药物对hERG钾通道作用机制研究进展

林敏，李泱，张建成

(1.福建医科大学省立临床学院，福建福州350001;2.解放军总医院老年心血管病研究所，北京100853)

药物对hERG钾通道作用机制研究进展

林敏1，李泱2，张建成1

(1.福建医科大学省立临床学院，福建福州350001;2.解放军总医院老年心血管病研究所，北京100853)

人ether-a-go-go-related gene(hERG)钾通道表达了延迟整流钾电流的快激活成分，对动作电位的复极至关重要。hERG钾电流不仅是抗心律失常作用的主要靶点，也是诸多药物增加尖端扭转型室速和心源性猝死风险的关键位点，而该电流的降低和(或)升高与基因突变或药物阻滞作用密切相关。随着对药物与hERG钾通道相互作用机制研究的深入，药物与通道孔道区蛋白结合位点的作用及其对通道转运的影响逐步被揭示，但这些药物对hERG作用的临床应用仍有待评价。

hERG;药物反应;通道转运;钾通道

人ether-a-go-go-related gene(hERG)钾离子通道作为Ⅲ类抗心律失常药物作用的靶点，其表达的快速激活延迟整流钾电流(IKr)主要参与了心脏动作电位复极过程。同时，该通道也是公认的诱发获得性长QT间期综合征［1］和尖端扭转型室速(torsades de pointes，TdP)的分子基础。目前，该通道作为多国新药上市的安全标准之一，在药物的安全筛查中发挥重要作用［2］;另外，相关药物的研发也为长、短QT间期综合征等心律失常疾病的临床治疗提供新方向。

1 药物对hERG钾通道的抑制效应

近年来，随着hERG通道作为药物安全筛查的标准的实施，许多作用于该通道的药物相继被发现。而且多数药物呈现出对通道的抑制效应。它们不仅包括抗心律失常药物，而且还涉及大量非心血管类药物。既表现为对通道的直接抑制，也可影响通道蛋白的成熟及转运过程。表1为近年来发现的对hERG通道具有阻滞效应的药物。

1.1 药物对hERG钾通道直接抑制效应

hERG钾通道类似于其他电压依赖钾通道，其α亚基由4个亚单位构成，每个亚单位拥有6个跨膜结构域，其中第5(S5)第6(S6)跨膜结构域及连接二者的P环共同形成了通道的孔道区域。分子电生理研究发现，hERG通道蛋白的一组氨基酸残基与各类药物之间的相互作用，导致药物的阻滞效应。与药物结合的通道孔道区域氨基酸残基显示有其共同的特征。

1.1.1 F656与Y652是与药物结合的关键位点

突变和同源模型的研究显示，hERG通道F656位点的芳香氨基酸残基被缬氨酸或丙氨酸替代会显著降低多非利特(dofetilide)和MK-499的作用［23］。丙氨酸扫描S6结构域及孔道的螺旋突变研究发现，F656及附近芳香氨基酸残基Y652为hERG钾通道阻滞的关键位点［24］，Hong和Jo等［16-17］也证实突变Y652A和F656A减弱或破坏异丙嗪和氯苯那敏对hERG通道的阻滞效应。同样，西沙必利、特非那丁、西布曲明、关附甲素及辣椒素也作用于此位点［7，20，25］。

hERG钾通道同源模型显示，F656和Y652位于通道内口的S6结构域上，F656靠近通道的出口处而Y652位于通道内侧较深位置。Sanguinetti等［24］应用丙氨酸扫描技术鉴定其为hERG钾通道阻滞的关键位点，它们对特非那丁、西沙必利和MK-499高度敏感。模拟实验显示，F656和Y652通过“π-堆积”和氢键的作用使药物与蛋白相互结合。Y652被认为通过“阳离子-π”相互作用与药物的质子化氮元素之间产生联系［26］。而特非那丁、西沙必利和MK-499的阻滞效应则与F656残基疏水作用相关，如与其侧链的范德华疏水表面面积相关联［27］。

1.1.2 其他氨基酸位点与药物的相互作用

其他氨基酸残基多位于通道顶点，毗邻选择性滤器，包括T623，S624和V625。在Choe等［28］提出一种新型机制中，阻滞剂质子化的氮元素与T623的羟基以氢键特异结合。与处在孔道螺旋区的T623，S624和V625突变一样，在S6螺旋结构上的G648突变也影响了MK-499的结合，但这对特非那丁和西沙必利影响甚微。一些报道也提示V659氨基酸残基突变同样降低通道与药物的亲和性。人参皂苷Rg3通过与Ser631氨基酸残基相互作用减缓了hERG通道的灭活过程，并最终阻滞了通道激活［4］。金属离子能与富含氧硫元素的氨基酸结合，改变通道动力学。伯氨喹对突变的hERG通道(F656A，Y652A和T623A)与野生型的hERG通道的阻滞效应相比无明显差别，提示其可能通过其他位点发挥作用［14］。

1.2 药物对hERG钾通道转运的抑制效应

1.2.1 通道转运的机制

hERG钾通道的合成最初经由内质网，经蛋白单体的核心糖基化形成135 ku的蛋白，此后转运至高尔基体形成四聚体结构，最终通过高尔基体的复杂糖基化加入约20 ku的糖基形成成熟的hERG钾通道蛋白表达于细胞膜上，约155 ku。若通道正确组装并转运至质膜则仅有1个条带(155 ku)，否则会增加135 ku条带。

1.2.2 转运可能是阻滞通道的新靶点

通道转运过程作为重要机制也受到药物的影响。2003年，格尔德霉素(geldanamycin)被鉴定为第一个hERG转运的抑制剂，其破坏hERG通道和热激蛋白90相互作用［29］。而后发现As2O3也可使hERG蛋白转运受损，导致细胞膜hERG通道表达下调，从而发挥阻滞效应，诱发TdP［30］。抗菌剂喷他脒(戊烷脒，pentamidine)也有同样的作用机制［31］。Wible等［32］发现相当数量(～40%)的hERG通道阻滞剂表现出抑制转运的效应。伊佛霉素、依他尼酸、丁苯羟酸氟西汀(fluoxetine)和酮康唑(ketoconazole)均影响通道的转运，而前三者缺乏对通道的直接作用，而仅影响通道的转运。降脂药普罗布考［10］和黄体酮［8］通过扰乱HEK293细胞内胆固醇代谢而进一步抑制通道的转运。Ramström等［33］报道二酰甘油经蛋白激酶C、动力蛋白和发动蛋白影响hERG通道的转运。抗抑郁药阿莫沙平(amoxapine)除与通道的直接作用外，还影响通道的膜转运过程［19］。

表1 作用于hERG通道的药物

2 药物对hERG钾通道直接激活效应

迄今，已开发了多种hERG钾通道激活剂。其中许多激活剂的靶点针对hERG钾通道电压门控的快失活过程。而影响通道失活“药物-蛋白”特异结合可能为其主要机制。Perry等［34］依据已有激活剂的电生理特性，将其分为Ⅰ类和Ⅱ类激活剂。

2.1 hERG钾通道的Ⅰ类激活剂

此类激活剂的特点是显著减慢了通道灭活的同时，部分减弱通道失活。其中代表药物为RPR260243［35］。hERG钾通道的4个S6结构域靠近胞质段构成了通道的激活门，调节着通道内侧孔道的关闭，进而影响其灭活动力学。RPR260243与单独亚基的结合直接限制了S6结构域活动，减慢了通道关闭的速率，并最终激活hERG钾通道。此外，RPR260243对失活门的影响则主要通过结合S5或S6结构域，下调电压感受器和选择性滤器之间的联动而实现。

2.2 hERG钾通道的Ⅱ类激活剂

大多数激活剂属于Ⅱ类，如PD118057及其类似物PD307243，NS1643，A935142和ICA-105574，其主要特点是减缓通道失活。Perry等［35］实验显示，S6结构域上的L646和孔道螺旋区上的F619突变将破坏PD118057对通道的激活作用;其他区域突变，如L622A突变也显著降低了PD118057的调控作用。以上调控位点较Ⅰ类激动剂更接近选择性滤器，提示PD118057可能是通过阻止电压感受器和选择性滤器之间的相互联系，改变通道失活;或是通过结合将选择性滤器稳定在开放态，最终导致电流增大。

NS1643和PD306243结合位点位于通道孔道的外口处，该处被认为对通道的失活至关重要。通道蛋白外侧口处氨基酸定点突变可完全破坏NS1643对通道的激动作用，却仅部分影响了PD306243对通道的激活作用［36］。其机制可能是其增加通道的开放概率，但也不排除PD306243与NS1643有不同结合位点的可能。

与多数药物改变hERG钾通道失活机制不同，楸毒素(mallotoxin)［37］和胺碘酮衍生物KB130015［38］则是增加通道的开放速率，并使其电压依赖性向负电位移动来增加电流，这可能与特殊的氨基酸结合位点有关。

3 药物对hERG钾通道作用的临床意义

3.1 药物安全筛查

药物对hERG钾通道的抑制作用直接导致了心脏复极时间的延长、QT间期延长，并最终导致TdP和心源性猝死的发生。此外，在多种病理条件下(如心衰、心肌缺血和电解质紊乱等)心脏的复极离散度增加，更增加了此类药物临床应用的风险，导致这类临床药物的实际使用有诸多限制。现阶段已经有部分药物(如西沙必利和特非那丁等)因其潜在的致心律失常风险而退出了市场。

临床对药物筛查的策略由其机制可分作两个方面，即药物的急性抑制和慢性抑制。首先，对hERG钾通道没有直接作用的药物，仍然存在致心律失常的风险。例如喷他脒和As2O3，长期使用可以引起新的心律失常［39］。其次，有些直接抑制hERG钾通道的药物，也可损伤通道的转运，二者的联合效应可能加剧药物的毒性。

3.2 各类作用于hERG钾通道药物的临床应用

在5种短QT综合征中，Ⅰ型短QT综合征由于hERG通道突变所致。Gaita等［40］将氟卡尼、伊布利特、索他洛尔和奎尼丁分别应用于Ⅰ型短QT综合征的患者发现，氟卡尼仅轻度延长QT间期(主要延长QRS波时程);奎尼丁能使QT间期恢复至正常水平;而索他洛尔并不延长QT间期［41］。Wolpert等［42］发现，N588K突变则显著削弱了奎尼丁和索他洛尔对hERG钾通道的阻滞效应。McPate等［43］报道，抗心律失常药丙吡胺(disopyramide)对N588K突变的hERG钾通道的阻滞效应仅存在轻度减弱。由此可见，在遗传性短QT间期综合征药物治疗方面，传统的抗心律失常药物的作用效果常因遗传背景不同而表现出显著的差异，因此，加快通道新突变位点的发现及其药理学研究显得尤为重要。

对于长QT综合征，理论上应用hERG钾通道开放剂缩短QT间期，可达到治疗目的。但须首先明确各类开放剂的作用机制是否受通道突变位点的影响，由此，才能实现个体化治疗，指导临床药物治疗。因此，必须明确hERG钾通道不同突变位点的致病特性，或与其他通道之间的相互影响，以维持复极储备的稳定，减少心律失常的发生。

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Research progress in drug reactions on hERG potassium channels

LIN Min1，LI Yang2，ZHANG Jian-cheng1
(1.Provincial Clinical Medicine College of Fujian Medical University，Fuzhou350001，China;2.Institute of Geriatric Cardiology of Chinese PLA General Hospital，Beijing100853，China)

Human ether-a-go-go-related gene(hERG)potassium channels conduct the rapid component of the delayed rectifier potassium current(IKr).The reduction(or increase)of IKrcurrent due to either gene mutations or adverse drug effects would increase the risk of torsades de pointes and sudden cardiac death.This paper reviews various mechanisms of drug reactions of hERG potassium channels and the properties of major drug-protein reaction sites in the pore region and trafficking of hERG potassium channels under the influence of drugs.However，the effect of clinical administration of drugs on hERG remains unclear.

hERG;adverse drug reaction;channels trafficking;potassium channels

The project supported by National Natural Science Foundation of China(81170177)

ZHANG Jian-cheng，E-mail:fjzhangjiancheng@yahoo.com.cn

R973

A

1000-3002(2012)04-0581-04

10.3867/j.issn.1000-3002.2012.04.020

国家自然科学基金资助项目(81170177)

林敏(1985-)，男，硕士研究生，主要从事心脏电生理学研究。

张建成，E-mail:fjzhangjiancheng@yahoo.com.cn

2011-09-02接受日期:2012-02-09)

(本文编辑:乔虹)