综述：应激诱导的钙处理失调在心脏（病理）生理学中的作用

《Cellular and Molecular Life Sciences》：Stress-Induced calcium mishandling in cardiac (Patho)physiology

本综述系统阐述了钙离子（Ca2+）稳态在维持正常心脏功能中的核心地位，重点探讨了在心肌梗死、缺血再灌注（I/R）损伤及心力衰竭（HF）等应激条件下，RyR2、SERCA2a、NCX等关键钙处理蛋白的异常调控如何通过CaMKIIδ、JNK2等激酶通路诱发心律失常与心肌重构，为靶向钙稳态失衡的新型治疗策略提供了重要理论依据。

　　

引言

在哺乳动物心脏中，钙离子（Ca²⁺）是将电信号转化为机械性心跳的关键阳离子。它不仅作为电信号、收缩功能和兴奋-收缩（EC）偶联的重要调节因子，还参与众多细胞信号转导通路，以控制和调节心肌细胞的存活与生长。随着年龄增长以及心肌缺血性梗死、肥厚、心力衰竭（HF）和过量酒精暴露等应激条件，受损的Ca²⁺稳态会导致心肌分子重构，从而引起基因表达异常、心肌细胞死亡、收缩功能障碍和心律失常。本文简要回顾了Ca²⁺信号在维持正常心脏功能和疾病发展（即心律失常和心脏梗死/缺血条件）中的功能作用。

心脏钙处理动力学概述

心肌细胞动作电位（AP）的发生始于钠（Na⁺）快速内流（I_Na）引起的膜电位去极化，随后是Ca²⁺内流（I_Ca），而复极化则由外向钾电流（I_K）完成。兴奋-收缩（EC）偶联是心肌细胞兴奋（AP去极化）与肌质网（SR）释放Ca²⁺引起心肌细胞收缩之间的关键环节。每个AP起始时，通过L型钙通道（LTCC）和钠钙交换体（NCX；正向模式）进入的少量Ca²⁺会诱导肌质网释放大量Ca²⁺（称为钙诱导的钙释放，CICR），这一过程主要通过兰尼碱受体2型通道（RyR2；心脏亚型）完成。CICR由dyads结构促进，该结构由含有RyR2通道的SR终末池与横管（T-tubules）和LTCCs配对组成。在收缩期，CICR产生巨大的细胞内Ca²⁺（[Ca²⁺]_i）瞬变，通过触发Ca²⁺-肌钙蛋白C结合驱动肌丝激活和心肌收缩。在舒张期，LTCCs关闭以终止Ca²⁺内流，导致RyR2通道关闭，随后胞质中过量的Ca²⁺主要通过Ca²⁺泵活性（SERCA2）被重新摄取回SR。此外，约30%的胞质Ca²⁺通过NCX（反向模式）被排出细胞外，同时有少量Ca²⁺通过质膜Ca²⁺-ATP酶（PMCA）外流，还有一小部分Ca²⁺通过线粒体钙单向转运体被线粒体摄取。

钙触发异常活动与心脏心律失常发生

临床上，心房颤动（AF）是最常见的心律失常，而室性心动过速（VT）和心室颤动（VF）等室性心律失常则危及生命，可能导致心源性猝死。广泛的研究表明，异常的异位活动，尤其是钙触发的心律失常活动，在心律失常的 initiation 中起着关键作用，而在衰老、缺血性心肌损伤和心力衰竭等应激条件下，致心律失常底物（包括心脏的分子和结构重构）有助于形成折返回路，促进心律失常的发生和维持。心脏的功能性电活动必须具有高度规律和顺序性的同步化动作电位（AP）冲动生成和传导。然而，这些高度协调的细胞/生理过程在Ca²⁺调节失常时会变得不稳定。在应激（或病理）条件下，通过RyR2通道增强的舒张期SR Ca²⁺泄漏可能产生大量/频繁的Ca²⁺火花，从而触发Ca²⁺波。这些异常的Ca²⁺活动会导致过量的外向NCX电流（该交换是生电性的，3个Na⁺进，1个Ca²⁺出），从而可能产生异常触发的心电活动，如延迟后除极（DADs），并最终引发心律失常。触发活动也可能发生在AP的不同时期，早期后除极（EADs）是发生在心脏AP终末复极期之前的异常去极化。动作电位时程（APD）的延长（通过增加内向电流如I_Na,L、I_Ca,L、I_NCX，减少外向电流I_to、I_K1、I_Kr、I_Ks）以及细胞内Ca²⁺浓度的增加已知会影响EADs的发生。近期报告表明，TRPM4（瞬时受体电位M4，一种在心脏表达的钙激活非选择性阳离子通道）也在EADs中扮演重要角色。在患者和动物模型中，TRPM4的表达改变和/或基因突变提示其在心律失常和HF发展中具有重要作用。

尽管心房和心室肌细胞的钙处理机制相似，但存在一些重要的结构和分子差异（如离子通道表达水平），这可能导致了不同心腔对应激损伤的钙处理失调反应存在差异。心房肌细胞更细长，导致AP与细胞中心的Ca²⁺瞬变之间存在更长的延迟时间。因此，心房AP通常更短，呈三角形，这是由于Ca²⁺内流较小且复极期更平缓，而心室AP持续时间更长，平台期比心房肌细胞更明显。心房细胞的这些特性增加了Ca²⁺传播的不稳定性，具有致心律失常性。值得注意的是，心房Ca²⁺瞬变幅度较小，细胞内Ca²⁺衰减速率高于心室肌细胞，这是由于舒张期SERCA2摄取更强和NCX对胞质Ca²⁺的清除更强。SERCA2依赖性舒张期细胞内Ca²⁺清除增强归因于SERCA2蛋白量更多以及其调节蛋白如受磷蛋白（PLB）的水平较低。因此，心房中更强的胞质Ca²⁺清除机制导致心房SR的Ca²⁺含量高于心室肌细胞，这使得心房肌细胞在应激条件下RyR2被敏化时更容易发生异常的舒张期SR Ca²⁺泄漏。此外，横管（T-tubules）是参与SR Ca²⁺动力学的亚细胞肌膜网络，通过LTCC与SR膜上的RyR2通道的功能偶联，使得心室肌细胞对电兴奋的细胞内CICR反应比心房肌细胞更强劲和迅速。虽然以前认为小啮齿类动物分离的心房肌细胞中几乎没有横管，但近期积累的证据表明，在大型哺乳动物物种和小型啮齿类动物（包括人类、绵羊、狗、牛、马、大鼠、小鼠）的完整肌细胞中，确实存在心房横管网。然而，与心室相比，心房横管网 simply 不那么丰富且组织性较差。在快速起搏诱导的心力衰竭（HF）狗模型中，发现横管丰度降低与亚细胞Ca²⁺动力学改变和房性心律失常的发生有关。因此，组织性较差且丰度较低的心房横管网也使心房比心室更容易发生心律失常。鉴于Ca²⁺稳态在心脏心律失常发生中的关键调节作用，靶向钙处理通道/转运体和调节蛋白以维持正常Ca²⁺稳态已成为开发抗心律失常药物的通用方法。

钙处理失调与心功能不全

心力衰竭（HF）仅在美国就影响超过500万人，HF患者死亡率高（约50%），而急性心肌梗死（AMI）和心搏骤停（CA）导致的不可修复的缺血性细胞损伤以及房颤（AF）相关的脑血管事件（缺血性卒中）是全球领先的死因，每年影响数百万人。

功能失调的SR Ca²⁺处理在心脏病理重构和心力衰竭发展中起关键作用。SERCA2a对维持逐次心跳的正常Ca²⁺循环至关重要，其摄取增加可导致更高的[Ca²⁺]_SR负荷，从而维持正常或更高的收缩期Ca²⁺瞬变幅度，即正常或"超常"的心脏收缩功能。相反，SERCA2a蛋白的显著减少会导致SR Ca²⁺负荷降低和瞬变幅度减小，从而降低心肌细胞的收缩力并损害心脏功能。此外，在HF等应激条件下，功能失调的RyR2通道导致的舒张期SR Ca²⁺泄漏加剧了SERCA2a引起的SR Ca²⁺含量下降，导致心脏收缩功能显著抑制（泵衰竭）。尽管在某些人类和动物模型的心力衰竭（HF）中观察到收缩力和Ca²⁺瞬变强烈抑制，但LTCC电流却未改变。这种SR Ca²⁺处理失调在HF发展和致心律失常性增强中起关键作用，导致因心源性猝死（约一半HF患者猝死）和泵衰竭的死亡率显著增高。

在心肌缺血事件中，急性心肌梗死（AMI）和心搏骤停（CA）后及时恢复血流对于限制细胞损伤的严重程度至关重要，但可能矛盾地导致心肌收缩力恢复不良和心肌细胞死亡启动。这种现象称为缺血/再灌注（I/R）损伤，它促进了CA后的短暂性心肌功能障碍和AMI后心力衰竭（HF）的发展。研究表明，Ca²⁺信号失调是心脏损伤的关键因素，并可能作为减少I/R损伤的有效干预点。I/R后的变化可导致LTCC和NCX介导的Ca²⁺内流增加，以及SERCA2a和RyR2等SR Ca²⁺处理蛋白的变化，从而维持I/R后[Ca²⁺]_i和[Ca²⁺]_SR的升高。再灌注期间的Ca²⁺超载与过度收缩、蛋白水解和线粒体功能障碍有关，或总体上与所谓的再灌注损伤（RI）有关。受影响心脏组织的再氧合可恢复ATP产生和受干扰的pH水平，但活性氧（ROS）的过量产生和升高的[Ca²⁺]_i是已知的负面后果，最终可导致心肌细胞死亡和收缩功能障碍。因此，基于对Ca²⁺稳态中机械性损伤和反应的全面理解探索新的治疗方法，是当前减轻AMI和I/R不良影响、最小化梗死损伤、恢复心脏功能并避免心律失常以及HF发生和进展等进一步后果的关注重点之一。

线粒体（mito）产生的ROS也通过Ca²⁺超载和mito-ROS产生的纠缠级联循环，在I/R介导的线粒体功能障碍中发挥重要作用。SR和线粒体通过称为线粒体相关膜（MAMs）的特化膜接触位点交换Ca²⁺和信息，这种细胞器间通讯可以微调细胞生物能量学和细胞命运。有报道称，AMI后SR-mito MAM组织被破坏，尽管其因果关系以及对受损肌细胞功能障碍和恢复的影响仍未完全明确。因此，SR定位的RyR2通道遭受这种代谢性破坏的广泛攻击，通过ROS对其功能完整性的氧化损伤导致[Ca²⁺]_SR泄漏，进而引发Ca²⁺触发的心律失常活动。SR膜结合的肌醇1,4,5-三磷酸受体（IP₃R）Ca²⁺通道的亚型是参与引导Ca²⁺至线粒体以及细胞核以调节核基因转录的另一重要Ca²⁺释放通道。这些IP₃R通道是SR锚定的门户，可能负责形成SR和线粒体之间的界面。一项早期研究表明，IP₃R通过葡萄糖调节蛋白75伴侣（GRP75）与位于线粒体外膜（OMM）的电压依赖性阴离子通道1（VDAC1）相关联。进一步的研究表明，IP₃R/GRP75/VDAC1蛋白复合物是MAMs的结构基础。有趣的是，后来在氧糖剥夺（OGD）肌细胞模型中发现，敲低GRP75可减少细胞凋亡，改变MAMs形成，并关键性地影响Ca²⁺稳态和对ER应激的适应性反应。此外，在持续缺血损伤后的再灌注阶段观察到的心肌细胞死亡中，该功能复合物与线粒体Ca²⁺超载有关。SR、线粒体、肌丝中Ca²⁺与相关激活的蛋白水解级联（如钙蛋白酶激活）之间不断扩大的相互作用也被证明有助于细胞损伤和死亡。然而，MAMs在线粒体功能和Ca²⁺稳态中的作用仍是一个需要持续进展的领域。尽管如此，目前的研究表明，由不同肌细胞细胞区室调节的细胞内Ca²⁺稳态对心肌梗死后心肌缺血损伤以及HF和心律失常的发展具有强烈影响。

应激诱导钙处理失调和病理性心脏重构中的分子调控

如前所述，在应激挑战后，Ca²⁺失调不仅涉及RyR2功能，还涉及IP₃R、NCX、LTCC和SR Ca²⁺ATP酶（如SERCA2a）活性的变化，以及它们的功能调节因子，包括CaMKII、PKA和应激反应激酶JNK。

应激诱导钙处理失调中的离子通道和转运体

LTCC L型电压门控钙通道（LTCCs，也称为二氢吡啶受体DHPRs）是心肌细胞主要的电压门控通道，而T型通道（I_Ca,T）也存在但程度较轻。响应膜电位变化（约-40mV），LTCCs开放驱动Ca²⁺内流进入肌细胞，并触发SR通过RyR2通道释放大量Ca²⁺，导致肌丝收缩。鉴于LTCC在调节Ca²⁺瞬变速率和幅度中的关键作用，改变的LTCC电流密度和/或通道激活/失活动力学可能对心脏收缩功能和致心律失常性产生深远影响。在HF中，研究未发现全细胞L型钙电流（I_Ca,L）有实质性变化，而LTCC磷酸化状态增加以及表达水平降低似乎维持了I_Ca,L的现状。此外，在急性体外I/R损伤和HF中报道了LTCC表达的适应性降低。然而，其他研究也指出了通道的亚细胞重新分布（从横管到肌膜），这可以根据不同蛋白激酶的特定靶向功能性地区分不同疾病病因。钙通道阻滞剂目前广泛用于治疗高血压和某些心律失常性疾病。然而，由于担心降低心脏收缩力而恶化心功能，LTCC阻滞剂尚未用于HF患者；氨氯地平是个例外。有趣的是，氨氯地平似乎具有抑制LTCC的有益品质，因为它在TAC诱导的压力超负荷肥厚小鼠模型中显示出可预防不良心脏重构。钙通道阻滞剂的抗心律失常品质对于治疗源于窦房结和房室结功能障碍的心律失常也很明确，因为这些心脏区域的AP高度依赖于Ca²⁺内流。此外，早期评估各种心肌I/R模型中钙通道阻滞剂的工作支持其对抗[Ca²⁺]_i升高在细胞损伤中的有益作用。然而，后来的临床研究表明，在患者中使用各种LTCC阻滞剂并未改善其生存率和梗死后细胞损伤结局。鉴于LTCC参与I/R损伤的复杂性，LTCC功能的上游调节因子（即激酶调节的LTCC磷酸化）可能关键性地参与I/R损伤。总体而言，对LTCCs在心肌功能障碍中的功能贡献及其作为干预靶点的治疗潜力的理解多年来已有进展，但仍需进一步研究。

RyR2 各种研究已经探讨了RyR2通道功能障碍，即在应激条件（如衰老、炎症和酒精滥用）、I/R损伤以及适应性肥厚和失代偿性心力衰竭发展过程中，由于[Ca²⁺]_i升高和舒张期SR Ca²⁺泄漏以及触发异常Ca²⁺活动增强致心律失常性。迄今为止，由于RyR2通道在应激改变细胞内Ca²⁺稳态中的核心调节作用，其角色或许是研究最多的Ca²⁺通道。例如，RyR2突变与儿茶酚胺能多形性室性心动过速（CPVT）和致心律失常性右心室发育不良2型（ARVD2）相关。减少RyR2可以减轻缺血诱导的心肌损伤，伴随细胞内Ca²⁺升高减弱，从而减少细胞死亡，但长期来看可能损害心功能，正如模拟I/R的细胞或动物模型研究所提示；而特异性抑制钙蛋白酶和蛋白酶体可防止I/R介导的RyR2减少，改善I/R后心脏收缩力。积累的证据表明，翻译后修饰在应激引起的RyR2通道功能障碍中至关重要。CaMKII通过磷酸化Ser2814位点促进RyR2通道功能障碍，并调节其他已知影响肌细胞Ca²⁺瞬变和亚细胞SR Ca²⁺释放活动的关键Ca²⁺处理蛋白，而蛋白激酶A（PKA）也被证明可磷酸化RyR2通道，尽管关于PKA在AF和HF中过度磷酸化RyR2 Ser2809位点的致心律失常作用存在不一致的发现。在理解RyR2磷酸化在舒张期SR Ca²⁺泄漏中的重要机制后，我们对不同病理条件（如HF和AF）下CaMKII或PKA依赖性作用在RyR2磷酸化中的认识已显著推进。此外，RyR2通道蛋白组成包含多个半胱氨酸残基，使其易受细胞氧化状态增加的影响。氧化应激似乎通过促进通道亚基间二硫键形成来激活RyR2，改变通道结构并降低SR Ca²⁺水平。事实上，RyR2本质上感知氧化还原变化，其中ROS对RyR2的影响可能基于细胞ROS浓度而变化。奇怪的是，相对较低水平的氧化剂似乎会急性增强RyR2活性，而持续高水平则导致不可逆的抑制，可能对不同半胱氨酸残基产生差异影响。此外，最近显示I/R相关的RyR2氧化改变在β-肾上腺素能受体（β-AR）刺激期间从正性肌力作用向致心律失常效应的转变中起作用。而且，S-谷胱甘酰化和S-亚硝基化是报道的影响RyR2功能的其他氧化修饰。在杜氏肌营养不良症（DMD）的mdx小鼠模型中，SR重构与FKBP12.6耗竭和RyR2 S-亚硝基化增加相关，导致明显的舒张期Ca²⁺泄漏和心律失常。然而，RyR2的氧化还原修饰是复杂的，因为RyR2的S-亚硝基化和S-谷胱甘酰化介导了心律失常倾向，而氧化和糖基化激活的CaMKII磷酸化RyR2，从而在I/R或心力衰竭期间放大了致心律失常效应。而且，迄今为止的大部分证据表明，氧化应激结合升高的[Ca²⁺]_i和SR Ca²⁺失调导致了心脏中I/R诱导损伤的主要部分，其中RyR2扮演关键角色。因此，调节RyR2通道功能已被视为一种治疗途径。使用RyR2通道稳定剂rycal（S107）或JTV519（通过增加FK506结合蛋白12.6（FKBP12.6）与RyR2的亲和力）抑制舒张期SR