李 青，李菊香

(南昌大學(xué) 第二附屬醫(yī)院 心內(nèi)科， 江西 南昌 330006)

短篇綜述

心肌興奮-收縮偶聯(lián)在心力衰竭中的研究進(jìn)展

李 青，李菊香*

(南昌大學(xué) 第二附屬醫(yī)院 心內(nèi)科， 江西 南昌 330006)

心肌興奮-收縮偶聯(lián)(ECC)是心臟電活動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械收縮的過程，Ca2+釋放通道(RyR2)在ECC中起核心作用。Ca2+和Na+轉(zhuǎn)運(yùn)參與ECC的全過程。Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和細(xì)胞內(nèi)激酶與心力衰竭的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)的改變常發(fā)生在心功能衰竭之前。Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)與Na+轉(zhuǎn)運(yùn)相互影響，細(xì)胞內(nèi)Na+轉(zhuǎn)運(yùn)因細(xì)胞內(nèi)Na+濃度和晚鈉電流增加而受到干擾，舒張期Ca2+持續(xù)增加導(dǎo)致舒張功能障礙,并誘導(dǎo)心律失常。

興奮-收縮偶聯(lián)；鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶；鈣轉(zhuǎn)運(yùn)；鈉轉(zhuǎn)運(yùn)

興奮-收縮偶聯(lián)(excitation-contraction coupling, ECC)是指心肌細(xì)胞電活動(dòng)轉(zhuǎn)化成機(jī)械收縮的過程。ECC異常包括參與興奮-收縮偶聯(lián)過程的蛋白質(zhì)的表達(dá)、磷酸化和功能異常，尤其是肌漿網(wǎng)Ca2+滲漏和晚期Na+電流異常，在心臟舒縮功能障礙及心律失常的發(fā)生中起重要作用，并可能成為心力衰竭治療新的分子靶點(diǎn)。本文就ECC在心力衰竭中的變化作一綜述。

1 正常心臟中的興奮-收縮偶聯(lián)

肌絲的激活以及由此發(fā)生的心臟收縮受胞質(zhì)內(nèi)Ca2+調(diào)控。動(dòng)作電位期間，心肌細(xì)胞膜上L-型Ca2+通道(L-type Ca2+channel, LTCC)開放，形成內(nèi)向Ca2+流(ICa)激活肌漿網(wǎng)(SR) Ca2+釋放通道(RyR2)，使得大量Ca2+釋放入胞質(zhì)，與肌鈣蛋白C結(jié)合， 引起收縮完成心肌細(xì)胞的ECC。有報(bào)道動(dòng)作電位期間肌漿網(wǎng)Ca2+的釋放不僅受細(xì)胞內(nèi)Ca2+的調(diào)控，還受細(xì)胞內(nèi)Na+的調(diào)控[1]。心肌細(xì)胞舒張有賴于胞質(zhì)內(nèi)Ca2+的消除，細(xì)胞內(nèi)Ca2+的流動(dòng)對(duì)維持正常的心臟功能非常關(guān)鍵。最近有報(bào)道線粒體Ca2+單向轉(zhuǎn)運(yùn)在細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡的調(diào)節(jié)中起重要作用[2]。

ECC是一個(gè)高度協(xié)調(diào)的過程，受多種信號(hào)蛋白精細(xì)調(diào)控，其中蛋白激酶A(PKA)和鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ (CaMKⅡ)起關(guān)鍵作用。PKA使鈣轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白磷酸化，如受磷蛋白(PLB), RyR2 和 LTCC。PLB的Ser16位點(diǎn)磷酸化后增強(qiáng)SERCA2a功能，促進(jìn)肌漿網(wǎng)Ca2+的攝取并增加SR鈣容量。而RyR2和LTCC磷酸化后致更多的Ca2+釋放入胞質(zhì)。CaMKⅡ是大量存在于心臟中維持Ca2+動(dòng)態(tài)平衡的一種絲氨酸/蘇氨酸激酶,可以使LTCC、PLB的Thr17、RyR2 的Ser2808/Ser2809、Ser2814/Ser2815以及心臟Na+通道和K+通道磷酸化，也可磷酸化肌聯(lián)蛋白而影響肌絲功能[3]。在Ca2+/CaM結(jié)合蛋白作用下，增加的Ca2+激活CaMKⅡ發(fā)生自身磷酸化。而CaMKⅡ調(diào)節(jié)域內(nèi)Met281/282位點(diǎn)的氧化可以使CaMKⅡ進(jìn)入Ca2+非依賴性活化狀態(tài)。抑制CaMKⅡ可能為心力衰竭和心律失常的治療提供新的方向。在兩個(gè)不同的CaMKⅡδ敲除小鼠模型中，一般情況下ECC無(wú)明顯改變，但在長(zhǎng)期心臟后負(fù)荷增加中呈現(xiàn)心臟保護(hù)作用[4]。

2 心力衰竭中異常的興奮-收縮偶聯(lián)

在心力衰竭中，SR鈣容量減少，細(xì)胞內(nèi)鈣瞬變減少，致ECC異常，引起收縮功能障礙。其可能機(jī)制：1)SR上經(jīng)SERCA2a的Ca2+再攝取減少,經(jīng)NCX Ca2+外流增加；2)RyR2開放概率增加，舒張期肌漿網(wǎng)Ca2+滲漏增加，細(xì)胞內(nèi)游離Ca2+水平升高；3)異常的LTCC/ICa2+和鈉轉(zhuǎn)運(yùn)，以及Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)的繼發(fā)改變等。

2.1肌漿網(wǎng)Ca2+攝取和NCX的Ca2+外流

正常心肌細(xì)胞中，胞質(zhì)內(nèi)Ca2+消除主要是經(jīng)SERCA2a再攝取。但在心衰患者心臟中，SERCA2a蛋白的表達(dá)或活性降低，PLB磷酸化減少致SERCA2a活性進(jìn)一步降低?？扇苄阅退幭嚓P(guān)鈣結(jié)合蛋白(sorcin)是RyR2、LTCC和NCX的調(diào)控因子，其能在腎上腺素應(yīng)力下轉(zhuǎn)移至肌漿網(wǎng)，激活SERCA2a介導(dǎo)的肌漿網(wǎng)Ca2+攝取，在心力衰竭中起到代償作用[5]。

心臟收縮幅度隨刺激頻率增加而增加，稱力-頻率的關(guān)系。SERCA2a蛋白水平更高的心臟相對(duì)SERCA2a表達(dá)低的心臟，該力-頻率的關(guān)系體現(xiàn)的更明顯[6]。正常心肌給予SERCA2a抑制劑可誘導(dǎo)出呈負(fù)相關(guān)的力-頻率關(guān)系。在體內(nèi)，力-頻率關(guān)系受多種因素影響，包括肌絲對(duì)Ca2+反應(yīng)性，神經(jīng)體液刺激及前后負(fù)荷等。肌漿網(wǎng)Ca2+再攝取減少導(dǎo)致SR鈣容量受損是心力衰竭發(fā)生的重要病理機(jī)制。加強(qiáng)SERCA2a功能以恢復(fù)SR鈣容量成為潛在的治療靶向。經(jīng)腺病毒轉(zhuǎn)染SERCA2a到實(shí)驗(yàn)豬體內(nèi)，其收縮力改善，在CUPID2期臨床實(shí)驗(yàn)中也獲得相同結(jié)果，提示SERCA2a過表達(dá)的治療潛能[7- 8]。

NCX是Ca2+外流的主要轉(zhuǎn)運(yùn)體，具有電壓敏感特性，其轉(zhuǎn)運(yùn)方向受膜電位和細(xì)胞內(nèi)外Na+及Ca2+濃度的影響。心力衰竭中NCX的表達(dá)和活性增加，即使SERCA2a活性/表達(dá)降低，Ca2+也能經(jīng)NCX消除，這導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+凈流失。心衰患者SERCA2a表達(dá)降低而NCX未增加時(shí)，舒張期胞內(nèi)Ca2+累積增加致舒張功能障礙。NCX的激活是另一潛在治療靶向。

2.2肌漿網(wǎng)Ca2+釋放

SR中Ca2+經(jīng)RyR2釋放到胞質(zhì)內(nèi)。RyR2在ECC中起核心作用，受多種調(diào)節(jié)蛋白嚴(yán)格調(diào)控，包括FK506結(jié)合蛋白(FKBP12.6)、鈣調(diào)蛋白(CaM)、CaMKⅡ、PKA以及蛋白磷酸酶1(PP1)和蛋白磷酸酶2(PP2)。連接素、三聯(lián)素和肌鈣蛋白是RyR2亞基的組成部分。正常RyR2在舒張期處于關(guān)閉狀態(tài)，Ca2+儲(chǔ)藏于SR內(nèi)。心衰時(shí)，該通道開放概率增加，舒張期SR中Ca2+釋放劇烈增加且鈣容量減少，這種局部受限的Ca2+釋放伴隨著SR內(nèi)相關(guān)區(qū)域Ca2+減少，形成所謂的鈣閃爍，引起細(xì)胞遷移，與心室重塑有關(guān)[9]。RyR2功能受損使Ca2+經(jīng)NCX外流，與Na+交換產(chǎn)生一過性內(nèi)向電流，從而誘導(dǎo)延遲復(fù)極，觸發(fā)心律失常和心源性猝死。

心力衰竭中SR鈣滲漏有關(guān)蛋白FKPB12.6，與RyR2結(jié)合穩(wěn)定RyR2關(guān)閉狀態(tài)。在后負(fù)荷增加的小鼠模型中FKPB12.6過表達(dá)可減少小鼠室速發(fā)作[10]。而心力衰竭中FKPB12.6減少導(dǎo)致SR鈣滲漏，與運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的延遲后除極及心源性猝死有關(guān)[11]。JTV519 (K201)是一種能穩(wěn)定FKPB12.6與RyR2結(jié)合的藥物。該藥物不僅能改善RyR2的功能、鈣瞬變和收縮力，也能預(yù)防心律失常的發(fā)生[12- 13]。在帶有黏性FKBP12.6基因(D37S)的小鼠模型中，增加心臟后負(fù)荷，未觀察到FKBP12.6衰減或其他救援反應(yīng)[14]。

心力衰竭中CaMKⅡ的表達(dá)和活性上調(diào)。既往認(rèn)為PKA介導(dǎo)的RyR2過度磷酸化是SR鈣滲漏的主要原因，對(duì)CaMKⅡ的深入研究提示,CaMKⅡ的磷酸化作用才是心衰中SR Ca2+泄漏增加的主要原因[15]。CaMKⅡ過表達(dá)使RyR2過磷酸化破壞細(xì)胞中Ca2+動(dòng)態(tài)平衡，在活體內(nèi)抑制CaMKⅡ可明顯減少興奮-收縮偶聯(lián)不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的心室重構(gòu)。

CaMKⅡ和PKA還調(diào)節(jié)其他蛋白活性，如調(diào)控SERCA2a活性的PLB。鈣滲漏是RyR2功能異常直接介導(dǎo)的效應(yīng)，還是SR鈣負(fù)載增加致RYR2開放概率增加間接介導(dǎo)的效應(yīng)，目前還不明確。但在PLB敲除模型中， PKA對(duì)SR鈣滲漏無(wú)影響，而CaMKⅡ增加了與SR鈣負(fù)載無(wú)關(guān)的鈣滲漏從而導(dǎo)致心衰中心律失常的發(fā)生和收縮力受損[16]，提示CaMKⅡ在RyR2功能調(diào)節(jié)中起主導(dǎo)作用，而PKA通過提高SR鈣容量間接起作用。對(duì)肥厚性心肌病患者的研究發(fā)現(xiàn)，心臟肥厚期CaMKⅡ和PKA均可調(diào)節(jié)RyR2功能導(dǎo)致SR鈣滲漏，而在心肌肥厚向心衰進(jìn)展的過程中，是CaMKⅡ介導(dǎo)的RyR2磷酸化導(dǎo)致鈣滲漏增加和鈣循環(huán)受損，并非PKA[17]。RyR2 Ser2808位點(diǎn)的磷酸化在SR鈣滲漏與FKBP12.6結(jié)合中起的重要作用受到質(zhì)疑[18]。收縮期RyR2開放概率增加對(duì)鈣瞬變的穩(wěn)定狀態(tài)和收縮力沒有任何影響[19]，提示RyR2磷酸化增加主要對(duì)舒張期SR鈣滲漏起作用。

2.3 鈉轉(zhuǎn)運(yùn)和晚鈉電流

細(xì)胞內(nèi)Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)與Na+轉(zhuǎn)運(yùn)密切相關(guān)。后負(fù)荷增加和心肌肥厚中均觀察到胞質(zhì)內(nèi)Na+超載。最初認(rèn)為是由于鈉氫交換體(Na+/H+-exchanger，NHE)或SR鈣容量減少，經(jīng)NCX引起的繼發(fā)改變。早期研究認(rèn)同持續(xù)Na+流(晚鈉電流)是Na+容量的重要影響因素。計(jì)算機(jī)建模提示幾種Na+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的聯(lián)合作用最可能與鈉超載有關(guān)，而非單一機(jī)制所致[20]。

晚鈉電流失活緩慢，影響多種離子通道和離子交換體的活動(dòng)過程，是早期復(fù)極和延遲復(fù)極產(chǎn)生的原因，因此晚鈉電流在心衰患者的心律失常起重要作用。Na+流峰值與晚鈉電流均受CaMKⅡ依賴性調(diào)控。離體實(shí)驗(yàn)顯示晚鈉電流對(duì)心臟舒張功能障礙非常重要；在體實(shí)驗(yàn)中雷諾嗪能改善CaMKⅡ過表達(dá)等原因引起的心臟舒張功能障礙和心律失常[21]。在遺傳性肥厚性心肌病中晚鈉電流增加，該機(jī)制是這些患者心室肌細(xì)胞電生理和小梁異常的原因，這顯示出晚鈉電流阻滯劑對(duì)于射血分?jǐn)?shù)正常的舒張期心力衰竭患者的治療潛能[22]。

3 結(jié)語(yǔ)

細(xì)胞內(nèi)Ca2+循環(huán)和Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在心肌正常及異常功能中起關(guān)鍵作用。在心力衰竭中，SERCA2a的表達(dá)和活性降低。RyR2在ECC中起核心作用，心力衰竭時(shí)RyR2開放概率增加，造成舒張期SR鈣滲漏，致SR鈣容量減少收縮力受損。Ca2+滲漏為心律失常的發(fā)生提供了基礎(chǔ)。舒張期Ca2+水平增加使細(xì)胞內(nèi)Na+轉(zhuǎn)運(yùn)受到干擾，細(xì)胞內(nèi)Na+濃度和晚鈉電流增加，加重心力衰竭和心律失常的發(fā)生。這將可能成為心力衰竭治療的新的分子靶點(diǎn)。

[1] Ramirez RJ, Sah R, Liu J,etal. Intracellular [Na+] modulates synergy between Na+/Ca2+Exchanger and L-type Ca2+current in cardiac excitation-contraction coupling during action potentials[J]. Basic Res Cardiol, 2011, 106:967- 977.

[2] Maack C. Myocardial energetics in heart failure[J]. Basic Res Cardiol, 2013, 108:358. doi: 10.1007/s00395-013-0358-9.

[3] Hamdani N, Krysiak J, Kreusser MM,etal. Crucial role for Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase-Ⅱ in regulating diastolic stress of normal and failing hearts via titin phosphorylation[J]. Cir Res, 2013,112:664- 674.

[4] Neef S, Sag CM, Daut M,etal. While systolic cardiomyocyte function is preserved, diastolic myocyte function and recovery from acidosis are impaired in CaMKⅡδ-KO mice[J]. J Mol Cell Cardiol, 2013,59:107- 116.

[5] Matsumoto T, Hisamatsu Y, Ohkusa T,etal. Sorcin interacts with sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase and modulates excitation-contraction coupling in the heart[J]. Basic Res Cardiol, 2005, 100:250- 262.

[6] Hasenfuss G, Reinecke H, Studer R,etal. Relation between myocardial function and expression of sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase in failing and nonfailing human myocardium[J]. Circ Res,1994,75:434- 442.

[7] Jessup M, Greenberg B, Mancini D,etal. Calcium upregulation by percutaneous administration of gene therapy in cardiac disease (CUPID) investigators[J]. Circulation, 2011, 124:304- 313.

[8] Cutler MJ, Wan X, Plummer BN,etal. Targeted sarcoplasmic reticulum Ca2+ATPase 2a gene delivery to restore electrical stability in the failing heart[J]. Circulation, 2012,126:2095- 2104.

[9] 魏朝亮. 鈣閃爍——引導(dǎo)細(xì)胞定向運(yùn)動(dòng)的微區(qū)該信號(hào)[J]. 生物物理學(xué)報(bào)，2010:775- 782.

[10] Vinet L, Pezet M, Bito V,etal. Cardiac FKBP12.6 overexpression protects against triggered ventricular tachycardia in pressure overloaded mouse hearts[J]. Basic Res Cardiol, 2012,107:246. doi: 10.1007/s00395-012-0246-8.

[11] Jessup M, Greenberg B, Mancini D,etal. Calcium upregulation by percutaneous administration of gene therapy in cardiac disease (CUPID) investigators[J]. Circulation, 2011,124:304- 313.

[12] Toischer K, Lehnart SE, Tenderich G,etal. K201 improves aspects of the contractile performance of human failing myocardium via reduction in Ca2+leak from the sarcoplasmic reticulum[J]. Basic Res Cardiol, 2010,105:279- 287.

[13] Sacherer M, Sedej S, Wakula P,etal. JTV519 (K201) reduces sarcoplasmic reticulum Ca2+leak and improves diastolic functioninvitroin ouabain-induced cellular Ca2+overload in murine and human non-failing myocardium[J]. Br J Pharmacol, 2012,167:493- 504.

[14] Seidler T, Teucher N, Hellenkamp K,etal. Limitations of FKBP12.6-directed treatment strategies for maladaptive cardiac remodeling and heart failure[J]. J Mol Cell Cardiol, 2011,50:33- 42.

[15] Curran J, Hinton MJ, Rios E,etal. Beta-adrenergic enhancement of sarcoplasmic reticulum calcium leak in cardiac myocytes is mediated by calcium/calmodulin- dependent protein kinase[J]. Circ Res, 2007,100:391- 398.

[16] Kohlhaas M, Zhang T, Seidler T,etal. Increased sarcoplasmic reticulum calcium leak but unaltered contractility by acute CaMKⅡ overexpression in isolated rabbit cardiac myocytes[J]. Circ Res, 2006,98:235- 244.

[17] Fischer TH, Herting J, Renner A,etal. Ca2+/Calmodulin-Dependent Protein Kinase Ⅱ and Protein Kinase A Differentially Regulate Sarcoplasmic Reticulum Ca2+Leak in Human Cardiac Pathology[J]. Circulation, 2013,128: 970- 981.

[18] Bers DM. Ryanodine receptor S2808 phosphorylation in heart failure: smoking gun or red herring[J]. Circ Res, 2012,110:796- 799.

[19] Eisner D, Bode E, Venetucci L,etal. Calcium flux balance in the heart[J]. J Mol Cell Cardiol, 2012,58:110- 117.

[20] Wagner S, Ruff HM, Weber SL,etal. ROS-activated Ca/calmodulin kinase IId is required for late INa augmentation leading to cellular Na and Ca overload[J]. Circ Res, 2011,108:555- 565.

[21] Maier LS, Layug B, Karwatowska-Prokopczuk E,etal. RAnoLazIne for the treatment of diastolic heart failure in patients with preserved ejection fraction: the RALI-DHF proof-of-concept study[J]. JACC: Heart Fail, 2013,1:115- 122.

[22] Neef S, Maier LS. Novel aspects of excitation-contraction coupling in heart failure[J]. Basic Res Cardiol, 2013,108. doi:10.1007/s00395-013-0360-2.

Progress on excitation-contraction coupling in heart failure

LI Qing, LI Ju-xiang*

(Dept. of Cardiovascular, the Second Affiliated Hospital of Nanchang University, Nanchang 330006, China)

Excitation-contraction coupling is the process by which the cardiomyocyte translates electrical excitation into mechanical contraction. The RyR2 plays a central role in the process. Ca2+-handling and Na+-handling participate the whole process of excitation-contraction coupling. Alterations in Ca2+-handling proteins and intracellular kinases are involved in the pathogenesis of heart failure. Changes in Ca2+-handling often precede the depression of myocardial function. Intracellular Ca2+-handling is closely coupled with intracellular Na+-handling. Intracellular Na+-handling is disturbed with elevated intracellular Na+-concentration and increased late INa. Diastolic Ca2+can consecutively increase contributing to diastolic dysfunction and heart failure as well as arrhythmias.

excitation-contraction coupling; calcium/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ; Ca2+-handling; Na+-handling

2013- 11- 05

2014- 01- 15

國(guó)家自然科學(xué)基金(81060013);江西省自然科學(xué)基金(2010GZY0254)

*通信作者(correspondingauthor)： ljx912@126.com

1001-6325(2014)08-1129-04

R 331.3+1

A