心肌能量代谢与心律失常的电生理研究进展

刘醒存

钦州市第二人民医院心内科 广西壮族自治区钦州市 535000

心血管疾病是全球男性和女性死亡的主要原因，在心血管疾病的表现中，一个重要的死亡原因是由恶性室性心律失常引起的心源性猝死［1］。寻求降低心源性猝死发生率的新型治疗方法显然对全球健康具有巨大的潜力［2］。尽管在理解和诊断心律失常方面取得了技术进步，但心律失常的机制尚不明确。线粒体是人体心脏能量的主要来源，广泛存在于各种组织细胞中［3］。心脏是一个高耗能、高耗氧的器官，心脏的正常收缩及电信号的正常传导依赖线粒体充足的能量供应。线粒体代谢异常会导致ATP合成减少，进而引起一系列依赖ATP的离子通道状态的改变，从而导致心律失常、心力衰竭［4］。线粒体代谢异常还导致心肌细胞超微结构的改变，导致电信号传导异常［5］。本文综述了线粒体在影响心肌细胞兴奋性方面的作用，强调了应集中于线粒体的紧急治疗策略以保持心电功能的潜力。

动作电位不均一性和心律失常

在细胞水平上，每一个单独的肌细胞必须根据解剖位置以特定的方式去极化和再极化［6］。心脏动作电位的病理异质性通常与室性心律失常有关，一些亚细胞因素可导致动作电位的持续时间不稳定［7］。在参与心律失常的细胞元凶中，肌膜和线粒体内膜中的离子通道因其影响动作电位持续时间的能力而受到相当多的关注［8］。肌膜离子通道突变导致动作电位延长（即长QT综合征），钙通道/交换体激活导致心肌去极化延迟，继而诱发心律失常。

肌膜ATP敏感性钾通道在心律失常中的作用

新的证据表明，线粒体诱导心脏动作电位的非生理时空异质性，使心脏容易发生再灌注性心律失常［9］。线粒体能量状态对肌膜动作电位的影响在很大程度上是由肌膜中能量感应ATP敏感性钾离子通道（sarcolemmal ATP sensitive K+channel，sarcKATP）介导的［10］。sarcKATP在诱发动作电位异质性、导致心律失常中所起的作用已经引起了大量的关注。心肌sarcKATP通道首次发现于20世纪80年代初，是由四个孔形成亚基和四个附属亚基（磺酰脲类受体）组成的异型多聚体进而与ATP结合。sarcKATP通道受细胞内ATP抑制，ADP、Pi、Mg和/或pH激活，在氧化应激条件下打开，产生内向整流背景电流，通常在缺血前10 min内观察到sarcKATP通道，是心肌中离子通道密度最大的通道之一，肌膜中哪怕开放1%的通道总量，都能显著缩短心脏动作电位时程。sarcKATP通道的开放可能是心肌组织的内源性保护机制，ATP供应不足的通道开放信号降低钙介导的心脏能量需求。随着sarcKATP群体的开放，心脏动作电位时程缩短并减少钙瞬变。钙超载可导致坏死和凋亡细胞死亡，sarcKATP通道开放被认为是通过减少肌丝挛缩的程度和钝化线粒体钙超载来保护细胞。一些证据表明，在氧化应激中，功能性sarcKATP通道的表达对细胞生存至关重要［11-13］。首先，女性在14～17岁或运动训练后sarcKATP蛋白表达增加与对缺血/再灌注损伤的保护相关；其次，sarcKATP通道群体的药理阻断增加了心肌缺血/再灌注时的细胞死亡，缺血期间的阻断是导致损伤增加的关键时期；最后，sarcKATP通道成孔亚基的基因敲除导致动物严重不耐受运动，并显示出对钙超载的敏感性增强［14］。因此，sarcKATP通道开放在缺血期间减缓细胞死亡中具有信号转导的生理作用。

虽然sarcKATP通道的开放似乎可以保护缺血心肌细胞的活力，但整个器官钾电导的增加易导致电功能障碍，在某些情况下可导致致命的心律失常。在如此高密度的肌膜通道中，sarcKATP通道的打开可以显著缩短动作电位时程，如果通道打开足够多，可以使膜电位非常接近钾的平衡电位，从而使细胞不能兴奋，这称为“代谢汇”。代谢汇的存在通过影响心肌的有效不应期（effective refractory period,ERP）增强了心律失常的倾向，导致激发波长缩短（传导速度和不应期的乘积）［15-16］。动作电位持续时间的病理异质性增加了组织内“耐火度的分散”，并促进了钾再进入。sarcKATP通道的打开缩短了动作电位的持续时间，缩短了ERP。sarcKATP通道打开者和阻断者分别降低和增加ERP。虽然用sarcKATP阻滞剂预防心律失常似乎是由于直接抑制了sarcKATP电流，但理论上sarcKATP阻滞剂也可以间接预防心律失常。

心肌的代谢振荡

根据经典化学渗透理论，线粒体通过将质子泵出线粒体基质产生质子动力，并利用这个质子电化学梯度释放所需的能量，进而通过f1fo-ATP酶将ADP磷酸化为ATP。质子的动力主要由线粒体膜电位（ΔΨm）构成，在被激活的线粒体中，膜电位的大小约为150 mV。研究发现，在底物剥夺或ADP水平升高的代谢应激下，心肌细胞中观察到格列本脲敏感电流振荡［17-19］。振荡的sarcKATP电流不受改变胞质钙浓度的影响。重要的是，摆动的sarcKATP电流直接影响心脏复极，其动作电位波形显著不稳定。sarcKATP电流的波动，以及因此而产生的动作电位持续时间，与线粒体的功能有着复杂的联系。在许多心肌受氧化应激影响的研究中已经观察到sarcKATP电流随着底物剥夺、ATP耗尽、局部产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）和呼吸抑制而变化。线粒体功能障碍将迅速引发心肌舒缩功能障碍，并导致缺血心室组织的反常节段延长。

线粒体离子通道在心律失常中的作用

内膜的能量离子通道被认为参与了线粒体功能障碍，可导致心律失常的产生。研究发现，内膜负离子通道（IMAC）在线粒体负离子外排中发挥重要作用［20］。目前，对介导ΔΨm细胞崩溃因素的深入研究集中在线粒体产生ROS上。心肌局部ROS可引发ΔΨm的崩溃，而ROS清除剂则继而阻止线粒体功能障碍。越来越多的证据表明，ΔΨm的崩溃可能是由超氧阴离子介导的，即通过一个被称为“ROS诱导的ROS释放”的过程，导致心肌细胞范围内的去极化。根据这一理论，单个线粒体水平产生的ROS可以刺激邻近线粒体的超氧化物介导的去极化。线粒体网络的这种时空行为提示，线粒体是排列在一个渗透基质中发挥作用的。氧化应激条件下ROS的增加可以达到一个临界水平，可观察到细胞范围内的线粒体网络ΔΨm振荡（即“线粒体临界”）。

IMAC在影响ΔΨm方面的重要性愈来愈引起临床研究者的重视，目前已经在分离的心肌细胞中发现了多种不同的IMAC配体，其均可防止ΔΨm的丢失或者崩溃。使用激光闪光诱导线粒体ROS的局部爆发，这导致ΔΨm细胞内ROS产生和振荡的全细胞增加。ΔΨm的可逆崩溃可以通过PK11195、4-氯安定或DIDS的加入来阻止，这三种不同的化合物之前都被证明可以阻断IMAC的活性。尤为重要的是，通过锁定IMAC来阻断ΔΨm中的可逆崩溃可以停止动作电位持续振荡，这表明锁定IMAC可能通过阻止ROS诱导的ROS释放来有效预防心律失常，即抑制IMAC可防止心律失常［21-22］。线粒体功能障碍还能够破坏心肌细胞内Ca2+稳态，导致细胞内Ca2+超载及心律失常。线粒体代谢障碍及功能异常可促进房颤的发生与维持，线粒体RNA相关房颤越来越受到重视。

总结和展望

在各种心脏性疾病中，线粒体代谢障碍引起的功能失调是非常常见的。与线粒体代谢障碍相关的ATP合成减少及活性氧生成增加，能够从多方面破坏细胞的正常电活动及离子稳态。心脏线粒体网络已经成为寻求减少心律失常策略的关键目标。作为细胞代谢的“枢纽”，在面对代谢压力时保持线粒体的完整性将显著改善细胞功能。对内膜离子通道分子组成的深入理解，开发线粒体宿主药物，以及减少ROS超载，对于保护ΔΨm和预防致命的室性心律失常具有重要意义。