晚钠电流与舒张性心力衰竭

许少华　张曼　综述　张进 　王礼琳　审校

(1.昆明理工大学附属医院，云南 昆明650032； 2．昆明理工大学医学院，云南 昆明650550)



晚钠电流与舒张性心力衰竭

许少华1,2张曼1,2综述张进1,2王礼琳1,2审校

(1.昆明理工大学附属医院，云南 昆明650032； 2．昆明理工大学医学院，云南 昆明650550)

【摘要】近年来，临床有越来越多心力衰竭患者伴左室射血分数正常，这使舒张性心力衰竭迅速演变成一个临床重要的独立病症，引起人们的广泛关注。晚钠电流的异常增强会引起心肌细胞内的钙离子超载，从而导致心脏的舒张功能出现障碍。现就舒张性心力衰竭和晚钠电流之间的关系做一综述。

【关键词】心血管病学；晚钠电流；舒张性心力衰竭

近年来，伴射血分数正常心力衰竭(HFpEF)越来越受到人们的重视，已经被认作是一种重要的健康问题。全部心力衰竭患者中，有一半的患者为舒张性心力衰竭(diastolic heart failure，DHF), 射血分数>45%，发病率和病死率与收缩性心力衰竭(systolic heart failure，SHF)相当[1]。在典型的心力衰竭患者中，由单一心脏舒张功能异常引起的心力衰竭发生率已达20%～40%[2]。临床上DHF病例逐年增多，甚至急性左心衰竭和肺水肿患者中也有1/4是左室射血分数正常。因此，DHF正逐渐演变成一种重要的独立病症。近几年，晚钠电流(late sodium current，INaL)被发现在DHF动物模型中明显升高[3]。且已证实，INaL的异常增强会引起心肌细胞内的Ca2+超载，从而引发心脏的舒张功能障碍。因此，INaL也许可能成为预防和治疗DHF，缓解心脏舒张功能的新靶点，并值得我们去研究它的电生理学特性及发生机制。

1INaL

心肌细胞中的钠电流可分为瞬时钠电流(INaT)和INaL。心肌细胞发生除极时，钠通道开放，此时的Na+快速内流而形成峰钠电流(INaT)，也就是在动作电位上形成了一个“棘形”的峰。但Na+通道开放几毫秒后迅速失活而关闭，在复极的平台期遗留一个持续数百毫秒的很小的内向电流，称为INaL。

1.1INaL的形成机制

INaL属于电压依赖式钠通道电流。电压依赖式钠通道由α、β1和β2等亚单位构成，其中主要结构α由4个功能区呈环形排列构成，Na+通过功能区间的亲水性孔道进入细胞，功能区的跨膜片段间包含由氨基酸链构成发卡样结构，这种结构被认为是产生持续性钠电流的关键结构[4-6]。有研究表明[7]，成年犬心肌细胞SCN5A(Nav1.5)是INaL的重要贡献成分。

早期研究表明，遗传性心律失常长QT综合征第三型(LQT3)由心肌细胞离子通道基因突变引起，其机制可能为SCN5A基因突变导致α亚单位功能下调，α亚单位和β亚单位在心脏中的相互作用被破坏，其结果是引起INaL的异常增强和恶性心律失常。但最近的研究发现，对于河豚毒素(TTX)敏感仅是先前认为由SCN5A编码的INaL中的部分，另一部分对于TTX不敏感[8]，这提示INaL可能存在两种成分，其中另一种成分，则可能是曾经在神经系统中发现的由SCN10A基因编码的Nav1.8钠电流，现在发现在人类心脏也存在[5-6],可能与多种心律失常的发生有关[9-10]。

1.2INaL的特性

缓慢散在开放方式和丛状爆发性开放方式是晚钠通道的主要表现方式[11]。由基因SCN5A异源性表达的钠通道α亚基，相似于与亚基共同构成并产生与正常人类心肌细胞晚钠通道的开放方式与表达通道。

心肌细胞INaL的特性包括以下几点：(1)INaL的振幅比其相邻的INaT小，是INaT幅度的1%～3%[12]。(2)持续时间长，呈现缓慢的时间依赖性失活，是INaL的另一个重要特征。失活时间常数为600 ms，有些实验可达到几秒，在平台期持续开放，而且无电压依赖性失活。(3)在较低电位被激活。-70 mV开始激活，-50 mV时50%激活。另外，此电流也能在正电位被观察到。(4)INaL对钠通道阻滞剂比INaT更为敏感。用0.1 μmol的TTX即可阻断INaL,而INaT在此浓度几乎不受影响。

1.3影响INaL的因素

在病理情况下，钠通道快速开放后会增强其不完全失活性，使INaL比生理条件下增强5倍，可想而知，这种持续性电流的异常增强所导致的心肌细胞内的Na+积累远远超过了INaT。 这也许就是导致在心力衰竭患者心肌细胞内的Na+浓度比正常人高6～8 mmol/L的原因[13]。

引起INaL增强的病理学因素包括：(1)在缺血缺氧时，INaL幅度升高，心肌细胞内Na+浓度增加，进而导致细胞内Ca2+浓度升高。有文献报道，心室肌细胞的INaL增大是由于缺氧引起，而加入一氧化氮聚合酶抑制剂(L-硝基精氨酸甲酯)或还原剂 (1，4-三硫代苏糖醇)后，可使增大的INaL明显减小。说明由心肌产生较多的一氧化氮通过氧化细胞膜上钠通道蛋白可能是INaL在缺氧条件下增大的机制[14]。此外，心肌缺血时，溶血磷脂酰胆碱可快速聚集在心肌细胞明显降低INaT，增加晚钠通道同步开放，增加持续性的INaL[15]。(2)遗传性LQT3型SCN5A基因突变会使Na+通道失活延迟，INaL升高，延长动作电位时程，QT间期延长会在心电图表现出来，易诱发早后除极和严重的室性心律失常如尖端扭转型室性心动过速。(3)病理条件下离子通道发生重构。既往和最近多项研究表明，心力衰竭时SCN5A编码的核心成分α亚单位在转录后水平减少，而β1亚单位不变，相对高表达的β1亚单位可能通过对α亚单位的正向调节作用引起衰竭心肌中INaL异常升高[16]。Mishra等[17]最近的研究表明，在犬衰竭心肌中INaL异常增强，导致INaL增强的机制可能是心肌中α亚单位减少而β1亚单位相对增多。相反，人为用β1亚单位反义寡核苷酸沉默β1亚单位使β1亚单位对α亚单位的正调控减弱而导致INaL的显著减少。以上这些研究结果都表明衰竭心肌中SCN5A编码的核心成分α亚单位水平在转录后减少，进而引起α亚单位和β1亚单位的比例失调，β1亚单位对α亚单位的正向调节作用增强而导致INaL异常升高；但是目前还不清楚衰竭心肌中 SCN5A编码的α亚单位在转录后水平下降的具体机制。

2INaL与DHF

在DHF的发生发展过程中会有显著的心电活动和舒张功能异常。INaL异常升高可以大大增加心肌细胞内Na+的浓度，虽然超载的Na+不能直接导致心脏的舒张性功能障碍，但是它们将会通过Na+-Ca2+交换体(NCX)来引发细胞内的钙超载。一般来说，NCX可以用三个Na+和一个Ca2+交换，交换方向分为正向和反向。正向模式下，NCX将Ca2+交换出细胞来实现。而反向模式下，NCX通过与细胞膜上Na+的交换将Ca2+转运到细胞内。然而，心肌细胞内Na+的积累和动作电位时程的延长将会导致心肌缺氧，并促进NCX的反向模式，导致细胞内Ca2+的超载。最终导致心肌活化作用增强而使心脏的舒张功能恶化[18]。而最新一项兔子动物实验发现，蛋白激酶C和Ca2+-钙调蛋白激活蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)将会调节由INaL引起的NCX的反向模式[19]。

另外，正常心脏舒张期细胞内Ca2+因大部分被肌浆网重新摄取或经正向 Na+-Ca2+交换外流而降低。但是，心力衰竭时因肌质网钙泵功能降低会导致心脏舒张功能障碍，Na+利用INaL失活缓慢的特点进入心肌细胞，这样就减少了Ca2+外流的推动力，并且帮助Ca2+通过Na+-Ca2+交换活动进入心肌细胞，导致细胞内Ca2+浓度升高。甚至导致肌动蛋白在舒张期互动次数增多，从而使心脏收缩，导致舒张性功能障碍。心室舒张的程度决定于INaL的大小，而INaL的大小与心肌细胞内特殊的信号机制有关。细胞内钙升高通过CaMKⅡ所引起的钠通道磷酸化也可改变通道的失活过程和增强INaL，并对Ca2+内流产生正反馈作用，增强NCX活动，但是此结果可能进一步恶化衰竭心脏细胞的钙调控，影响心电活动和收缩-舒张功能[20-21]。在转基因小鼠中，由于CAMKⅡδC过表达引起的舒张性功能障碍有效地抑制了INaL的逆转[22]。然而还有学者认为，靠抑制CAMKⅡ只能改善心脏的收缩功能，而对舒张功能没什么影响[23]。这暗示CAMKⅡ依赖的Na+通道磷酸化有可能被CAMKⅡ调节的其他分子的磷酸化平衡抵消，这些分子对细胞内Ca2+平衡有一定影响[24]。因此一定程度阻断晚钠通道对减少动作电位平台期钙负荷、改善心脏功能具有重要的作用。

近几年，国内外学者在INaL的异常升高是否是导致心脏舒张性障碍的重要因素的问题上，做了大量的实验与讨论。有人发现在舒张性功能障碍的病理条件下，心肌细胞内INaL的强度是正常生理条件下心肌细胞内的5倍。并且这个结论分别在患有心力衰竭的人和犬的体外心肌细胞中以及DHF小鼠模型中得到了证实；但目前就INaL诱发心脏舒张性功能障碍的机制研究还不完善。有关单一钠通道研究表明：功能性的改变，例如两种钠通道开放方式的缓慢将会导致INaL的增强。另外，又有人发现Na+通道的同型性表达和功能性调节在舒张性功能障碍时表现异常。这就说明了INaL在病理条件下，以频率依赖性的方式导致Ca2+超载，最终导致心室功能障碍和心律失常的发生[25]。

3INaL抑制剂

常见的INaL抑制剂有利多卡因、胺碘酮、TTX、奎尼丁、美西律和雷诺嗪。几种药物对INaL的选择性、敏感性和作用机制均有差异。另外，在缺氧状态下，抗氧化类药物可能对INaL还有一定的抑制作用，例如谷胱甘肽。近期国外学者[26]在对兔心室肌体外细胞水平和器官水平的试验研究中又发现GS967，GS967是一种INaL高选择性抑制剂，可抑制INaL的增强，能让动作电位时程得到维持，并能有效防止室性心律失常的发生，甚至比雷诺嗪更加有效；但目前研究最多的依然是新型的心血管治疗药物——雷诺嗪。

在以上所提到的几种INaL抑制剂中，雷诺嗪对抑制INaL具有较高的选择性。由于阻断INaT具有致传导减慢或传导阻滞等致心律失常作用，而雷诺嗪可高选择性阻断INaL而对INaT影响很小，因此近年来，抗心绞痛药物雷诺嗪以其对INaL的高度选择性，成为研究者们的研究重点。

INaL在晚期心力衰竭患者的心肌细胞中异常升高，引起细胞内的Na+浓度升高和Ca2+超载，而导致了舒张期功能障碍。通过雷诺嗪抑制INaL，细胞内Na+积累会减少[27]。因此，雷诺嗪被寄希望于能够促进Ca2+的排出，通过NCX从而改善舒张期的收缩和舒张功能。有研究者通过犬的心力衰竭模型证明了雷诺嗪可改善心脏舒张功能。雷诺嗪主要作用于失活态，随着刺激频率的加快和通道结合率上升，会加强阻滞作用，所以雷诺嗪存在频率依赖性和使用依赖性[28]。同时，在缺血受损时雷诺嗪能抑制INaL是通过降低Ca2+的浓度来完成的, 随后间接使氧气排放减少，保护生物机能，线粒体膜通道孔打开延迟，限制了细胞色素C的减少，从而减少了细胞的坏死和凋亡[29]。另外，也有文献报道雷诺嗪可提高冠心病患者心脏的舒张功能[30]。新近，国外研究者做大量实验与调查发现：雷诺嗪改善血流动力学指标，但没有改善松弛参数[31]。

4结束语

INaL参与心肌电生理活动，间接引发心肌的舒张性功能障碍和其他心脏疾病，越来越成为DHF的预防和治疗的新靶点，从这个角度出发，可以在临床预防、治疗和药物开发等方面做出更多的设想和研究。目前正在进行中的临床试验RALI-DHF(ranolazine for the treatment of diastolic heart failure)，是以雷诺嗪治疗射血分数正常的DHF患者，它的结果将告诉大家是否真的可从雷诺嗪治疗中使得HFpEF患者获益，进而使心室舒张功能得到改善[32]。

[ 参 考 文 献 ]

[1]Owan TE,Hodge DO,Herges RM,et al.Trends in prevalence and outcome of heart failure with preserved ejection fraction[J].N Engl J Med,2006,355(3):251-259.

[2]Kitzman DW.Heart failure with normal systolic function[J].Clin Geriatr Med,2000,16(3):489-512.

[3]Trenor B, Cardona K, Gomez JF, et al.Simulation and mechanistic investigation of the arrhythmogenic role of the late sodium current in human[J].PLoS One, 2012,7(3):e32659.

[4]Denac H,Mevissen M,Scholtysik G.Structure,function and pharmacology of voltage-gated sodium channels[J].Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol,2000,62(6):453-479 .

[5]Schwarz N, Hahn A, Bast T,et al.Mutations in the sodium channel gene SCN2A cause neonatal epilepsy with late-onset episodic ataxia[J].J Neurol,2015,1(1):1-2.

[6]Todt H, Dudley SC Jr, Kyle JW,et al.Ultra-slow inactivation in mu1 Na+channels is produced by a structural rearrangement of the outer vestibule[J].Biophys J,1999,76(3):1335-1345.

[7]Maltsev VA, Kyle JW, Mishra S, et al.Molecular identity of the late sodium current in adult dog cardiomyocytes identified by Nav1.5 antisense inhibition[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2008,295(2):H667-676.

[8]Yang T,Atack TC,Stroud DM,et al.Blocking SCN10A channels in heart reduces late sodium current and is antiarrhythmic[J].Circ Res,2012,111(3):322-332.

[9]Kornyeyev D,El-Bizri N,Hirakawa R,et al.Contribution of the late sodium current to intracellular sodium and calcium overload in rabbit ventricular myocytes treated by anemone toxin[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2015,37(62):27-32.

[10]London B.Whither art thou,SCN10A,and what art thou doing?[J].Circ Res,2012, 111(3):268-270.

[11]Noble D,Noble PJ.Late sodium current in the pathophysiology of cardiovascular disease:consequences of sodium-calcium overload[J].Heart,2006,92(suppl 4):iv1-iv5.

[12]Holm H,Gudbjartsson DF,Arnar DO,et al.Several common variants modulate heart rate, PR interval and QRS duration[J].Nat Genet,2010,42(2):117-122.

[13]Maier LS.New treatment options for late Na current, arrhythmias,and diastolic dysfunction[J].Curr Heart Fail Rep,2012,9(3):183-191.

[14]Ju YK, Saint DA, Gage PW.Hypoxia increases persistent sodium current in rat ventricular myocytes[J].J Physiol,1996,497(2):337-347.

[15]Chen Y,Yu FH,Surmeier DJ,et al.Neuromodulation of Na+channel slow inactivation via cAMP-dependent protein kinase and protein kinase C[J].Neuron,2006,49(3):409-420.

[16]Moreno JD, Clancy CE.Pathophysiology of the cardiac late Na current and its potential as a drug target[J].J Mol Cell Cardiol,2012,52(3):608-619.

[17]Mishra S, Undrovinas NA, Maltsev VA, et al.Post-transcriptional silencing of SCN1B and SCN2B genes modulates late sodium current in cardiac myocytes from normal dogs and dogs with chronic heart failure[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2011,301(4):H1596-1605.

[18]Bai Y,Morgan EE,Giovannucci DR,et al.Different roles of the cardiac Na+/Ca2+-exchanger in ouabain-induced inotropy, cell signaling, and hypertrophy[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2013,304(3):H427-435.

[19]Wu Y, Wang L, Ma J,et al.Protein kinase C and Ca2+-calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ mediate the enlarged reverse INCX induced by ouabain-increased late sodium current in rabbit ventricular myocytes[J].Exp Physiol,2015,100(4):399-409.

[20]Wagner S, Dybkova N, Rasenack EC,et al.Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ regulates cardiac Na+channels[J].J Clin Invest,2006,116(12):3127-3138.

[21]Zhang XQ, Yamada S,Barry WH.Ranolazine inhibits an oxidative stress-induced increase in myocyte sodiumand calcium loading during simulated-demand ischemia[J].J Cardiovasc Pharmacol,2008,51(5):443-449.

[22]Sossalla S, Maurer U, Schotola H, et al.Diastolic dysfunction and arrhythmias caused by overexpression of CaMKⅡδC can be reversed by inhibition of late Na+current[J].Basic Res Cardiol, 2011,106(2):263-272.

[23]Sossalla S,Fluschnik N,Schotola H,et al.Inhibition of elevated Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ improves contractility in human failing myocardium[J].Circ Res,2010,107(9):1150-1161.

[24]Anderson ME,Brown JH,Bers DM.CaMKⅡ in myocardial hypertrophy and heart failure[J].J Mol Cell Cardiol,2011,151(4):468-473.

[25]Pourrier M, Williams S, McAfee D,et al.CrossTalk proposal:the late sodium current is an important player in the development of diastolic heart failure[J].J Physiol,2014,592(3):411-414.

[26]Belardinelli L,Liu G,Smith-Maxwell C,et al.A novel,potent,and selective inhibitor of cardiac late sodium current suppresses experimental arrhythmias[J].J Pharmacol Exp Ther,2013,344 (1):23-32.

[27]Sossalla S, Kallmeyer B, Wagner S, et al.Altered Nat-currents in atrial fibrillation: effects of ranolazine on arrhythmias and contractility in human atrial myocardium[J].J Am Coll Cardiol,2010,55(21):2330-2342.

[28]Sicouri S, Glass A, Belardinelli L,et al.Antiarrhythmic effects of ranolazine in canine pulmonary vein sleeve preparations[J].Europace,2008,5(7):1019-1026.

[29]Adakkak M, Camara AK, Heisner JS,et al.Ranolazine reduces Ca2+overload and oxidative stress and improves mitochondrial intergrity to protect against ischemia reperfusion injury in isolated hearts[J].Pharmacol Res,2011,64(4):381-392.

[30]Figueredo VM, Pressman GS, Romero-Corral A, et al.Improvement in left ventricular systolic and diastolic performance during ranolazine treatment in patients with stable angina[J].Cardiovasc Pharmacol Ther,2011,16(2):168-172.

[31]Maier LS, Layug B, Karwatowska-Prokopczuk E,et al.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(2):115-122.

[32]Jacobshagen C,Belardinelli L,Hasenfuss G,et al.Ranolazine for the treatment of heart failure with preserved ejection fraction:background,aims,and design of the RALI-DHF study[J].Clin Cardiol,2011,34(7):426-432.

Late Sodium Current and Diastolic Heart Failure

XU Shaohua1,2,ZHANG Man1,2,ZHANG Jin1,2,WANG Lilin1,2

(1.KunmingUniversityofScienceandTechnologyAffiliatedHospital,Kunming650032,Yunnan,China;2.MedicalCollegeofKunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650500,Yunnan,China)

【Abstract】In recent years,more and more patients with heart failure with normal left ventricular ejection fraction.This makes the diastolic heart failure quickly evolved into an important independent clinical symptoms and aroused people’s wide attention.Late sodium current cause myocardial intracellular calcium overload, causing problems to the diastolic function of the heart.In the study, we review the relationship between the late sodium current and diastolic heart failure.

【Key words】Cardiovascular diseases;Late sodium current;Diastolic heart failure

收稿日期：2015-12-02修回日期：2016-01-20

【中图分类号】R541.6

【文献标志码】A 【DOI】10.16806/j.cnki.issn.1004-3934.2016.02.000

作者简介：许少华(1988—)，在读硕士，主要从事心肌细胞电生理、移植免疫学研究。Email：huashao412@163.com通信作者：张进(1976—)，住院医师，主要从事心肌电生理研究。Email:zhangjinxy@sina.com

基金项目：国家自然科学基金项目(81360039)；云南省心律失常诊治研究中心研究基金项目(2014NS260，2014NS259)