心房肌T型管在心房颤动发生机制中的作用

程呈 刘元生

心肌T型管(横小管)是心肌细胞膜上特异性的细胞器,在心肌规律性收缩中对于钙离子信号和兴奋- 收缩偶联起关键作用。心肌T型管是肌膜内陷形成的沿细胞Z线附近以规则的间隔出现的横向结构,可以使动作电位快速传播到细胞内部。心肌T型管富含L- 型钙离子通道(LTCC),其介导初始动作电位触发的钙离子进入心肌细胞内。已有许多在小型实验动物模型进行的关于如何调控心房兴奋- 收缩偶联以及在房颤等疾病中作用的研究结果。最近的实验表明小型动物与大型动物(包括人类)的心房肌在基础结构上存在差异。这些结构差异更具体地说是大型动物(包括人)的心房肌存在完善的T型管网络,这可能会彻底改变我们对心房肌钙稳态以及T型管在疾病中作用的观点。

一、心房肌T型管的分布特点及表达

心肌细胞T型管的结构与功能,已在心室肌进行了大量的研究,但其他心肌细胞被认为不存在T型管。事实上在浦肯野细胞和多种动物的心房肌细胞都观察到T型管,只是密度比心室肌要小。虽然以前研究人心房肌是否存在T型管还未被证实,但推测很可能是存在的,因为在多种大型哺乳动物如绵羊、犬心房内都存在高密度的T型管。而且近年来对心房肌T型管的研究更加重视。例如,Smyrnias等[1]研究发现T型管存在于小部分成年大鼠心房肌内存在T型管,且与心室肌的T型管不同。Frisk等人又在冰冻组织切片和分离心肌内发现大约1/3的大鼠心房肌内存在T型管,其中约10%的心房肌细胞,T型管网像心室肌样呈横向排列。除此,在大鼠和猪的心房组织都证明心外膜T型管密度比心内膜大。并有34%的猪心房肌内存在功能性T型管网。而且,右房心肌比左房心肌体积大。Dibb[2]发现在分离的绵羊心房肌以及来自马、牛和人的心房组织切片内存在大量的T型管网。T型管也存在于犬大部分心房肌,但是密度非常稀疏,更重要的是左右心房许多细胞完全缺乏T型管,但也有实验证明心房内不同区域的T型管网和T型管密度并无差异。最近的研究证明大型哺乳动物(包括人类)的心房肌细胞具有完善的、有功能的T型管网,这推翻了之前认为的人类大部分心房肌缺乏完善的T型管网的认识。总而言之,多种大型动物和一些小型动物的心房肌内都证实存在T型管网。

实验研究发现在大部分右房和左房心肌内至少存在局部T型管网(75%右房和87.5%左房)。这个数字明显高于Frisk的研究报告。这些差异也许是因为种属不同或者是心内膜与心外膜T型管的差异。T型管的形态在培养状态、急性牵张、心力衰竭和房颤时可以改变。虽然未检出肺静脉和左右心房间T型管密度的明显差异,但一个重要发现是右房有25%和左房12.5%心房肌细胞完全缺乏T型管,这也许有重要的生理性或病理性意义。肺静脉处心房肌要比左心耳或者右房游离壁心肌更宽,肌小节间隙也更大。因此,推测T型管密度/分布、肌小节间隙以及细胞宽度可能是左房肺静脉处心房肌独特的电生理特征。

二、心房肌T型管与钙瞬态变化

早期在分离人新鲜心房肌细胞测量胞内钙离子的研究表明收缩期钙瞬态的上升阶段呈先快后慢直到平稳特点。这种现象与之前几项研究小动物缺乏T型管的心房结果相一致。大鼠与小鼠等小型动物的心房肌T型管网与心室肌不同。心室肌细胞T型管的主要特征是沿垂直于细胞长轴的Z线分布,相临T型管之间有分支相连。相反,有T型管的心房肌细胞,T型管主要沿细胞长轴分布,并且排列紊乱。而在缺乏T型管的心房肌,收缩期钙瞬态的时间与空间特征表现为细胞除极时胞内钙离子升高首先出现在细胞周边,随后由钙触发钙释放机制释放钙离子并播散到细胞中央。此机制使细胞中心钙瞬态延迟的特征在荧光共聚焦显微镜下观察到钙瞬态曲线呈U型或V型。横向T型管对收缩期钙瞬态空间和时间的影响更加难以预测,可能主要取决于T型管网的面积。然而,这些研究中发现在荧光共聚焦下收缩期钙瞬态曲线明显不均匀,其始端呈锯齿状。

T型管网的面积与构造对细胞内肌浆网钙离子释放的空间异质性起着决定性作用。心室肌细胞的钙触发钙释放是由肌膜内折形成的狭窄(～200 nm)而广泛的T型管网所驱动。而成人心房肌内则缺乏这种比较发达的T型管网。稠密而排列有序的T型管网,例如在大鼠和小鼠心室肌所观察到的,细胞内呈现同步性钙触发钙释放。但在T型管密度小的细胞,胞内钙离子的释放最初是由肌膜与T型管介导的钙离子内流触发,随后钙离子扩散到无T型管的区域。由于心肌内兰尼碱受体分布均匀,扩散的钙离子随后触发肌浆网钙释放。心房肌内,钙触发钙释放的播散范围取决于肌浆网钙储备与β肾上腺素能神经张力。因此,控制钙离子同步释放不仅取决于T型管结构,也取决于心肌状态。

正常心室肌细胞收缩时肌膜与胞内钙离子是同步升高的,这得益于发达的T型管网。相反,心房肌细胞的钙瞬态不具备这种同步性:首先是细胞周边先出现钙瞬态,随后因钙触发钙释放机制传递至细胞中心(出现细胞中心钙瞬态延迟的特征,表现为U或V形钙波)。由于缺乏T型管,心房肌细胞钙缓冲能力增强,肌膜下线粒体钙扩散屏障以及肌浆网钙ATP酶泵(SERCA),这三者被认为使细胞内钙瞬态延迟的发生。Frisk等[3]报道犬和大鼠心房肌细胞的T型管和钙通道分布明显不同,这与T型管密度的L- 型钙电流强度相平行,即T型管密度最高的细胞其同步钙释放的量也最多。作者推断心房肌T管结构梯度导致了心肌钙稳态的变化。

三、心房肌T型管在兴奋- 收缩偶联中的作用

比较早的研究显示,心房肌细胞几乎完全缺乏T型管,心房肌细胞的兴奋- 收缩偶联推测来自心房肌细胞周围的L型电压门控钙通道(LTCCs),并由局部肌膜下连接的兰尼碱受体放大。最近的研究表明成人心房肌细胞内至少有未发育完善(初级的)的横向管状网络。心房收缩是由收缩期细胞内钙离子升高所触发。L型钙流在兴奋- 收缩偶联中有两个作用:一是触发作用,经L型钙通道入胞钙离子引起肌浆网释放钙;二是流入胞内的钙离子起着钙负载以及维持肌浆网钙储备的作用。沿T型管分布的L型钙通道对收缩期钙离子以及细胞内钙离子的同步性具有重要作用。心房与心室收缩期产生钙瞬态的机制是相似的,但在调控钙瞬态方面存在很大的不同。例如,大鼠心房肌与心室肌比较,心房肌比较小且钙瞬态幅度低,肌浆网钙泵活性高使钙离子回收速度快,钙离子缓冲更强并且肌浆网钙储量更大。这些差异中例如快速舒张时使肌浆网钙泵更容易被受磷蛋白肽所抑制。而其他的差异如收缩期钙瞬态主要是结构性原因,因为小型动物的心房完全缺乏或仅有少量的不完善T型管网。然而,T型管在兴奋- 收缩偶联中发挥着重要作用,包括将动作电位传递到细胞内部以及连接可兴奋细胞膜与胞内储存钙离子的肌浆网,使两者相邻。肌浆网在高度特异性的联接微区与T型管网相邻。

心肌兴奋- 收缩偶联是由心肌细胞除极使肌膜上L型电压门控钙通道开放,钙离子内流激活兰尼碱受体(RyR),并引起肌浆网钙池钙释放。这种影响钙触发钙释放(CICR)过程可产生触发活动或折返。最新研究表明,心房肌与心室肌钙瞬态有明显的差异,这种差异至少部分反映了心房肌与心室肌之间横向T型管的结构不同。虽然心房肌细胞的T型管网稀少的确切生理学意义还不完全清楚,但不同于心室肌细胞,心房肌细胞相对稀少和不规则分布的T型管可能对心房肌的兴奋- 收缩偶联起更微妙的作用,不论神经激素受体存在与否。还有一些研究证实了心房肌细胞宽度与T型管表达之间的关系,据推测正常心房肌T型管的生理意义是促进收缩与舒张的同步。无论T型管和兴奋- 收缩偶联在心房肌收缩中的作用如何,如没有T型管的细胞就会出现明显的非同步钙释放。同时,心房肌内T型管形成梯度也有可能与建立兴奋- 收缩偶联梯度有关。这种梯度在心力衰竭和房颤等病例状态下由于T型管的进一步缺失而被放大。最初通过细胞培养或去T型管的方法来探究T型管缺失重塑对兴奋- 收缩偶联的影响,结果显示T型管缺失都与细胞非同步钙释放相关。

四、心房肌T型管在心房颤动发生机制中的作用

心房肌细胞的兴奋- 收缩偶联异常在心房颤动(房颤)的发生机制中起十分重要的作用。从动物模型以及人心耳分离的心肌细胞实验表明,钙电流密度减小是房颤的一个特征。

最近有研究发现心力衰竭或房颤的心房肌存在同样的T型管丧失。这种T型管丧失对收缩期的钙瞬态影响很大,仅细胞周边出现钙瞬态。但大型动物的心房肌内T型管增多,这可解释大型动物比小型物种更易发生房颤。不管T型管的丧失是缩短还是延长心房肌的有效不应期,T型管丧失均可引起T型管梯度的改变,这可能会影响心房复极,因而可能对房颤有重要的病理生理意义。

Frisk[4]的研究表明跨壁T型管梯度对心房肌有效不应期的不同起着一定的作用。由于L- 型电压门控钙通道和Na+/Ca2+交换体都集中在T型管及其周围,因此,T型管丧失可能会明显影响细胞膜除极时的这两种电流。事实上,Lenaerts的研究表明,羊房颤模型中,心房肌L型钙电流的减弱与T型管丧失相关。除此,Louch[5]的研究表明低密度T型管的细胞,尽管存在小幅度的L- 型钙电流,但动作电位时限明显延长,可能是因为钾电流(内向整流钾流[IK1]、超速外向电流[IKur]、快速激活的延迟整流钾通道电流[IKr]、以及乙酰胆碱激活的内向整流钾通道电流[IKAch])减弱了。

缺失T型管的心室肌,尽管兰尼碱受体没发生改变,也会导致肌浆网钙释放不同步以及钙瞬态幅度减弱。在长期房颤的心房肌内也存在类似的机制。虽然心房的T型管系统稀疏,心房肌内钙离子沿长轴释放与收缩轴线是明显同步的,但在房颤中同步性却显著减弱。以前对心房肌钙释放同步性的研究表明,沿细胞短轴线扫描,钙从肌膜到细胞中心的扩散速度缓慢,钙瞬态曲线呈马蹄形。但我们的研究显示,短轴线上钙瞬态曲线并不完全符合马蹄形,这可能因为存在着T型管的交叉点,但是总的来说短轴线的钙瞬态扩散速度要比长轴线慢的多,无论是对照组还是房颤组。房颤时心肌肌膜下钙释放减少,可能的机制是钙通道数量或活性减弱,也或是由于钠钙交换增加导致使局部触发性钙离子减少。相反,慢性房颤时钙离子在兰尼碱受体之间的传播速度未受影响。即使兰尼碱受体的功能未受影响,但是心肌细胞增宽以及非偶联兰尼碱受体数量增加会延长钙离子从肌浆网到细胞中心的传播时间。慢性房颤细胞的钙通道与兰尼碱受体的偶联减少,可能与T型管缺失和肌膜下偶联效率降低,共同导致肌浆网释放钙离子减少。

T型管包含多种β肾上腺素通路的元素,通过β肾上腺素刺激和钙释放再同步化可阻止去除T型管产生的影响。β肾上腺素减弱动作电位时程变化可能与减弱钙变化具有相似的机制。数学模型表明T型管缺失使钙离子扩散出现空间异质性,从而促进了钙变化。心力衰竭时心房T型管几乎完全缺失,对收缩期钙瞬态的影响非常显著,钙瞬态仅出现在细胞周边。而房颤时T型管缺失与杂乱程度比心力衰竭要轻。近期研究发现大型哺乳动物心房肌内普遍存在T型管和以前小型动物心房内缺乏T型管的研究都证明了T型管在房颤病理中的重要作用并且作为房颤的一种发生机制。大型哺乳动物可自发房颤,因为心房足够大,有足够的组织维持房颤的颤动转子,也就是心房比颤动转子波长大。相反,在缺乏T型管的小型动物,如小鼠,心房太小以至于不能维持房颤的颤动转子。由于小鼠与绵羊心房肌T型管密度不同,而绵羊更易发生房颤则说明可能正是T型管使大型动物易发房颤。另一种观点是大型动物心房肌较大,正如前面所述,心房的大小对房颤的颤动转子的形成起着重要作用,心房肌越大,T型管密度也越大。心房T型管与重塑在不同疾病房颤病理机制有两个独立的作用。首先,T型管与T型管膜上的钠钙交换体通道可能会增加钙离子依赖性迟后除极的发生,从而触发房颤。其次,因为离子通道集中分布于T型管,在房颤发展中T型管的缺失,使心房的L型钙流、动作电位时程、有效不应期都缩短,从而促进了兴奋波折返。由于房颤的颤动转子波长缩短而使房颤持续。