9　晚钠电流在钙异常介导的心律失常中的作用

钙内流是影响心肌细胞兴奋-收缩耦联的关键因素。遗传性或获得性因素引起的细胞内钙异常和钙转运调节异常可引起多种心律失常，其中一些室性心律失常通常病情严重、危及患者生命，但目前临床上对这类心律失常的治疗仍存在较大困难。近年来的研究发现，细胞内钙超载介导的心律失常常伴随晚钠电流的增强，应用晚钠电流抑制剂能够部分缓解这些心律失常。因此，本文就细胞内钙调节异常及其与晚钠电流的相互影响做一综述，以期为钙异常相关心律失常的治疗提供新的思路。

一、心肌细胞内钙离子的电生理特性与钙转运调节

Ca2+参与调节心肌细胞的电生理特性。在心肌细胞去极化（0相）过程中，细胞膜上电压依赖性L型钙通道被激活，在平台期（2相）产生内向钙电流（ICa-L），Ca2+进入细胞内。内流的Ca2+激活钙释放单位（calcium release units，CRUs），诱导肌质网（sarcoplasma reticulum，SR）上的钙释放通道——兰尼碱受体2（ryanodine receptor 2，RyR2）的开放，并在集钙蛋白2（CASQ2）的参与下，触发钙瞬变，即肌质网释放的大量Ca2+入细胞质内，这一机制称为“钙触发钙释放（calcium induced calcium release，CICR）”。在这一过程中，Ca2+通过L型钙通道内流入细胞内，是影响心脏电活动及兴奋-收缩耦联的始动环节。另外，也可有部分Ca2+经内质网IP3受体通路及线粒体钙离子通道内流入细胞质。细胞质中大量Ca2+与肌钙蛋白C结合，诱导肌球蛋白发生一系列变构过程，最终引起心肌纤维收缩，这是心肌电活动和机械活动耦联的基本过程（图1-9-1）。其中，每个心动周期中参与钙释放的CRUs的数量是心脏收缩时钙瞬变幅度的一个重要调节因素。

在心肌舒张期，RyR2关闭并伴随肌质网Ca2+-ATP酶（sarcoplasmic reticulum calcium ATPase，SERCA）的活化，将Ca2+重新摄回肌质网库中，以清除胞质中过多的Ca2+。清除细胞内Ca2+的另一条途径是细胞膜上的钠-钙交换通道（Na+-Ca2+exchanger，NCX），NCX每排出1个Ca2+（两个正电荷）到细胞外，会将3个Na+（3个正电荷）摄入细胞内。因此，NCX是不等电价交换，通过净泵入一个正电荷而生成一个净内向电流——瞬时内向电流（Iti）（图1-9-1）。在人类，SERCA和NCX可清除胞质内Ca2+大约分别为63%和37%（图1-9-1）。在钙超载的情况下，如心力衰竭（NCX表达增多）或编码RyR2的基因发生突变（使肌质网钙阈值降低）等，细胞内Ca2+浓度升高，通过反馈作用使NCX对Ca2+的清除作用增强，而导致Iti增大，使细胞膜部分去极化，这在致心律失常的发生机制中起重要作用。

二、心肌细胞内钙浓度升高的致心律失常机制

钙内流增多和细胞内Ca2+浓度升高可见于多种生理、病理及药理情况下。在生理条件下，交感神经兴奋或异丙肾上腺素（isoproterenol，ISO）的作用，激活β肾上腺素受体并可诱发一系列反应，引起心率增快，导致钙转运调节系统关键组成部分的蛋白磷酸化。例如，L型钙通道的磷酸化使内向钙电流强度增大；心肌受磷蛋白（phospholamban，PLB）的磷酸化使其失去了抑制SERCA的作用，导致肌质网Ca2+重摄取增加，最终使肌质网释放Ca2+增加。以上两种情况均使ICa-L的幅度增高，心肌细胞自律性增高及收缩力增强，从而有利于应对环境应激。

在病理情况下或应用某种药物后，如缺血缺氧、氧化应激、心肌梗死、心肌肥厚、心力衰竭、继发性儿茶酚胺浓度增高、洋地黄中毒等情况下，Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ（Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ）的自身磷酸化及激活使ICa-L幅度增高，解除心肌PLB对SERCA的抑制作用，导致肌质网Ca2+含量增加；而RyR2通道可能会长期过度磷酸化，使通道开放概率增加，这些因素的共同作用导致舒张期Ca2+从肌质网中释放增多，即发生舒张期自发性钙释放（spontaneous calcium release，SCRs）。当上述病理情况造成肌质网自发性释放Ca2+时，Ca2+先由病理性活化的Ca2+激活钙释放单位（CRU）释放，然后弥散并激活邻近的CRUs，触发更多的Ca2+释放，从而产生一个沿细胞传播的钙波。SCR引起钙波的概率受肌质网Ca2+含量和胞质内Ca2+浓度之间平衡的影响，该平衡诱导Ca2+从肌质网中释放——即所谓的肌质网钙阈值。RyR2的功能在控制该阈值中发挥了关键作用：任何可增加RyR2开放的情况，如使用咖啡因，都会降低肌质网钙阈值，因而易于诱发SCR；相反，减少RyR2开放的药物，如麻醉药盐酸丁卡因，则使肌质网钙阈值增高，从而减少SCR的发生。

SCRs是触发心律失常的基本机制。当发生SCR时，细胞质中Ca2+浓度升高，而细胞必须激活相应机制以清除细胞质内过多的Ca2+，保持Ca2+平衡，并重建生理性舒张期的Ca2+水平。此时，NCX被激活，可产生Iti，在动作电位4相引发延迟后除极（delayed after depolarization，DAD）。当DAD幅度达到激活钠通道的电压阈值时，即可产生一个“触发”动作电位。动作电位向整个心脏传播，产生一次期外收缩的搏动。当这一系列反应反复发生，且多个DAD达到可以产生传播的动作电位的阈值后，便诱发了触发的连续性期外收缩活动，即心动过速，最终导致危及生命的心律失常。同时，心肌缺血/再灌注、心力衰竭、儿茶酚胺浓度增高等病理情况下，L型钙通道的磷酸化可造成心肌细胞动作电位2相平台期钙内流增多，引发早期后除极（early after depolarization，EAD）。EAD和DAD是细胞内钙异常介导的触发性心律失常的基本机制（图1-9-2）。

三、与心肌细胞内钙浓度增高相关的疾病

（一）遗传性离子通道病

钙内流增多除通过EAD、DAD触发各种器质性心脏病发生心律失常外，还能够延长或缩短动作电位时程（action potential duration，APD），降低复极储备，与多种遗传性钙离子通道病的发生有关，如L型钙通道病、儿茶酚胺敏感性多形性室速（catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia，CPVT）等（表1-9-1）。

心脏L型钙通道由一个成孔亚基α1、两个辅助亚基α2δ和β组成。其中，由CACNA1C基因编码的α1C亚型突变与心脏离子通道病有关，由CACNA2D1基因编码的α2δ亚基调节L型钙通道的激活和失活。α2δ亚基的缺失突变可减慢钙通道的激活和失活，从而降低ICa-L的幅度。β亚基在通道转运和ICa-L失活调节中起重要作用，由CACNB2基因编码的β2亚型在心脏中的表达最丰富。目前已报告了可影响3个L型钙通道大分子复合体组分的编码基因（CACNA1C、CACNB2和CACNA2D1）的25个突变，与短QT间期的Brugada综合征、短QT综合征、早期复极综合征、长QT综合征8型（LQTS8）有关。研究发现，10%～15%的Brugada综合征由L型钙通道突变所致；短QT综合征与3个L型钙通道亚基的编码基因突变有关；早期复极综合征中有16%存在L型钙通道的突变；功能性研究提示这些突变具有功能缺失效应即引起ICa-L幅度降低，APD和QT间期缩短，使复极透壁离散度增加，易于发生折返和多形性室速。LQTS8是由于编码L型钙通道α1C亚型的CACNA1C基因突变，造成L型钙通道的电压依赖性失活出现障碍（即功能获得），产生持续性钙内流，从而导致APD和QT间期延长，发生心律失常。

CPVT是一种由于儿茶酚胺过度刺激导致的与钙转运调节异常相关的室性心律失常，常表现为运动中或情绪高度紧张时发生典型的双向性室速。突出的特点是患者平时心电图完全正常，或仅有轻度的窦性心动过速和出现U波，因此难以筛查及进行预防；而在儿茶酚胺刺激下发生严重的心律失常，危及患者的生命，由此引起的晕厥易于与其他原因晕厥（如癫痫和神经心源性晕厥等）相混淆。现已发现CPVT有两种遗传形式：CPVT1型是一种常染色体显性疾病，由RyR2编码基因的突变引起；CPVT2型表现为常染色体隐性，由CASQ2编码基因的突变引起。研究显示，引起CPVT的RyR2或CASQ2突变改变了RyR2功能，使肌质网钙阈值降低，因而在β肾上腺素刺激期间容易发生SCRs。SCR是CPVT致心律失常的基本环节，可引起DADs和触发活动，最终导致心律失常。

（二）后天获得性心律失常

与细胞内钙调节异常相关的后天获得性心律失常常见于以下情况：各种原因导致的儿茶酚胺过度刺激、心肌缺血/心肌梗死或再灌注损伤、心肌肥厚、充血性心力衰竭、使用洋地黄等药物后。这些病理情况或通过促进细胞内钙释放，降低钙阈值，引起细胞内Ca2+浓度增加；或通过影响钙清除系统，导致肌质网钙摄取增加，最终使细胞内钙转运调节异常，发生钙异常相关心律失常。

近几年的研究表明，CaMKⅡ在这些损伤导致细胞内钙超载，以及钙异常相关心律失常的发生中发挥重要作用。如前所述，心脏缺血再灌注损伤或其他各种原因导致的儿茶酚胺过度刺激时，β肾上腺素的激活可能通过促进PKA和CaMKⅡ的磷酸化，进而导致钙转运调节系统关键组成部分的蛋白磷酸化（如L型钙通道、PLB）。L型钙通道蛋白磷酸化使ICa-L的幅度增高，可造成心肌细胞动作电位2相平台期钙内流增多，引发EAD。PLB磷酸化使其对SERCA的抑制作用减弱，与ICa-L的幅度增高协同作用，使RyR2激活。ICa-L和SERCA的刺激导致肌质网摄取Ca2+增加，而RyR2的激活则降低了肌质网的钙阈值，两者共同作用促进SCR的发生，诱发DADs。EAD和DAD是致后天获得性钙异常相关心律失常的基本环节。

在Ca2+相关性后天获得性心律失常的发生机制中，调节细胞内钙转运的因素均存在不同程度的异常。心肌肥大时Sp1因子的过表达，以及心肌损伤时肿瘤坏死因子α、白介素-6等的释放增多都使SERCA2基因的转录下调，细胞质中Ca2+摄回入肌质网减少，而通过NCX途径清除胞质中Ca2+增多。在心力衰竭的动物模型及临床患者中，SERCA2的表达显著降低，而NCX的表达量上升。以上两种情况下，Ca2+的清除系统SERCA和NCX的动态平衡发生改变，即钙清除平衡向NCX危险地倾斜。NCX在排出Ca2+的同时通过生成Iti，从而诱发DAD，导致心律失常的发生。

四、心肌细胞内钠/钙调节异常的相互影响及晚钠电流的作用

晚钠电流（late sodium current，INa-L）是由于心肌细胞少数钠通道（SCN5A编码的Nav1.5钠通道α亚单位）在心肌细胞除极后不能完全失活造成的，出现在动作电位的复极期，持续时间约为10～100毫秒，但幅度仅为峰钠电流的0.1%，只有20～80pA。过去的观念认为生理性INa-L对APD和QT间期影响不大，也不影响心肌细胞的收缩功能。但是，近几年的研究证实内源性（生理状态下）INa-L在药物及慢频率依赖性心律失常的发生中仍然起着重要作用。我们研究室过去的工作曾利用快速激活的延迟整流钾电流（delayed rectifier potassium current，IKr）抑制剂E-4031，在新西兰兔离体整体心脏制作心脏复极储备下降的模型，发现选择性INa-L抑制剂河豚毒素（tetrodotoxin，TTX，1μmol/L）和临床治疗剂量的雷诺嗪（2～10μmol/L）能够部分逆转E-4031引起的单相APD（monophasic APD，MAPD）延长，减少EADs、期前收缩和尖端扭转型室速（torsade de pointes，TdP）的发生。该项研究提示内源性INa-L在IKr抑制剂E-4031造成的外向电流减小，即心脏复极储备能力下降时，可导致APD和QT间期的明显延长，产生致心律失常作用。

病理性INa-L增大可改变细胞内离子稳态，也对心功能产生影响。INa-L的较小增加就可使动作电位平台期明显延长而引发心律失常。可见于长QT综合征3型（LQTS3）等钠通道功能增强（gain of function）的遗传性钠离子通道病。而且近些年的研究发现INa-L增大与很多临床病理情况（如心肌缺血、心力衰竭、心肌肥厚、组织氧自由基和儿茶酚胺水平增高等）和药物（洋地黄和儿茶酚胺增强）应用有关。在这些病理情况下，出现类似于钠通道基因SCN5A突变的临床表型或亚临床型INa-L增大，使心肌细胞复极储备下降，在心脏遇到弱的致心律失常因子时，即可引起TdP或心室颤动等严重心律失常而导致猝死。我们研究室之前的研究证实，选择性INa-L增强剂海葵毒素（anemone toxin，ATX）作用于离体整体心脏时，胺碘酮在抑制钾通道的浓度下能够诱发TdP的发生，表明INa-L增大引起的内向电流增大，与钾通道阻滞剂造成的外向电流减小一起协同促进心律失常的发生。

晚钠电流增强或心肌细胞内钙超载可导致心律失常。而钙内流增多导致的钠钙交换增强常伴随钠内流的增多。INa-L增大造成的心脏复极储备降低是否也能与钙内流增多一起协同促进心律失常的发生，是近年来的研究热点。马季骅等利用分离的心室肌细胞的研究中发现，心肌细胞内钙含量增多时，过多的Ca2+一方面通过NCX途径，在排出胞质内Ca2+的同时引起Na+内流增多；另一方面过多的Ca2+能够进一步激活CaMKⅡ（27%）和蛋白激酶C（62%）通路，使INa-L增大，导致细胞内Na+浓度升高。Yao等在大鼠及Nav1.5功能增强的转基因小鼠的研究发现，增大的INa-L能够激活心室肌细胞的CaMKⅡ，可使RyR2磷酸化，因而钙释放增多；活化的CaMKⅡ又反过来使Nav1.5磷酸化，进一步促进钠内流。同时，NCX通过反向模式发挥作用，将Na+转运出细胞，同时Ca2+内流增多，进一步加重了细胞内钙超载，钙超载又激活细胞内一系列信号通路使钠通道失活减慢，这种正反馈机制引起恶性循环，导致细胞内钠、钙浓度均增高，心肌发生电重构。心肌细胞内钙超载和由INa-L增大造成的APD延长和复极不均一性协同作用，诱发心律失常和心肌收缩功能障碍（图1-9-3）。故而认为，晚钠电流在细胞内钙异常介导的心律失常中发挥了至关重要的作用。

最近基础研究进一步证明抑制钠内流可能阻断细胞内钠/钙异常增高的恶性循环，减轻钙介导的心律失常。Sicouri等在左室楔形心肌组织块上，利用Bay-K 8644模拟L型钙通道功能增强的LQTS 8模型，证明心肌细胞的APD和QT间期明显延长，跨壁复极离散度增大，心室发生不同形式的期外收缩和室速，而所有这些变化均能被INa-L抑制剂雷诺嗪逆转。Luo等人在急性分离新西兰兔的心室肌细胞的研究中发现，ATX（30nmol/L）可增加反向模式NCX电流（INCX），TTX（4μmol/L）可逆转该变化使INCX降低到正常水平。氯胺酮（一种麻醉剂，20～80μmol/L）也可以达到与TTX类似的作用，并且可降低缺氧及H2O2诱导增大的INa-L及ATX诱导的细胞内钙瞬变。同时，氯胺酮可降低兔心室肌细胞的ICa-L电流密度，撤离药物后ICa-L恢复正常。由此可得出，氯胺酮可通过抑制INa-L及ICa-L降低细胞内Ca2+浓度，进而减轻缺血再灌注性心律失常。Fischer等人在急性分离的小鼠心房肌细胞研究中发现，ATX-Ⅱ可以增加肌质网Ca2+释放，抑制Ca2+/CaMKⅡ（抑制剂Autocamide-2-相关抑制肽，AIP）、蛋白激酶A（PKA，抑制剂H89）或者INa-L（抑制剂雷诺嗪或河豚毒素）均可逆转该变化。荧光共振能量转移（FRET）测量显示ATX-Ⅱ刺激可增加cAMP水平，抑制腺苷酸环化酶（ACs）5和ACs6（抑制剂NKY80）可逆转该变化。表明ATX-Ⅱ可以通过激活AC，使胞质cAMP水平增加，进而激活PKA。Werstern Blot显示INa-L激活后，CaMKⅡ和PKA活化，可使RyR2（-S2814和-S2808）和PLB（-Thr17 -S16）过度磷酸化。同样，在房颤患者的心房肌细胞中，抑制INa-L、CaMKⅡ和PKA均可降低肌质网Ca2+释放。可得出结论：INa-L可通过激活CaMKⅡ和PKA，进而使RyR2和PLB磷酸化，对心房肌细胞钙稳态产生特殊作用，即增加肌质网Ca2+释放。因此，在房性心律失常中，可以抑制INa-L以减少CaMKⅡ的激活和肌质网Ca2+释放，进而减轻心房肌细胞钙超载。

在另一项病例报告研究中，应用选择性钠通道阻滞剂美西律治疗一名2岁LQT 8患儿，获得了满意的疗效。其研究发现美西律使该患儿的QT间期从584毫秒缩短至515毫秒，消除了患儿的2∶1房室传导阻滞和T波电交替。其应用Bay-K 8644建立的LQT8模型进行的体外研究进一步证实，美西律能够抑制INa-L，减弱心动过缓依赖的QT间期延长，提示美西律改善LQT8的作用是通过抑制INa-L实现的。以上研究表明，抑制INa-L可能成为治疗钙异常相关心律失常的有效的新方法。

五、总结

由钙转运调节异常等因素造成的细胞内Ca2+浓度增高是多种遗传性离子通道病发生的电生理基础，也是心力衰竭、心肌肥厚、心肌缺血/梗死或再灌注损伤等多种获得性器质性心脏病合并心律失常发生的机制。而对细胞内钠/钙调节在心肌细胞中相互影响的研究证明，内源性或外源性增大的INa-L在钙调节异常致心律失常的机制中发挥了关键的作用，其通过影响钙转运调节系统相关蛋白的化学修饰，造成钙内流增大、细胞内钙浓度增高，共同促进心律失常的发生，因而抑制INa-L可能阻断细胞内钠/钙调节异常增高的恶性循环，为治疗细胞内钙异常相关心律失常提供了新的策略与方法。

（张庆 卫晓红 吴林）

参考文献

［1］Bers DM.Cardiac excitation-contraction coupling.Nature，2002，415（6868）：198-205.

［2］Terentyev D，Viatchenko-Karpinski S，Valdivia HH，et al.Luminal Ca2+controls termination and refractory behavior of Ca2+-induced Ca2+release in cardiac myocytes.Circ Res，2002，91（5）：414-420.

［3］Pieske B，Maier LS，Bers DM，et al.Ca2+handling and sarcoplasmic reticulum Ca2+content in isolated failing and nonfailing human myocardium.Circ Res，1999，85（1）：38-46.

［4］Curran J，Brown KH，Santiago DJ，et al.Spontaneous Ca waves in ventricular myocytes from failing hearts depend on Ca（2+）-calmodulin-dependent protein kinase ii.J Mol Cell Cardiol，2010，49（1）：25-32.

［5］Grimm M，Brown JH.Beta-adrenergic receptor signaling in the heart：Role of CaMKⅡ.J Mol Cell Cardiol，2010，48（2）：322-330.

［6］Wehrens XH，Lehnart SE，Reiken SR，et al.Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase ii phosphorylation regulates the cardiac ryanodine receptor.Circ Res，2004，94（6）：e61-e70.

［7］Venetucci LA，Trafford AW，O’Neill SC，et al.The sarcoplasmic reticulum and arrhythmogenic calcium release.Cardiovasc Res，2008，77（2）：285-292.

［8］Napolitano C，Antzelevitch C.Phenotypical manifestations of mutations in the genes encoding subunits of the cardiac voltagedependent l-type calcium channel.Circ Res，2011，108（5）：607-618.

［9］Priori SG，Napolitano C，Memmi M，et al.Clinical and molecular characterization of patients with catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia.Circulation，2002，106（1）：69-74.

［10］Liu N，Colombi B，Memmi M，et al.Arrhythmogenesis in catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia：Insights from a ryr2 r4496c knock-in mouse model.Circ Res，2006，99（3）：292-298.

［11］Antzelevitch C，Fish J.Electrical heterogeneity within the ventricular wall.Basic Res Cardiol，2001，96（6）：517-527.

［12］Wu L，Ma J，Li H，et al.Late sodium current contributes to the reverse rate-dependent effect of ikr inhibition on ventricular repolarization.Circulation，2011，123（16）：1713-1720.

［13］Wu L，Rajamani S，Li H，et al.Reduction of repolarization reserve unmasks the proarrhythmic role of endogenous late Na（+）current in the heart.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2009，297（3）：H1048-H1057.

［14］Plant LD，Bowers PN，Liu Q，et al.A common cardiac sodium channel variant associated with sudden infant death in african americans，SCN5A S1103Y.J Clin Invest，2006，116（2）：430-435.

［15］Zaza A，Belardinelli L，Shryock JC.Pathophysiology and pharmacology of the cardiac“late sodium current”.Pharmacol Ther，2008，119（3）：326-339.

［16］Zaza A，Rocchetti M.The late Na+current--origin and pathophysiological relevance.Cardiovasc Drugs Ther，2013，27（1）：61-68.

［17］Wu L，Rajamani S，Shryock JC，et al.Augmentation of late sodium current unmasks the proarrhythmic effects of amiodarone.Cardiovasc Res，2008，77（3）：481-488.

［18］Ma J，Luo A，Wu L，et al.Calmodulin kinase ii and protein kinase c mediate the effect of increased intracellular calcium to augment late sodium current in rabbit ventricular myocytes.Am J Physiol Cell Physiol，2012，302（8）：C1141-C1151.

［19］Yao L，Fan P，Jiang Z，et al.Nav1.5-dependent persistent Na+influx activates CaMKⅡin rat ventricular myocytes and n1325s mice.Am J Physiol Cell Physiol，2011，301（3）：C577-C586.

［20］Sicouri S，Timothy KW，Zygmunt AC，et al.Cellular basis for the electrocardiographic and arrhythmic manifestations of timothy syndrome：Effects of ranolazine.Heart Rhythm，2007，4（5）：638-647.

［21］Luo AT，Cao ZZ，Xiang Y，et al.Ketamine attenuates the Na+-dependent Ca2+overload in rabbit ventricular myocytes in vitro by inhibiting late Na+and L-type Ca2+currents.Acta Pharmacol Sin，2015，36（11）：1327-1336.

［22］Fischer TH，Herting J，Mason FE，et al.Late INa increases diastolic SR-Ca2+-leak in atrial myocardium by activating PKA and CaMKⅡ.Cardiovasc Res，2015，107（1）：184-196.

［23］Gao Y，Xue X，Hu D，et al.Inhibition of late sodium current by mexiletine：A novel pharmotherapeutical approach in timothy syndrome.Circ Arrhythm Electrophysiol，2013，6（3）：614-622.