Apelin调控心脏电生理特性的研究

陈兰兰 邓 琳 周宇宏

哈尔滨医科大学药理教研室，黑龙江哈尔滨150081

Apelin调控心脏电生理特性的研究

陈兰兰 邓 琳 周宇宏▲

哈尔滨医科大学药理教研室，黑龙江哈尔滨150081

Apelin是血管紧张素Ⅱ1型受体相关蛋白（APJ）的内源性配体，是由心肌细胞、血管内皮细胞、平滑肌细胞等合成一种血管内皮源性肽，广泛参与高血压、冠心病、心力衰竭、房颤等心血管疾病的发生发展过程。心肌细胞的电活动是心脏工作的基础，Apelin可通过调控Na+、K+和Ca2+离子通道而增加心肌细胞兴奋性和传导性，改变心脏的电生理功能。本文将针对Apelin对心肌细胞的电生理特性的调控作以综述。

Apelin；心肌细胞；离子通道；钙调系统

Apelin是血管紧张素Ⅱ1型受体相关蛋白（APJ）的内源性配体，最初是由国外学者从牛胃中提取出来[1-2]，它是一种生物多性肽，广泛分布于体内多种组织，如中枢神经、心脏、肺、肾等[3-7]。Apelin的前体是由77个氨基酸组成，现已纯化的Apelin有Apelin-10、Apelin-12、Apelin-13和Apelin-36等多种形式，且不同肽段具有不同的生物学效应，Apelin-13和Apelin-36是最主要的具有内分泌功能的剪切产物。Apelin对心血管系统、免疫功能和胃肠道及内环境的稳态等生理功能具有调控作用[8-10]。近年其在心血管疾病方面的研究较为突出。

Apelin广泛参与心脏生理活动的调控。Apelin与APJ的结合能够引起内皮细胞释放一氧化氮（NO）合酶，使血管平滑肌舒张，具有降压作用[11]；Apelin具有正性肌力作用，其收缩效果缓慢持久，与典型的β肾上腺素收缩效应不同（通常在几秒钟内迅速发生）[12]；且Apelin的正性肌力作用不仅只限于正常心肌细胞中，还可增强长期缺血后的心肌细胞的收缩力，其与Apelin增强心肌细胞对Ca2+的敏感性有关[13]；Apelin在心脏缺血再灌注损伤方面也有一定保护作用，Zeng等[14]发现缺血再灌注损伤的大鼠心脏功能与对照组比显著下降，且APJ在mRNA与蛋白水平高度表达，Apelin预处理后可减弱心脏功能的衰退。此外Pisarenko等[15]发现Apelin-12可通过增强抗氧化酶活性，降低氧自由基对缺血再灌心脏的损伤，从而起到保护受损心肌细胞作用。

心肌组织具有兴奋性、自律性、传导性和收缩性四种生理特性。收缩性属于心肌的一种机械特性。兴奋性、自律性和传导性是以肌膜的生物电活动为基础的，故又称为电生理特性，这些生理特性共同决定着心脏的活动。本文主要针对Apelin对心脏电生理功能的调控作一综述。

1 Apelin对心肌兴奋性的影响

心肌细胞的兴奋性是指心肌细胞在受到刺激时能够产生动作电位的能力与特性。影响心肌细胞兴奋性的因素主要有膜电位与阈电位的距离以及Na+通道的激活水平。静息电位的绝对值增大，其与阈电位的差值增加，兴奋则不易产生；钠通道的激活是心肌细胞产生兴奋的前提，给予心肌细胞刺激后，膜去极化达到阈电位，此时Na+通道激活导致大量Na+内流产生动作电位，细胞兴奋。Chamberland等[16]利用犬急性分离的心室肌细胞进行膜片钳实验，加TEA、CoCl2、4-AP、BaCl2分别阻断ICa-L，ITo和IK1，与对照组相比，灌流100 nmol的Apelin-13、Apelin-17 20min后的INa分别增加了39%与61%；记录Apelin对犬心室肌动作电位的影响，发现100 nmol的Apelin可显著增高最大去极化速度Vmax[对照组：（137±23）V/s；Apelin组：（166±20）V/s]。Cheng等[17]通过膜片钳技术发现Apelin-13同样可增加兔左心房细胞INa的密度，峰值上升9%，其与犬心室肌细胞结果一致。因此推测Apelin通过增加Na+电流增强心肌的兴奋性。

晚Na+电流是少部分快速激活后仍不失活的Na+通道持续开放产生的峰Na+电流之后的Na+电流，对人其电流幅度是心室肌细胞INa峰值的1%，持续时间可达几百毫秒。在动作电位平台期，持续内流的Na+使动作电位时程延长以及NCX活性增强，细胞内钙超载，造成动作电位4期膜电位振荡，可诱发DAD，最终导致心律失常的发生。在心肌缺血缺氧、高甲状腺素血症等病理条件或CaMKII、PKC的激活或过氧化氢应激刺激下INa-Late都将增加；乌头碱、藜芦定、ATX-Ⅱ、青蛙毒素、箭毒苷等药物或毒素都能诱发晚钠电流的增加出现心脏毒性反应。抑制INa-Late已经成为心律失常的新型治疗靶点。Cheng等[17]报道Apelin-13可显著降低200～250 ms内测定的INa-Late，抑制率高达55%。晚钠电流的下降可能参与Apelin诱导的APD的缩短。

2 Apelin对心肌自律性的影响

心肌自律性是指心肌细胞在没有任何外在的刺激下能够自动产生节律性兴奋的特性。4期自动去极化速度是决定和影响心肌细胞自律性的重要因素，4期自动去极化速度快则达到阈电位的时间就缩短，一定时间内产生兴奋的次数增多，自律性则增高；反之，则自律性降低。动作电位3期复极化后膜电位稳定于静息电位水平，此时Na+-K+泵转运使K+内流，Na+外流，恢复动作电位之前内K+外Na+的状态，参与4期的主要电流是起搏电流If和内向整流钾电流IK1。

If又称超极化激活的内向离子流，是窦房结细胞产生自律性的重要离子流。动作电位结束起搏电流If被激活，膜电位去极化达到阈电位产生新的动作电位。If通道对Na+、K+、Ca2+均具有通透性，当细胞外K+浓度增高时，伴随着内向离子流动的驱动力增加，最终引起If的增大。杜以梅等[18]在急性缺血的家兔中发现窦房结起搏细胞的If增大约22%，引起工作肌细胞产生异位心律，该结果提示If的变化与缺血性心律失常之间有密切联系，目前关于Apelin对起搏电流If的调控作用至今尚无报道。

IK1在形成静息膜电位及动作电位3期复极化中起着重要作用。研究发现Ik1电流增强可导致APD、有效不应期缩短，较易发生快速性室性心律失常；Ik1电流降低可延长APD，导致LQT综合征，因此Ik1与心律失常的发生发展密切相关。Yue等[19]研究发现相比正常组，犬房颤模型组的Ik1和Kir2.1的mRNA未改变。Wagoner等[20]以及张瑜等[21]均发现持续性房颤患者的Ik1电流密度增高明显，Kir2.1 mRNA提高了47.81%。Giles等[22]发现家兔心室细胞的IK1比心房肌大，Ik1在心脏分布存在差异性。Cheng等[17]对急性分离的兔左心房细胞给予1 nmol的Apelin后发现与对照组相比，IK1无明显变化，且静息膜电位也未改变。动物种属与人体的差异性以及心房与心室Ik1表达的差异性提示Apelin对 IK1是否具有抑制作用还有待于进一步研究。

3 Apelin对心肌传导性的影响

心肌细胞某处发生的兴奋能沿细胞膜扩散到整个细胞，并通过闰盘传布到相邻的心肌细胞，从而引起整块心肌的兴奋，这种具有兴奋传导的能力即为传导性。Na+通道去极化开放的速度和数量对心肌传导性起关键作用。0期去极化的速度越快，局部电流的形成也就越快，邻近未兴奋心肌细胞去极化达到阈值所需的时间缩短，故传导速度加快。0期去极化的速度主要取决于Na+通道开放的速度和数量，因此推测Apelin诱导的INa的升高不仅可以增强心肌细胞的兴奋性，同时也能加快心肌细胞的传导性。Farkasfalvi等[23]针对单层培养的乳鼠原代心肌细胞利用MEA（Multi-electrode array）所记录的场电位表明Apelin明显地加快了心肌细胞的传导速度[control：（18.34±1.4）cm/s；Apelin：（24.1±2.2）cm/s）]，并降低了场势持续时间。运用共聚焦免疫荧光反应发现Apelin的受体APJ在心脏组织中及闰盘间均有表达，这就更进一步地支持了Apelin在心肌细胞传导中发挥重要作用这一假设。

缝隙连接蛋白43（Cx43）在心肌传导中发挥重要作用。目前研究缝隙连接蛋白至少有20多种，在心脏中表达最高的是Cx43。Desplantez等[24]对过表达、正常以及敲减Cx43基因的鼠心房肌细胞运用双细胞电压钳检测缝隙间传导，发现3种鼠缝隙间传导gj呈现逐渐递减的现象，Cx43+/+：（80+9）ns（n=17）；Cx43+/-：（53+7）ns（n=32）；Cx43-/-：（23+2）ns（n=35）（P＜0.05），说明敲减Cx43后能明显抑制心肌细胞间的传导速度。且Cx43敲减后Na+电流减少了50%，Jansen等[25]敲减大鼠心室肌细胞Cx43后同样发现Na+电流幅度有所降低。Morley等[26]运用光标法测定心室的传导性，发现与正常心肌细胞相比，纯合子Cx43缺陷鼠心肌细胞间连接的传导性下降了60%。心肌细胞间传导性的下降易导致缝隙连接间电脱耦联，传导受阻最终导致心律失常的发生。Apelin对Cx43的作用至今尚未有报道，这也将成为今后探索的方向。

4 Apelin对钙调系统的调节

心肌细胞的收缩起源于ICa-L的激活，ICa-L开放使Ca2+内流，从而诱导受RyRs调控的肌浆网钙释放系统（CICR）激活，当RyR激活之后使得Ca2+从肌浆网内大量释放瞬时细胞内游离钙浓度增加，进而与钙受体的肌钙蛋白结合后促进心肌收缩，整个的过程称为兴奋-收缩耦联。众所周知，Apelin是目前发现最具有内源性增强收缩力的肽类物质，这种收缩效果是间接和直接作用于心肌细胞水平的结果。有报道Apelin可通过促进Na+-H+交换，提高胞浆内的PH增强肌丝对Ca2+的敏感性从而增加心肌收缩力；Apelin也可通过促进Na+-Ca2+交换，增加细胞内的Ca2+浓度，从而增加心肌收缩功能。但Dai等[27]发现Apelin对肌丝无作用，但能增加受损心肌细胞内Ca2+浓度，同时也增加Na+-Ca2+交换以及激活Ca2+-ATP酶的活性，从而增加细胞内Ca2+浓度，起到正性肌力作用。而Wang等[28]报道Apelin并不是通过激活ICa发挥正性肌力作用，而是通过增加钙瞬变幅度以及降低SR的Ca2+容量以及增加肌内质网钙三磷酸腺苷酶的活性。

5 Apelin与疾病关系

近年对Apelin在房颤的发生发展中的作用研究较多。Ellinor等[29]用酶联免疫测定法检测73位孤立性心房颤动患者血浆中Apelin水平，结果发现与正常组相比房颤组Apelin水平显著降低（307 pg/mL比648 pg/mL，P＜0.05）。此外，Falcone等[30]对93例患持续性房颤患者进行6个月的术后跟踪发现，有26位患者房颤复发，复发患者的血浆Apelin水平与其他患者对比显著降低[（590±170）pg/mL比（730±150）pg/mL，P＜0.01]且BNP水平呈现明显升高的趋势（188 pg/m L比91 pg/mL，P＜0.01），这说明Apelin在房颤的发生发展中可能起着预保护的作用。Na+、K+、Ca2+等离子通道的病理性重构与心房纤颤的发生有着密切联系，那么Apelin对房颤的保护作用是否是通过对某种离子通道的调控来发挥作用就有待于我们进行进一步研究。

段丽军等[31]对26例男性和22例女性心力衰竭患者分为HF早期组、晚期组测定血浆中Apelin水平，发现HF早期心脏结构无明显变化，血浆Apelin水平升高；HF晚期心脏结构改变，血浆Apelin水平降低。Chen等[32]对80例HF患者检测Apelin水平发现HF早期Apelin水平升高，中期升高更多，而晚期Apelin水平显著降低。11例患者植入左心室辅助装置（LVAD）后发现APJ受体表达显著增高，同时伴有Apelin水平明显升高植入前[（0.967±0.260）ng/mL，植入后（2.246±0.410）ng/mL，P＜0.01]。Chong等[33]检测202例慢性心力衰竭的患者发现其血浆Apelin水平低于正常人；随后对植入起搏器的14例CHF患者进行术后随访发现（9±2）个月后患者心衰症状明显改善且Apelin水平有所增高。因此推测Apelin的表达水平与心脏功能密切相关，Apelin有望成为心脏衰竭的临床预警因子。

综上所述，Apelin对心肌电生理的调控主要是通过影响膜表面各种离子通道实现的，Apelin有望成为治疗心律失常、房颤及心力衰竭等疾病的又一新药物。

[1]O'Dowd BF，Heiber M，Chan A，et al.A human gene that shows identity with the gene encoding the angiotensin receptor is located on chromosome 11[J].Gene，1993，136（1-2）：355-360.

[2]Tatemoto K，Hosoya M，Habata Y，et al.Isolation and characterization of a novel endogenous peptide ligand for the human APJ receptor[J]. Biochem Biophys Res Commun，1998，251（2）：471-476.

[3]O'Carroll AM，Selby TL，Palkovits M，et al.Distribution of mRNA encoding B78/ap j，the rat homologue of the human APJ receptor，and its endogenous ligand apelin in brain and peripheral tissues[J]. Biochim Biophys Acta，2000，1492（1）：72-80.

[4]Lee DK，Cheng R，Nguyen T，et al.Characterization of apelin，the ligand for the APJ receptor[J].JNeurochem，2000，74（1）：34-41.

[5]Kawamata Y，Habata Y，Fukusumi S，et al.Molecular properties of apelin：tissue distribution and receptor binding[J].Biochim Biophys Acta，2001，1538（2-3）：162-171.

[6]Medhurst AD，Jennings CA，Robbins MJ，et al.Pharmacological and immunohistochemical characterization of the APJ receptor and its endogenous ligand apelin[J].JNeurochem，2003，84（5）：1162–1172.

[7]Kleinz MJ，Skepper JN，Davenport AP.Immunocytochemical localization of the apelin receptor，APJ，to human cardiomyocytes，vascular smooth muscle and endothelial cells[J].Regul Pept，2004，15（3）：119-125.

[8]Falcao-Pires I，Leite-Moreira AF.Apelin：a novel neurohumoralmodulator of the cardiovascular system：pathophysiologic importance and potential use as a therapeutic target[J].Rev Port Cardiol，2005，24（10）：1263-1276.

[9]Kleinz MJ，Davenport AP.Emerging roles of apelin in biology and medicine[J].Pharmacol Ther，2005，107（2）：198-211.

[10]Masri B，Knibiehler B，Audigier Y.Apelin signalling：a promising pathway from cloning to pharmacology[J].Cell Signal，2005，17（4）：415-426.

[11]Tatemoto K，Takayama K，Zou MX，et al.The novel peptide apelin lowers blood pressure via a nitric oxide-dependentmechanism[J]. Regul Pept，2001，99（23）：87-92.

[12]Szokodi I，Tavi P，Foldes G，etal.Apelin,the novel endogenous ligand of the orphan receptor APJ，regulates cardiac contractility[J]. Circ Res，2002，91（5）：434-440.

[13]Farkasfalvi K，Stagg MA，Coppen SR，et al.Direct effects of apelin on cardiomyocyte contractility and electrophysiology[J].Biochem Biophys Res Commun，2007，357（4）：889-895.

[14]Zeng XJ，Zhang LK，Wang HX，et al.Apelin protects heart against ischemia/reperfusion injury in rat[J].Peptides，2009，30（6）：1144-1152.

[15]Pisarenko OI，Lankin VZ，Konovalova GG，et al.Apelin-12 and its structural analog enhance antioxidant defense in experimental myocardial ischemia and reperfusion[J].Mol Cell Biochem，2014，391（1-2）：241-250.

[16]Chamberland C，Barajas-Martinez H，Haufe V，et al.Modulation of canine cardiac sodium current by Apelin[J].JMol Cell Cardiol，2010，48（4）：694-701.

[17]Cheng CC，Weerateerangkul P，Lu YY，et al.Apelin regulates the electrophysiological characteristics of atrialmyocytes[J].Eur JClin Invest，2013，43（1）：34-40.

[18]杜以梅，廖玉华，陈志坚，等.急性缺血对单个窦房结起搏细胞起搏电流的影响[J].山东医药，2008，48（17）：26-28.

[19]Yue L，Feng J，Gaspo R，et al.Ionic remodeling underlying action potentialchanges in a canine model of atrial fibrillation[J].Cire Res，1997，81（4）：512-525.

[20]Wagoner DR，Pond AL，Mc Carthy PM，et al.Outward K+current densities and Kv1.5 expression are reduced in chronic human atrial fibrillation[J].Circ Res，1997，80（6）：772-781.

[21]张瑜，曾晓荣，杨艳，等.持续性心房颤动患者IK1电流密度及其基因表达变化的研究[J].中华心血管病杂志，2006，34（1）：33-37.

[22]GilesWR，Imaizumi Y.Comparison of potassium currents in rabbitatrial and ventricular cells[J].JPhysiol，1988，405：123-145.

[23]Farkasfalvi K，Stagg MA，Coppen SR，et al.Direct effects of apelin on cardiomyocyte contractility and electrophysiology[J].Biochemical and Biophysical Research Communications，2007，357（4）：889-895.

[24]Desplantez T，McCain ML，Beauchamp P，et al.Connexin43 ablation in foetal atrial myocytes decreases electrical coupling，partner connexins，and sodium current[J].Cardiovascular Research，2012，94（1）：58-65.

[25]Jansen JA，Noorman M，Musa H，et al.Reduced heterogeneous expression of Cx43 results in decreased Nav1.5 expression and reduced sodium current that accounts for arrhythmia vulnerability in conditional Cx43 knockout mice[J].Heart Rhythm，2012，9（4）：600-607.

[26]Morley GE，Vaidya D，Samie FH，et al.characterization of conduction in the ventricles of normal and heterozygous Cx43 knockout mice using opticalmapping[J].JCardiovase Electrophysiol，1999，10（10）：1361-1375.

[27]Dai T，Ramirez-Correa G，Gao WD.Apelin increases contractility in failing cardiac muscle[J].Eur JPharmacol，2006，553（1-3）：222-228.

[28]Wang C，Du JF，Wu F，et al.Apelin decreases the SR Ca2+content butenhances the amplitude of[Ca2+]i transientand contractions during twitches in isolated rat cardiac myocytes[J].Am JPhysiol Heart Circ Physiol，2008，294（6）：2540-2546.

[29]Ellinor PT，Low AF，Macrae CA.Reduced apelin levels in lone atrial fibrillation[J].Eur Heart J，2006，27（2）：222-226.

[30]Falcone C，BuzziMP，Angelo AD.etal.Apelin plasma levels predict arrhythmia recurrence in patientswith persistentatrial fibrillation[J]. Int J Immunopathol Pharmacol，2010，23（3）：917-925.

[31]段丽军，付研，王大为，等.心力衰竭患者血浆Apelin水平的变化[J].中国医药导刊，2013，15（7）：1146-1147.

[32]Chen MM，Ashley EA，Deng DX，et al.Novel role for the potent endogenous inotrope apelin in human cardiac dysfunction[J].Circulation，2003，108（12）：1432-1439.

[33]Chong KS，Gardner RS，Morton JJ，et al.Plasma concentrations of the novel peptide apelin are decreased in patients with chronic heart failure[J].European Journal of Heart Failure，2006，8（4）：355-360.

M odulation of electrical properties on cardiom yocytes by Apelin

CHEN Lanlan DENG Lin ZHOU Yuhong▲
Pharmacology Teaching and Research Section,Harbin Medical University,Heilongjiang Province,Harbin 150081, China

Apelin is an endogenous ligand associated with angiotensinⅡtype 1 receptor protein in cardiomyocytes, vascular smooth muscle cells and endothelial cells.It is involved in the occurrence and development of hypertension, coronary heart disease,heart failure,atrial fibrillation and other cardiovascular diseases.Electricalactivity of cardiomyocytes is the foundation to myocardial function.Apelin increases the excitability and conduction tomodulates cardiac function through Na+,K+and Ca2+channel.This paper focus on themodulation of apelin on electrophysiological properties of cardiomyocytes.

Apelin;Cardiomyocytes;Ionic channel;Calcium regulating system

R541.6

A

1673-7210（2014）08（b）-0148-04

2014-04-22本文编辑：李继翔）

国家自然科学基金资助项目（编号81202525）；黑龙江省卫生厅科研课题（编号2009-240）。

▲通讯作者