ATP敏感性鉀離子通道與低氧性肺動脈高壓關系的研究進展

陳馬云，崔志敏，章琳，王良興，黃曉穎

（溫州醫科大學附屬第一醫院 呼吸內科 溫州市呼吸循環重點實驗室，浙江 溫州 325015）

·綜 述·

ATP敏感性鉀離子通道與低氧性肺動脈高壓關系的研究進展

陳馬云，崔志敏，章琳，王良興，黃曉穎

（溫州醫科大學附屬第一醫院 呼吸內科 溫州市呼吸循環重點實驗室，浙江 溫州 325015）

ATP敏感性鉀離子通道（KATP）是一種存在于細胞膜和線粒體膜上的內向整流型鉀離子通道。該通道對低氧非常敏感，通過調節生物膜電位而參與生物體一系列生理和病理作用。目前對低氧性肺動脈高壓（HPAH）的研究有較長歷史，但其發病機制尚未完全清楚。近年研究表明，KATP與HPAH中肺血管收縮和肺血管結構重塑關系密切，且研究結果存在一些爭議。本文就KATP與HPAH關系的研究現狀作一綜述，為今后進一步深入研究通過KATP防治HPAH提供新思路。

ATP敏感性鉀離子通道；低氧；肺動脈高壓；線粒體；綜述文獻

離子通道存在于生物體的生物膜上，參與細胞增殖、血壓調節、激素分泌、神經元和肌細胞興奮等。1952年HODGKIN等[1]創新使用電壓鉗技術在槍烏賊巨神經軸突上記錄到細胞膜電流和電導，并對其進行研究分析發現Na+和K+的電流和電導與膜電位和時間存在函數關系，從而首次提出了離子通道的概念。隨后人類對離子通道的研究從未間斷。鉀離子通道是離子通道中亞型最多、存在最廣泛、作用最復雜的一類離子通道，在人體的多種生命活動中起著非常重要的作用。在鉀離子通道60余年的研究發展史中，不同的研究方法（如電流特征、通道蛋白同源性等）使其分類變得復雜且不統一。目前主流的分類方法是依據該通道的構象特征兼顧細胞生理學特點形成的。主要分為四大類[2-4]：電壓門控型鉀離子通道（voltage-gated potassium channel，KV）、Ca2+激活型鉀離子通道（calcium activate potassium ion channel，KCa）、內向整流型鉀離子通道（inward rectifier potassium ion channel，Kir）、串連孔域型鉀離子通道（tandem pore domain potassium ion channel，K2p）。本文闡述的ATP敏感性鉀離子通道（ATP-sensitive potassium ion channel，KATP）屬于Kir，在缺氧、缺血等病理狀態下，影響細胞功能而發揮重要的調節作用。

1 KATP概述

KATP在結構上較KV簡單，因缺乏S4跨膜區由氨基酸構建的帶正電荷的膜電壓感受器，所以不受電壓門控，是一種非電壓依賴性配體門控通道。按其在生物膜上分布位置的不同，可分為細胞膜KATP（sarcolemmal KATP，sarc KATP）和線粒體KATP（mitochondrial KATP，mito KATP）。前者由NOMA等[5]于1983年利用膜片鉗技術研究豚鼠心室肌細胞時發現，并首次記錄到一種外向電流，該電流可被細胞內注射ATP所抑制，而AMP對此電流無影響，故將其命名為KATP。隨后人類又在許多組織，包括血管、胰腺、骨骼肌等發現該通道。1991年，INOUE等[6]在大鼠肝細胞線粒體內膜的膜片鉗單通道記錄中首次發現mito KATP。研究表明，KATP在不同的生物膜部位發揮不同的生理學、病理學效應和功能。

2 KATP的結構

目前，對sarc KATP結構研究比較清楚。其是由Kir亞單位（Kir6.x）和調控性磺酰脲類受體（sulfonylurea receptor，SUR）亞單位以4∶4比例組成的八聚體復合物，見圖1[7]。Kir亞單位是Kir超家族成員，形成KATP的K+通透孔道，決定K+擇性內向整流作用和單位導電系數[8]。SUR亞單位屬于ATP結合盒（ATP-bingding cassette，ABC）蛋白超家族，決定了KATP對核苷酸等的敏感性和藥理學特性[9-10]。KATP雖歸類于Kir并包含有Kir亞基，但又不同于其他Kir。有研究發現，Kir6.x（Kir6.1或Kir6.2）單獨被不同程度表達時不具有活性，只有2個亞單位共表達才能表現出KATP功能性活性。功能性KATP的結構模式包括上述的八聚體復合物、轉換亞單位（transducer unit，T）及其上磷酸化位點、ATP結合抑制亞單位（ATP-binding inhibi-tory unit，A）和二磷酸核苷結合位點（nucleoside diphosphate binding site，N）。mito KATP的分子結構尚未清楚，最近的研究[11]顯示，其可能包含Kir 6.1亞單位或Kir 6.2亞單位和SUR2亞單位。

3 KATP的調控

3.1 內源性物質調控 決定KATP開放情況的因素主要是ATP與ADP的濃度。ATP是該通道最強有效的內源性阻斷劑，呈濃度依賴性，且其抑制作用與Mg2+無關。當ATP與KATP上A結合時，發揮配基作用，KATP通道開放受抑制而關閉。值得注意的是，ATP對KATP的調節具有雙向性。當Mg2+存在時，關閉的通道由于ATP的作用使KATP上T磷酸化而開放，即Mg2+-ATP為KATP的激活劑。ADP或其他二磷酸核苷（NDPs）是KATP的內源性激動劑。在Mg2+缺乏的情況下，ADP抑制KATP活性；當Mg2+存在時，Mg2+-ADP刺激其活性。因此，ATP和ATP/ADP比值對KATP的活性調節至關重要[12-13]。

圖1 KATP的結構

3.2 外源性藥物調控 格列本脲、格列吡嗪、甲苯磺丁脲等磺酰脲類藥物（SUs）以及5-羥基葵酸鹽（5-hydroxydecanoate，5-HD）等為KATP外源性阻滯劑。SUs通過與SUR結合抑制KATP的開放。5-HD為mito KATP特異性抑制劑。吡那地爾、克羅卡林、阿普卡林、二氮嗪、尼可地爾等為KATP外源性性激動劑。其中二氮嗪、尼可地爾為mito KATP特異性激動劑[14]，見表1。

表1 KATP的開放劑與阻滯劑對sarc KATP或mito KATP的選擇性

4 KATP與低氧性肺動脈高壓(hypoxic pulmonary artery hypertension，HPAH)的關系

4.1 HPAH機制研究概況 HPAH屬于肺動脈高壓的第三大類—低氧血癥相關性肺動脈高壓，主要是由于慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）等疾病所致的慢性缺氧引起，其病程進展快、病死率高，臨床上尚無理想的有效防治藥物。低氧所致的肺動脈高壓機制十分復雜，目前研究認為，其病因與低氧性肺血管收縮和肺血管結構重塑有關，但肺血管結構重塑的發生機制尚未闡明。肺動脈的內膜、中膜和外膜均參與了肺血管結構重塑中復雜的病理生理過程。其中，中膜的肺動脈平滑肌細胞（pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs）異常增殖和凋亡抵抗在HPAH形成和發展過程中起關鍵性作用[15]。研究表明，PASMCs中至少分布3種以上鉀離子通道：KV、KCa2+和KATP[16]。其中，KATP與缺氧導致的ATP/ADP失衡等病理生理過程密切相關，而且由于其在細胞膜和線粒體內膜上分布不同產生不同的調節作用，越來越受到人們的關注。

4.2 KATP與HPAH的關系 KATP對低氧非常敏感。當組織或細胞低氧時，ATP與ADP比值發生改變而導致sarc KATP和mito KATP開放。大量的研究資料表明，KATP與HPAH的發生、發展密切相關。

4.2.1 KATP開放與HPAH的關系：Sarc KATP的開放導致細胞膜發生超極化，使Ca2+內流減少，可減輕低氧性肺血管收縮反應。KATP作為一種應激活化分子，其活化可調節機體對低氧的適應性，啟發了研究人員使用KATP開放劑治療HPAH的想法。陳磊等[17]報道經典的KATP開放劑吡那地爾可逆轉慢性低氧所致的肺動脈高壓。此外，還有克羅卡林、阿普卡林等亦可降低大鼠低氧性肺動脈高壓[18-19]。然而，與此相反，HU等[20]報道mito KATP特異性開放劑二氮嗪可抑制PASMCs凋亡，加劇低氧所致的肺血管結構重建、肺動脈高壓。其研究發現低氧或二氮嗪（mito KATP特異性開放劑）所致的mito KATP開放可抑制MPT，線粒體膜電位（Δψm）去極化，抑制細胞色素C從線粒體釋放至胞漿，從而抑制PASMCs凋亡。此外，ALBERICI等[21]研究也發現mito KATP的開放使線粒體K+內流，內膜電位去極化，減少細胞色素C等促凋亡因子外溢，明顯抑制凋亡。

4.2.2 KATP阻滯與HPAH的關系：WANG等[22]研究發現mito KATP特異性抑制劑5-HD減輕低氧或二氮嗪誘導的人PASMCs增殖。李秋等[23]以大鼠為研究對象，發現mito KATP特異性阻滯劑5-HD能逆轉低氧誘導的肺動脈高壓。DONG等[24]通過活體動物和原代PASMCs實驗進一步證實了5-HD是通過阻斷Δψm去極化，進而防治低氧誘導的大鼠肺動脈高壓。上述研究一致認為阻滯mito KATP開放可減輕HPAH。

4.2.3 阻滯或開放KATP與HPAH相關研究結果矛盾的原因分析：我們可以發現在HPAH研究中，開放KATP似乎非常矛盾。一方面，開放KATP（使用KATP開放劑吡那地爾、克羅卡林、阿普卡林等）可減輕低氧性肺血管收縮反應、降低低氧誘導的肺動脈高壓。另一方面，開放KATP（使用二氮嗪）卻可引起PASMCs增殖、抑制凋亡，導致肺血管結構重建。分析其原因可能如下：

①不同的KATP開放劑靶向的部位不同或者同時靶向2個部位產生的總效應不同。如吡那地爾、克羅卡林、阿普卡林等既可開放sarc KATP又可開放mito KATP，產生的總效應是降低低氧誘導的肺動脈高壓。如二氮嗪這種mito KATP相對特異性開放劑可導致PASMCs凋亡抵抗、肺血管結構重建。

②實驗設計者在低氧造模方式、藥物的用量和注射方法上均有所不同。有研究[25]發現，二氮嗪可以對抗由低氧所致的大鼠肺動脈高壓。也有研究[17]持相反的觀點，他們發現二氮嗪能加重HPAH。對比2篇論著發現實驗設計者在低氧造模方式、藥物的用量和注射方法上均有所不同；從藥物用量上分析前者用量為50 mg/kg·d，后者用量為1.5 mg/kg·d。有研究比較了sarc KATP與mito KATP的異同，結果發現心肌細胞mito KATP對二氮嗪的敏感性是sarc KATP的2 000倍，這就是說，當一定劑量的二氮嗪在線粒體發揮心肌保護作用的同時，對sarc KATP并無效應。這觀點呼應了二氮嗪在肺循環中的矛盾現象。

③sarc KATP與mito KATP之間的開放或抑制可能起著完全相反的作用。二氮嗪作為相對特異性mito KATP開放劑可能由于干預濃度的不同起著完全相反的作用，高濃度的二氮嗪可能激活了sarc KATP而發揮相反的生物學效應。吡那地爾等非特異性KATP開放劑總的藥物效應偏向于對sarc KATP的開放作用。這些研究均停留在實驗動物層面。但是，2015年7月美國食品藥品管理局發布藥物安全公告，應用二氮嗪會增加低血糖的新生兒和嬰兒肺動脈高壓風險[26]，因此協調sarc KATP與mito KATP之間的開放或抑制至關重要。理想的治療HPAH藥物應既減輕低氧性肺血管收縮又能逆轉肺血管結構重建。MCC-134作為一種sarc KATP開放劑同時又是mito KATP阻滯劑，在肺動脈高壓防治策略中可能是一個有研究價值的治療藥物[27]。

5 小結與展望

mito KATP和sarc KATP的功能及其機制還有待進一步研究，協調他們之間的開放或抑制至關重要。最近，本課題組在研究中藥紅景天提取物藥理作用時，發現其通過線粒體凋亡途徑減輕低氧誘導的肺動脈高壓[28]，并發現凋亡程序的啟動和藥物激活mito KATP有關。KATP發現已30余年，其在HPAH中扮演了雙重角色。在今后的研究中，針對sarc KATP與mito KATP開發更具特異的開放劑和阻滯劑，以及如何擴大sarc KATP激活并增強mito KATP阻滯引起的協同作用，是非常值得關注的研究方面。隨著藥物開發和機理研究的不斷深入，相信在不久的將來，KATP將可能成為HPAH治療中的一個新突破點。

[1] HODGKIN A L, HUXLEY A F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve[J]. J Physiol, 1952, 117(4)： 500-544.

[2] YOST C S. Potassium channels： basic aspects, functional roles, and medical signif i cance[J]. Anesthesiology, 1999, 90(4)： 1186-1203.

[3] PATEL A J, HONORE E. Anesthetic-sensitive 2P domain K+channels[J]. Anesthesiology, 2001, 95(4)： 1013-1021.

[4] KUANG Q, PURHONEN P, HEBERT H. Structure of potassium channels[J]. Cell Mol Life Sci, 2015, 72(19)： 3677-3693.

[5] NOMA A. ATP-regulated K+channels in cardiac muscle[J].Nature, 1983, 305(5930)： 147-148.

[6] INOUE I, NAGASE H, KISHI K, et al. ATP-sensitive K+channel in the mitochondrial inner membrane[J]. Nature,1991, 352 (6332)： 244-247.

[7] INAGAKI N, GONOI T, SEINO S. Subunit stoichiometry of the pancreatic beta-cell ATP-sensitive K+channel[J]. Febs Lett, 1997, 409(2)： 232-236.

[8] OLSON T M, TERZIC A. Human KATPchannelopathies： diseases of metabolic homeostasis[J]. Pf l ugers Arch, 2010, 460(2)： 295-306.

[9] AGUILAR-BRYAN L, NICHOLS C G, WECHSLER S W,et al. Cloning of the beta cell high-aff i nity sulfonylurea receptor： a regulator of insulin secretion[J]. Science, 1995,268(5209)： 423-426.

[10] AGUILAR-BRYAN L, BRYAN J. Molecular biology of adenosine triphosphate-sensitive potassium channels[J]. Endocr Rev, 1999, 20(2)： 101-135.

[11] TESTAI L, RAPPOSELLI S, MARTELLI A, et al. Mitochondrial potassium channels as pharmacological target for cardioprotective drugs[J]. Med Res Rev, 2015, 35(3)： 520-553.

[12] FLAGG T P, ENKVETCHAKUL D, KOSTER J C, et al.Muscle KATP channels： recent insights to energy sensing and myoprotection[J]. Physiol Rev, 2010, 90(3)： 799-829.

[13] 唐性春, 胡剛, 汪海. ATP敏感性鉀通道的分子生物學與藥理學研究進展[J]. 解放軍藥學學報, 2001, 17(1)： 30-35.

[14] ARDEHALI H, OROURKE B. Mitochondrial K channels in cell survival and death[J]. J Mol Cell Cardiol, 2005, 39(1)：7-16.

[15] 張凌云, 高寶安. 肺動脈平滑肌細胞與低氧性肺血管重塑形成機制[J]. 中國動脈硬化雜志, 2013, 21(2)： 177-181.

[16] MAUBAN J R. Hypoxic pulmonary vasoconstriction： role of ion channels[J]. J Appl Physiol, 2004, 98(1)： 415-420.

[17] 陳磊, 解衛平, 金宇, 等. 吡那地爾及二氮嗪對長期低氧大鼠肺動脈平滑肌KATP通道蛋白表達的影響[J]. 南京醫科大學學報(自然科學版), 2008, 28(3)： 308-311.

[18] 肖欣榮, 程德云, 陳文彬. ATP鉀通道開放劑對大鼠慢性低氧性肺動脈高壓的作用[J]. 中華結核和呼吸雜志, 2003,26(2)： 36-39.

[19] DUMAS J P, DUMAS M, SGRO C, et al. Effects of two K+channel openers, aprikalim and pinacidil, on hypoxic pulmonary vasoconstriction[J]. Eur J Pharmacol, 1994, 263(1-2)：17-23.

[20] HU H L, ZHANG Z X, CHEN C S, et al. Effects of mitochondrial potassium channel and membrane potential on hypoxic human pulmonary artery smooth muscle cells[J]. Am J Respir Cell Mol Biol, 2010, 42(6)： 661-666.

[21] ALBERICI L C, PAIM B A, ZECCHIN K G, et al. Activation of the mitochondrial ATP-sensitive K+channel reduces apoptosis of spleen mononuclear cells induced by hyperlipidemia[J]. Lipids Health Dis, 2013, 12： 87.

[22] WANG T, ZHANG Z X, XU Y J, et al. 5-Hydroxydecanoate inhibits proliferation of hypoxic human pulmonary artery smooth muscle cells by blocking mitochondrial KATP channels[J]. Acta Pharmacol Sin, 2007, 28(10)： 1531-1540.

[23] 李秋, 張麗萍, 舒鷹, 等. 5-羥基癸酸鹽對慢性低氧大鼠肺動脈Kv1.5通道表達的影響[J]. 中國病理生理雜志, 2011,27(1)： 22-26.

[24] DONG L, LI Y, HU H, et al. Potential therapeutic targets for hypoxia-induced pulmonary artery hypertension[J]. J Transl Med, 2014, 12： 39.

[25] 李少民, 成少利, 萬俊哲, 等. 二氮嗪防治低氧性肺動脈高壓的作用機制[J]. 西安交通大學學報(醫學版), 2007, 28(5)： 566-568.

[26] FDA Drug Safety Podcast： FDA warns about a serious lung condition in infants and newborns treated with Proglycem(diazoxide)[R]. 2015. http：//www.fda.gov/Drugs/DrugSafety/DrugSafetyPodcasts/ucm455659.htm.

[27] SASAKI N, MURATA M, GUO Y, et al. MCC-134, a single pharmacophore, opens surface ATP-sensitive potassium channels, blocks mitochondrial ATP-sensitive potassium channels, and suppresses preconditioning[J]. Circulation,2003, 107(8)： 1183-1188.

[28] HUANG X, ZOU L, YU X, et al. Salidroside attenuates chronic hypoxia-induced pulmonary hypertension via adenosine A2a receptor related mitochondria-dependent apoptosis pathway[J]. J Mol Cell Cardiol, 2015, 82： 153-166.

R541.2

A

10.3969/j.issn.2095-9400.2017.11.018

2016-07-24

國家自然科學基金資助項目（81473406）；浙江省衛生廳平臺計劃研究重點資助項目（2012ZDA033）；浙江省自然科學基金資助項目（LQ16H010003）；浙江省大學生科技創新活動計劃資助項目（2016R413076）。

陳馬云（1990-），男，浙江溫州人，住院醫師，博士。通信作者：黃曉穎，主任醫師，教授，Email：zjwzhxy@126.com。

趙翠翠）