使钠钙交换蛋白进行反向运输，Na+转移至胞外，Ca2+转移至胞内，导致细胞内Ca2+超载进而造成心肌细胞损伤[16-17]。因此，心肌缺血再灌注损伤并不是NHE-1直接作用的结果，而是其导致的细胞内钙超载造成的[24]。在多种缺血再灌注动物模型中均已证实，NHE-1抑制剂具有保护作用[25-27]。此外，NHE-1也参与了缺血预适应对心肌细胞的保护作用[28]，这也反证了NHE-1在缺血再灌注损伤中的重要促进作用。

3.2 NHE-1与心肌肥厚和心力衰竭

NHE活性提高也可直接造成心肌肥大和心力衰竭。NHE-1的活性不仅受细胞内pH值调控，同时也受各种激素、旁分泌和自分泌细胞因子以及机械牵拉作用的调控。α受体激动剂、血管紧张素Ⅱ和内皮素1这些可明确导致心肌肥厚的因子均可调控NHE-1活性[29-31]。这提示了NHE-1在心肌肥厚过程中的调控、促进作用。转基因过表达NHE-1的小鼠表现出了明显的心肌肥大和心力衰竭[17]，深入研究其机制发现，在转基因小鼠的心肌细胞中，Na+和Ca2+均较野生型升高，而转基因小鼠的心肌收缩力也随之下降。在原代心肌细胞中过表达NHE-1，可发现活化T细胞核因子(nuclear factor of activated T cell，NFAT)的核内转移。另有研究在NHE-1转基因小鼠中发现，众多与NFAT相关的microRNA存在表达差异[32]，一定程度上表明了NHE-1可通过调控NFAT促进细胞肥大。在多个心肌梗死、转基因和心肌肥厚动物模型研究中，NHE-1抑制剂均可改善心肌肥大和心脏功能[33-35]，更加验证了NHE-1与心肌肥厚和心力衰竭密不可分。

4 NHE-1抑制剂的基础研究

基于NHE-1在各种心血管疾病中的促进作用，那么NHE-1抑制剂是否可以发挥保护作用呢？Amiloride是第1个被发现的NHE抑制剂，其原本是一个保钾利尿剂，后被发现具有抑制NHE-1的作用，不仅可抑制钠通道，还可抑制钠钙交换蛋白。研究显示，Amiloride可有效提高大鼠缺血再灌注心肌的心室修复，减少肌酶释放[36]。但是，Amiloride为非选择性NHE-1抑制剂，后续通过调整Amiloride的分子结构得到了新的NHE抑制剂，如HOE-694、Cariporide和Eniporide等，均为苯甲酰胍类药物，可与NHE跨膜区(M4和M9为最重要的结合区域)结合，改变NHE构型，从而发挥抑制作用。该类药物没有抑制钠钙交换蛋白和钠离子通道的作用，因此特异性更强、不良反应更少。其中，Cariporide和Eniporide对NHE-1的选择性较好[37]。

一系列有关NHE-1抑制剂的动物实验研究已在心脏疾病方面有了重大发现。在狗心肌缺血再灌注模型中，结扎前降支前15 min给予Eniporide可明显减少心肌梗死面积[26]。而Zoniporide同样可减少兔心肌缺血再灌注后的梗死面积，且其保护作用较Eniporide和Cariporide更好[27]。在同一模型中，分别于缺血前及再灌注前给予BIIB-513，也得到了同样的结果，同时也减少了心律失常发生率[38]。在大鼠心肌缺血再灌注模型中，单独使用5 μM Cariporide可显著延长窦性心律时间，减少缺血再灌注所造成的心律失常[39]。一项有关保存供体心脏的研究表明，在停搏液中加入Cariporide可减少心脏复跳后心肌细胞的坏死和凋亡[40]。而在猪模型中，合用NHE抑制剂和碳酸氢钠可减少窒息引起的心脏骤停[41]。

5 NHE-1抑制剂的临床试验

针对NHE-1特异性抑制剂——Cariporide和Eniporide，已有多个中心进行了规模不等的临床研究，然而结果并不尽如人意(表1)。总体来说，NHE-1在临床应用上并未显示出如动物实验中的良好效果，同时其严重的不良反应也不容忽视[42]。

表1 NHE-1抑制剂的临床研究汇总

注：NA：不适用；PTCA：经皮冠状动脉腔内血管成形术；UA：不稳定型心绞痛；NSTEMI：非ST段抬高型心肌梗死；PCI：经皮冠状动脉介入治疗；CABG：冠状动脉旁路移植术

5.1 Rupprecht等的研究

Rupprecht等[43]进行的一项小规模、多中心、随机、对照的临床研究，纳入了100例ST段抬高型心肌梗死接受直接冠状动脉成形术的患者。于再灌注治疗前，51例患者使用安慰剂，49例患者接受40 mg Cariporide静脉弹丸式注射。分别于术前及术后21 d评估心室功能和心肌受损程度。结果显示，Cariporide组患者的心脏射血分数较高(50% 比 40%，P<0.05)，左室收缩末容积较小(69.0 ml 比 97.0 ml，P<0.05)，心肌的运动障碍区域及心肌酶谱升高程度也均明显小于安慰剂组。

5.2 ESCAMI研究[44]

虽然前述研究证实了在再灌注前给予NHE-1抑制剂可减少心肌梗死面积，但在接下来的大规模临床试验——ESCAMI(Evaluation of the Safety and Cardioprotective effects of eniporide in Acute Myocardial Infarction)研究中，却得到了与之不同的结果。

ESCAMI研究纳入症状持续大于30 min的急性ST段抬高型心肌梗死患者，且均于发病6 h以内给予了再灌注治疗(溶栓或冠状动脉成形术)。研究分为两个阶段：第1阶段纳入了5个国家的433例患者。为了确定最佳用药剂量，首先于再灌注前10 min内缓慢注射不同剂量的Eniporide(50、100、150和200 mg)或安慰剂。结果显示，50和200 mg治疗组与安慰剂组比较无明显优势，但在100和150 mg治疗组中心肌坏死面积明显减少。因此，将100和150 mg用于试验的第2阶段；第2阶段纳入10个国家的978例患者，重复前述试验过程。但结果却显示，与安慰剂组相比，无论是100 mg还是150 mg Eniporide治疗组的心肌梗死面积、临床预后均无明显改善。

有趣的是，在发病4 h以后接受再灌注治疗的亚组分析中发现，150 mg Eniporide可明显减少患者发病1周后的心力衰竭发生率(11.1% 比 21.9%，P=0.02)。

5.3 GUARDIAN研究[45-46]

GUARDIAN(During Ischemia Against Necrosis)是一项国际性针对Cariporide应用于不稳定性心绞痛、非ST段抬高型心肌梗死、血管成形术或CABG高风险人群的Ⅱ期/Ⅲ期临床研究。共纳入11 590例患者，每8小时分别给予不同剂量药物(4组平行对照组：20、80和120 mg Cariporide以及安慰剂)直至PCI或CABG术前2 h，利用静脉泵入方法，给药时间约为1 h。总体来说，研究并未发现Cariporide可减少全因死亡率或心肌梗死发生率。然而在120 mg亚组中发现，总体事件率下降了10%，尤其是在接受CABG的患者中，死亡和心肌梗死发生率下降达25%之多，其中非致死性心肌梗死发生率下降了32%，但仍需进一步研究证实。

5.4 EXPEDITION研究[47]

EXPEDITION(sodium-hydrogen Exchange inhibition to Prevent coronary Events in acute cardiac conDITION)是一个双盲、随机对照的Ⅲ期临床研究，其主要研究目的是验证Cariporide在高风险CABG患者中的心肌保护作用。患者于麻醉前2 h开始给药，首先给予180 mg负荷剂量，然后给予40 mg/h持续24 h，再给予20 mg/h持续24 h，整个给药时间持续约49 h(如患者体重<50 kg，则改为负荷剂量后20 mg/h维持48 h。研究发现，Cariporide组患者CABG术后死亡和非致死性心肌梗死的总相对风险明显减少(16.6% 比 20.3%，P=0.0002)。

但是，Cariporide的益处主要表现在术后非致死性心肌梗死发生率的减少(14.4% 比 18.9%，P<0.001)，而Cariporide组术后死亡率确有所升高(2.2% 比 1.4%，P=0.02)。考虑死亡率升高的最主要原因是血栓栓塞性卒中所致的脑血管事件，可能与NHE-1调控血小板活化有关[49]。

虽然Cariporide致卒中的不良反应严重阻碍了其临床应用，但同时也明确了Cariporide在接受CABG术的患者中有着明显的心肌保护作用。

5.5 Fleisher等的研究

Fleishe等[48]的最新研究探讨了NHE抑制剂Zoniporide能否减少非心脏血管手术患者围术期的心脏缺血事件。共纳入769例具有冠心病高危因素的拟行非心脏血管手术患者，于术前60 min给予负荷剂量并维持静脉用药至术后7天(4个平行对照组，分别为3、6和12 mg·kg-1·d-1Zoniporide组和安慰剂组)。最终术后30 d复合终点(死亡、心肌梗死、充血性心力衰竭、心律失常)发生率在安慰剂组和各剂量组无明显差异，考虑可能原因至少部分是因为在此过程中并未发生过心肌缺血再灌注。

6 小结

尽管有关NHE抑制剂的基础研究证实了其有心肌保护作用，但目前多个大规模临床研究的结果不尽如人意。我们应采用辩证的方法来仔细审视这些研究结果，从中发现研究中的不足以便改进，寻找最适宜的人群及药物剂量、给药方法等，充分发挥其心肌保护作用。

利益冲突：无