CaMKII在氧化應激中對心房重構的影響*

韓 璐， 李菊香

(南昌大學第二附屬醫院心內科，江西 南昌 330006)

·綜 述·

CaMKII在氧化應激中對心房重構的影響*

韓 璐， 李菊香△

(南昌大學第二附屬醫院心內科，江西 南昌 330006)

心房顫動(atrial fibrillation，AF)簡稱房顫，是臨床上最常見的快速性心律失常之一，心房結構重構和電重構是房顫發生發展的癥結所在。雖然房顫時心房發生重構的機制尚不清楚，但氧化應激對于引起心房肌細胞內Ca2+負載、調控離子通道從而縮短心房有效不應期(atrial effective refractory period，AERP)和動作電位時程(action potential duration，APD)起著十分重要的作用。當機體處于氧化應激狀態下，鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶II(calcium/calmodulin-dependent protein kinase II，CaMKII)作為調控鈣信號通路的重要靶點，將氧化應激與CaMKII誘發延時后除極(delayed afterdepolarization, DAD)引起心房肌重構的過程聯系起來，為提供房顫有效的治療方案奠定基石，本文就此作一綜述。

1 氧化應激對CaMKII的影響

活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)與氧化應激密切相關。有研究發現，小鼠NADPH氧化酶(NAPDH oxidase， NOX)是房顫ROS的主要來源，增加心肌NOX4的表達會造成線粒體損傷和凋亡[1]。還有研究顯示，對敲除NOX基因的小鼠(P472/2)后期給予血管緊張素II，NOX功能的喪失可保護機體免受房顫的影響[2]。另外，給予NOX4抑制劑(加拿大麻素)同樣可以緩解電重構，避免兔模型誘發房顫[3]。然而，隨著房顫的進展，ROS的來源不局限于NOX，還包括線粒體氧化酶(黃嘌呤氧化酶)、單胺氧化酶和解偶聯的內皮型一氧化氮合酶 (endothelial nitric oxide synthase，eNOS)。因此，抑制NOX只能控制急性房顫，而對于其它來源的ROS卻毫無抑制作用[8]。近期發現，CaMKII作為Ca2+/CaM調節蛋白家族中的一個主要成員，被認為是氧化應激致心肌重構引起折返的關鍵信號之一。氧化CaMKII調節多數電壓門控離子通道，如心肌細胞L型鈣通道、K+通道、Na+通道、蘭尼丁受體2(ryanodine receptor 2，RyR2)、受磷蛋白(phospholamban，PLN)等，協同影響心肌細胞膜的興奮性，從而使細胞膜發生早期后除極(early afterdepolarization，EAD)和DAD，最終誘發房顫[5]。因而，阻斷CaMKII與ROS之間聯通的橋梁，或許能保護機體免于發生房顫;今后的抗氧化治療新興治療手段，不再局限于對ROS來源進行抑制，而重點針對ROS如何介導CaMKII誘發房顫的機制[6]。

2 CaMKII與心房重構

心房重構涉及到許多房性結構和功能的改變，但心肌電重構究竟是作為房顫的結果還是起因，其機制仍未研究徹底。重構涉及多條信號通路，而CaMKII是上述信號通路的關鍵一環，我們將重點討論氧化CaMKII對房顫重構的影響機制。

2.1 CaMKII的激活 當CaMKII處于基態時，調節域與催化域形成立體空間構象阻礙ATP與催化基團結合，而隨著胞內鈣離子增加，并與CaM結合，使C’末端的結構域引起構象改變，讓ATP結合于催化基團，從而磷酸化CaMKII。有研究發現，氧化甲硫氨酸殘基281/282位點所產生的效應與Ca2+/CaM激活CaMKII效果一致；蘇氨酸306/307位點的磷酸化，由于抑制Ca/CaM復合物的形成，未能引起構象的改變，使CaMKII始終處于基態[7]。最近發現未修飾的絲氨酸273位點，作為抑制調控基團，誘導 CaMKII失活[8]。因此，CaMKII的激活過程可能與翻譯后修飾有關，但細胞內Ca2+濃度增加或氧化應激ROS形成后，即使在鈣離子穩定的情況下，Ca2+/CaM復合物活性同樣持續增加，并且抑制其翻譯后修飾的過程對CaMKII仍有激活作用[9]。因此，對于CaMKII始動因素，目前尚未研究清楚。

2.2 電重構 房顫時心房電重構表現為內向性L型鈣電流(L-type calcium current，ICa-L)減小而超速延遲整流鉀通道(KV1.5)開放增加，從而促發外向性鉀電流(ultrarapid delayed rectifier K+current，IKur)，引起AERP和APD的縮短及傳導速度減慢。這些電生理特性的改變通過縮短心房內折返環路的波長使其折返的數量增加，從而提高房顫的穩定性并得以維持。

APD的縮短主要是由于CaV1.2 (產生ICa-L)mRNA和蛋白量表達減少，Ca2+負載可能是引起ICa-L減少的首發因素，并通過鈣離子依賴磷酸酶和活化T細胞核因子(nuclear factor of activated T-cells,NFAT)轉錄異位的負反饋作用，造成CaV1.2基因表達的下調，從而縮短APD。有研究表明，通過去甲腎上腺素等激動劑引起的心房顫動相比于竇性心律，其ICa-L的表達顯著下降[10]。另有研究證實[11]：CaMKII抑制劑KN-93可以減少竇性心律患者的ICa-L水平，而對于慢性永久性房顫則無效，可能由于慢性房顫磷酸酶活性增加所引起。由此表明，慢性房顫患者磷酸酶活性升高，對ICa-L通道進行磷酸化修飾，使其表達量下降，從而誘發房顫。心房傳導速度的降低可直接通過抑制快鈉或縫隙連接通道，促使折返和維持房顫[12]。氧化的CaMKII可以減慢心室肌梗死邊緣的傳導速度，但目前CaMKII對于心房肌傳導速度的影響尚不清楚[13]。

2.3 結構重構 心房結構重構表現為心房間質纖維化，尤其是老齡心房細胞之間相互偶聯程度減少，更易導致局部傳導阻滯和心房內折返，從而為AF維持提供病理解剖基礎[14]。房顫時心房肌纖維通過多種離子通道介導鈣超載。其中，瞬時受體電位(transient-receptor potential，TRP)通道是人心房成纖維細胞上的最主要鈣通道，能影響成纖維細胞的分化增殖 ，尤其是TRPM7型和TRPC3型[15]，而CaMKII是介導TRP通道的下游信號[16]。房顫患者TRPM7的表達量增多，敲出TRPM7后可以緩解慢性房顫患者心房成纖維細胞的分化，從而不發生重構。盡管有研究顯示[17]，CaMKII可以抑制肝細胞TRPM7通道，但鈣負載通過canonical-3通道會激活CaMKII和ROS的形成，同樣，給予CaMKII抑制劑可以減少心室肌細胞的纖維化。心房擴大是心房重構的又一發病機制，鈣紊亂和心房擴大將誘發心肌發生結構重構，基因敲除RyR2的絲氨酸2 814位點，將可以保護機體免發鈣紊亂、心房肥大、異常電活動。因此，CaMKII引起RyR2高度磷酸化是觸發異常電活動、心房肥大和誘發房顫的重要基石。靶向治療CaMKII或者針對引起Ca2+泄露的RyR2通道，將成為今后治療房顫的潛在藥物。

3 氧化激活CaMKII與心房顫動

房顫時CaMKII蛋白含量顯著增加，并且隨著房顫時間的延長CaMKII蛋白含量也逐漸增多。目前，對于陣發性房顫到持續性房顫的過渡機制了解甚少，而CaMKII卻占據十分重要的地位，它被認為是氧化應激過程中ROS介導鈣紊亂的中間載體，直接參與心房肌重構[6]。

3.1 CaMKII與線粒體能量代謝 CaMKII通過介導ROS的形成和鈣泄露使線粒體內鈣離子蓄積，誘發線粒體滲透性轉換孔(mitochondrial permeability transition pore， mPTP)的開放，造成膜電位下降和抑制ATP合成，最終引起細胞凋亡。當轉基因抑制CaMKII蛋白，發現mPTP并未開放，從而使機體免于缺血/再灌注、心肌梗死、腎上腺素能等刺激的損傷[18]。因此，線粒體中CaMKII作為前饋機制，通過鈣負載觸發mPTP開放，增加ROS的形成，進一步激活CaMKII，引起線粒體DNA損傷和ATP合成受限；再者，CaMKII所造成的線粒體功能紊亂和心肌細胞凋亡，更容易誘發心肌重構，最終維持房顫的異常電活動。

3.2 CaMKII與心房代謝重構 CaMKII和AMP激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)之間有著密切的聯系。首先，AMPK是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，調節細胞代謝和蛋白質的合成。CaMKII通過調節AMPK的活性，增加產能途徑、抑制耗能需求，從而成為細胞能量傳感器。最近Lenski等[19]發現：心律失常誘導脂質沉積，影響心房肌能量代謝并抑制葡萄糖的吸收，他們認為造成這一原因是由于CaMKII激活AMPK，使脂肪酸轉位酶(FAT/CD36)活性增高，引起脂肪攝入和脂質蓄積，而突觸相關蛋白23通過抑制AMPK介導葡萄糖轉運蛋白4型的移位，抑制葡糖糖攝入。上述通路都與細胞凋亡和心房肌重構有關，而給予CaMKII抑制劑可以緩解這些負面損傷。最新研究發現，AMPK是預防氧化應激引起房顫的一個保護因子[20]。心房率過快引起能量需求的增多會造成AMPK磷酸化，為適應氧化應激反應造成ICa-L下降和鈣瞬時減少，細胞隨即通過CaV1.2和鈉鈣交換體(Na+/Ca2+exchanger， NCX)誘發Ca2+負載。然而，我們發現在慢性房顫患者中AMPK的表達量是下降的；也許AMPK只是對于陣發性或者短暫性房顫起到保護作用，而對于永久性房顫卻無影響。

4 CaMKII抑制劑的臨床運用

目前對房顫的治療途徑包括：抗心律失常藥物、射頻消融、外科手術等，雖然某種程度上起到一定的效果，但抗心律失常藥物具有潛在的副作用和毒性，易誘發致死性心律失常。或許CaMKII抑制劑KN-93能成為今后治療房顫的又一新興藥物。

在小鼠模型中，CaMKII抑制劑消除RyR2磷酸化控制房顫的作用已被證實，對于慢性房顫也有心源性的益處[2]，并且避免了陣發性房顫過渡為永久性房顫。KN-93作為CaMKII的特殊抑制劑，可以完全特異性地與CaM位點結合，使ATP結合受限，從而無法發生磷酸化。因此，一旦CaMKII被激活或者自身磷酸化，KN-93是不能進行抑制的。盡管系統性抑制CaMKII受體可能會產生多種不良效應，如生育或記憶力的影響，但這些副作用并不是CaMKII抑制劑不能運用于臨床的主要原因。最關鍵還是由于其不能穿過血腦屏障，并為了避免潛在的毒性，臨床藥物的制備還需具備足夠范圍的治療窗，變構或特異亞型的抑制劑能夠進行特異性結合，以減少遠期效應，只有這樣或許CaMKII抑制劑KN-93才能最終運用于臨床控制房顫。

5 小結與展望

心房重構對于房顫的誘發、維持、進展起著舉足輕重的作用。本文給予新的理論和依據證明在氧化應激調節下，氧化CaMKII是如何參與房顫的心肌重構，介導線粒體能量代謝，從而引起房性心律失常。大量動物實驗證實，通過給予CaMKII抑制劑對房顫心肌具有保護作用。因此，CaMKII抑制劑有望成為今后治療房顫的重要靶點。而對于CaMKII在房顫中誘導心房肌重構所介導的病理生理機制依然需要研究者們不斷地深入探索。

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(責任編輯： 林白霜， 羅 森)

Effects of CaMKII on atrial remodeling during oxidative stress

HAN Lu, LI Ju-xiang

(DepartmentofCardiology,TheSecondAffiliatedHospitalofNanchangUniversity,Nanchang330006,China.E-mail:ljx912@126.com)

Atrial structural remodeling and electrical remodeling are the core of atrial fibrillation. Oxidative stress directly activates calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII), and induces electrical remodeling and atrial structural remodeling characterized by reduced atrial effective refractory period, which becomes the pathological basis of atrial fibrillation. Therefore, the study of the relationship between the oxidative CaMKII and atrial remodeling will help to elucidate the pathogenesis of atrial fibrillation and to prevent or reverse atrial remodeling by lowering CaMKII phosphorylation to reduce the incidence of atrial fibrillation.

鈣/鈣調蛋白依賴性激酶II； 心房顫動； 心房重構

Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II; Atrial fibrillation; Atrial remodeling

1000- 4718(2017)06- 1138- 04

2016- 12- 28

2017- 04- 01

江西省自然科學基金重大項目(No. 20152ACB20025)； 江西省科技支撐項目(No. 20151BB-G70166)

R541.7

A

10.3969/j.issn.1000- 4718.2017.06.030

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