超快速延迟整流钾电流在犬和人室肌复极化储备中具有重要功能作用

《Journal of Physiology》：The ultrarapid delayed rectifier potassium current has important functional role in the repolarization reserve of canine and human ventricular muscle

　　

超快速延迟整流钾电流（ ultrarapid delayed rectifier potassium current, IKur ）长期以来被认为是一种心房特异性电流，在心室中无功能作用，尽管已有证据表明其在心室肌细胞中存在表达。在本研究中，研究人员挑战了这一主流观点，并探究了 IKur 在心室复极化中的潜在作用。研究者通过免疫组织化学方法检测了犬和未病变人心脏组织样本中的 Kv1.5蛋白表达。采用常规微电极技术在犬和人心脏标本中记录动作电位（action potential, AP），并利用全细胞膜片钳技术在分离的心肌细胞中测量离子电流。此外，研究人员还进行了计算机模拟（in silico simulations），采用人心室模型（T-World^IKur）探究 IKur 电流的作用。研究结果显示，Kv1.5蛋白表达于犬心房、心室和浦肯野纤维（Purkinje fibre, PF）细胞，以及未病变人左心室心肌中。在犬心房标本中，IKur抑制使AP的平台期向正电压方向偏移，从而缩短AP时程（AP duration, APD）。应用100 μM 4-氨基吡啶（4-aminopyridine, 4-AP）后，在犬心室肌细胞和浦肯野纤维中检测到幅度相似的离子电流，这些电流被归因于 IKur。IKur抑制导致心内膜和中层心肌标本以及浦肯野纤维记录的AP延长。在复极化储备减弱条件下，IKur抑制引起复极化延长加剧和频发早期后除极（early afterdepolarizations, EADs）。计算机模拟数据关于 IKur 抑制诱发EAD形成的结果与实验发现高度一致。研究表明，IKur存在于心室心肌中并具有功能活性，可能是心室复极化储备的重要贡献者。

该研究发表于《Journal of Physiology》，聚焦心脏电生理学中一个长期存在争议的问题，即超快速延迟整流钾电流（IKur）是否仅局限于心房组织而在心室中无功能意义。

研究背景方面，心脏动作电位（AP）的调节涉及多种同时运作的跨膜离子通道，其中钾通道在复极化阶段协同工作，在特定病理生理条件下可补偿其他携带复极化电流通道的功能丧失，从而提供更安全的复极化，这一概念称为"复极化储备"（repolarization reserve）。不同外向钾电流对心脏复极化及有效不应期（effective refractory period, ERP）具有部分调控作用，其抑制导致的复olarization及ERP延长被认为是重要的抗心律失常机制，即Vaughan Williams分类中的III类抗心律失常作用。然而，此类药物除抗心律失常效应外，由于延长心室复极化和增加复极化离散度，可能诱发致心律失常副作用，极大地限制了其临床应用。IKur由Kv1.5通道介导，于20世纪90年代初在犬和人被心房肌中发现。尽管早期研究已显示Kv1.5蛋白在犬和人心室中均有表达，但未能揭示IKur的功能性作用，因此形成了IKur抑制可产生心房选择性抗心律失常效应、而不伴心室致心律失常并发症的观点。这一概念推动了大量所谓心房选择性药物的开发，部分药物甚至已进入临床开发阶段。然而，2007至2008年Sridhar等的研究描述了IKur在犬心室肌中的功能性存在，引发了学界关注。Wettwer在评论中指出，IKur在心室组织中的存在与否需要进一步的实验研究，尤其在人心肌中。

尽管有此呼吁，此后数年科学界和文献并未对此给予显著关注，心房选择性IKur抑制概念仍被广泛接受用于药物开发，多个IKur抑制剂开发项目得以继续推进。鉴于心室复极化的精细调节及复极化储备的复杂性尚未完全阐明，本研究遵循Wettwer评论中的建议，系统探究了IKur在犬和人心室肌标本中的表达及可能功能。

研究人员使用了以下主要关键技术方法：免疫组织化学技术检测Kv1.5蛋白表达；常规玻璃微电极技术记录多细胞心脏组织标本的动作电位；全细胞膜片钳技术测量离子电流；振动切片机制备左心室组织切片；以及基于T-World人心室肌细胞模型的计算机模拟（incorporated IKur from Grandi-Bers model），构建T-World^IKur模型以研究IKur抑制对心室复极化和EAD形成的影响。研究样本来源包括：Beagle犬（11–13 kg，雌雄皆有）的右心房、左心室中层心肌和浦肯野纤维细胞；以及10例无心血管疾病史的器官捐献者心脏的 subendocardial 和 midmyocardial 组织、右心室乳头肌和 trabecular 心肌标本。

研究结果部分。

Kv1.5蛋白在各类犬心肌细胞和人心室肌细胞中的表达。免疫组织化学研究证实了Kv1.5通道蛋白在犬心房、心室和浦肯野纤维细胞以及未病变人左心室心肌细胞中的显著存在，表明IKur的α亚基在分子水平上存在于这些组织中。

IKur抑制对犬心脏心房AP的影响。在犬左心房标本中，100 μM 4-AP使心房APD₉₀中度但显著缩短，同时AP平台期向正电压方向明显偏移，表现为APD₂₅增加。在预先使用100 nM dofetilide抑制IKr后，额外应用100 μM 4-AP显著延长了APD₂₅、APD₇₅和APD₉₀。这表明在复极化储备减弱条件下，IKur抑制对心房复极化的影响发生改变。

犬浦肯野纤维和心室肌细胞中IKur的鉴定。通过膜片钳技术，采用特定的+30 mV预脉冲使瞬间外向钾电流（transient outward potassium current, I_to）失活，随后施加100 μM 4-AP，在犬左心室中层心肌细胞和浦肯野纤维中检测到显著的平台期外向电流。该电流于?20 mV开始激活，随正测试电位升高至+50 mV而显著增加，其电流密度-电压关系与心室肌细胞相似。4-AP敏感的差示电流在AP样脉冲的平台期显示显著外向电流。选择性测试表明100 μM 4-AP对I_Kr、I_Ks和I_K1无影响或影响可忽略，仅使I_to轻微降低约14.2%而不改变其失活动力学。

IKur抑制对犬心室和PF动作电位的影响。在犬右心室心内膜下标本（刺激周期长度cycle length, CL=1000 ms）中，100 μM 4-AP使APD₉₀从235.1 ± 4.0 ms延长至246.9 ± 5.6 ms（n=5, *P=0.001）；在左心室中层心肌切片中从273.2 ± 12.8 ms延长至288.3 ± 14.4 ms（n=7, *P=0.002）。所有心室标本均显示4-AP使平台期电压向更正电位偏移。APD₉₀及4-AP效应在所有检测的心室标本中均呈显著的频率依赖性，即随刺激频率降低而APD延长更显著。在浦肯野纤维中，100 μM 4-AP使APD₉₀从360.8 ± 17.7 ms显著延长至403.4 ± 25.2 ms（n=5, *P=0.001），同样呈频率依赖性。

IKur抑制对人心室动作电位的影响。在未病变人右心室乳头肌和 trabecular 心肌标本中，50 μM和100 μ农商急4-AP均导致AP延长和平台期电压向正方向偏移，APD₉₀在CL=1000 ms时显著延长，两种浓度诱导的APD₉₀延长幅度相似且无显著差异。

IKur抑制对复极化储备受损犬心室动作电位的影响。在左心室切片标本中，通过100 nM dofetilide和500 nM HMR-1556同时抑制IKr和IKs以显著降低复极化储备后，APD₉₀已 substantially 延长。在此条件下，100 μM 4-AP引起的APD₉₀延长幅度显著大于正常复极化储备下的延长幅度。在5次实验中的2次，100 μM 4-AP除复极化延长外还诱发了早期后除极（EADs）。

IKur抑制对人心脏心室AP模型复极化储备受损影响的计算机模拟研究。使用T-World^IKur模型研究显示，IKur完全阻断使APD延长9.5%。在786个细胞的模型群体中，比较了三种条件下的EAD发生率：对照T-World含IKur模型；I_Kr和I_Ks均抑制66%（降至34%）的模型；以及在此基础上额外完全阻断IKur的模型。结果显示无对照细胞出现EAD，80个细胞在I_Kr+I_Ks抑制时出现EAD，96个细胞在额外IKur抑制时出现EAD，证实IKur抑制在复极化储备降低情况下具有促进EAD形成的潜力。

讨论部分总结如下。研究人员指出该研究的主要信息是挑战了IKur为心房特异性电流、在心室中无生理作用的普遍观点。最重要的发现包括：IKur抑制使犬心房AP平台期向正电压方向偏移从而缩短APD；IKur抑制延长犬和人心室AP；IKur抑制延长犬浦肯野纤维AP；在复极化储备受损条件下IKur抑制诱发EADs。这些数据共同表明，IKur应被视为心室复极化储备的重要贡献者，其贡献与I_Ks相当。

与既往研究比较时，研究人员指出犬心室肌细胞中记录的IKur幅度约90 pA（+50 mV时），较心房肌细胞小，但与Sridhar等先前报道的犬心室肌细胞结果相似。考虑到其相对较小的电流幅度和非常快速的激活动力学，未进一步表征其动力学特性。在比较IKur对心房和心室AP形态影响时，研究人员强调心房肌细胞平台期电压在?20至0 mV范围，而心室肌细胞平台期在更正的+20至+40 mV范围，因此IKur在平台期的有效幅度在心房约80–100 pA，在心室约40–60 pA，两者差别不大。在心房肌中，平台期电压正移可增强I_Kr激活，从而限制APD延长甚至导致APD缩短；而I_Kr在心室平台期电位已完全激活，故此效应在心室不明显或不存在。

研究人员还讨论了IKur与I_to的区分问题。采用+30 mV预脉冲使I_to失活，并使用选择性IKur抑制剂4-AP测量差示电流。关于100 μM 4-AP的选择性，研究人员依赖既往研究并通过自身实验验证，发现其对I_Kr、I_Ks和I_K1无显著影响，仅使I_to降低约15%。计算机模拟显示14% I_to抑制对APD无 discernible 影响，支持了观察到的AP变化主要由IKur抑制引起。

在浦肯野纤维中，100 μM 4-AP敏感电流的幅度与心室肌细胞无显著差异。这与Han等在人心脏浦肯野肌细胞中的研究结果不同，后者显示小但统计学不显著的4-AP敏感持续平台期电流，并质疑PF中IKur的存在。差异可能源于实验条件和物种差异（人vs犬）。

关于临床意义，研究人员认为由于心室和PF中复极化延长幅度中等，不认为IKur抑制会在正常条件下产生临床有用的III类抗心律失常效应，也不会显著增加致心律失常风险。这种程度的APD延长未必导致健康个体中临床相关的QTc延长，这已在临床研究中得到证实。然而，在复极化储备明显受损的情况下，研究人员观察到显著的心室APD延长和偶发EAD。因此，在临床情况下，如APD已延长或心脏复极化储备因先天性离子通道缺陷、病理状态（如心力衰竭、糖尿病、低钾血症）或暴露于复极化延长药物而明显受损时，额外的IKur抑制可能增加尖端扭转型室性心动过速和心脏性猝死的风险。这一潜在风险应在临床实践中被认识，并在未来药物开发中仔细考虑。

研究结论部分翻译如下：综上所述，研究人员认为此前被认为是心房特异性电流的IKur，实际上存在于犬和人心室中，并发挥重要的精细调节作用。此外，IKur可能对心室复极化储备具有重要贡献，尽管其精确作用仍有待进一步研究。