ATP敏感性钾通道与膀胱功能关系的研究进展

2021-12-02 07:08常晓丽综述陈少宗审校
福建医科大学学报 2021年3期
关键词:兴奋性平滑肌功能障碍

常晓丽(综述), 陈少宗(审校)

ATP敏感性钾通道(ATP-sensitive potassium channels, KATP)是一种在神经系统和外周组织中广泛分布和表达的内向整流钾通道,在耦联细胞能量代谢与细胞兴奋性方面发挥重要作用[1-2]。目前已有报道证实,KATP通道参与膀胱疾病的发生与发展过程,但其机制尚不明确。因此,阐明KATP通道在膀胱功能障碍中的作用,能够为临床治疗提供新的理论依据。

1 KATP通道的结构、功能及其调控

1983年Noma等[3]在豚鼠心室肌细胞上首先发现KATP通道,随后其他实验室相继证实该通道广泛表达在骨骼肌细胞、平滑肌细胞、胰岛β细胞以及神经元上。KATP通道是由内向整流钾通道亚单位(inwardly rectifying K+channel subunits, Kir 6.x)和磺酰脲类受体亚单位(sulfonylurea receptor, SUR)构成的八聚体结构。Kir 6.x包括Kir 6.1和Kir 6.2,主要形成离子孔道,具有ATP的结合位点。SUR主要包括SUR1和SUR2(SUR2A和SUR2B),是药物作用的主要靶点,决定通道的功能和对药物与代谢应激的敏感性[1-2],表达有SUR1型的KATP通道更为敏感。Kir 6.x和SUR.x同工型/变体的不同组合形成具有不同特征和不同功能特性的组织特异性KATP亚型。目前,普遍认为KATP通道至少有3种组成类型,即SUR1-Kir 6.2构成的胰腺型,SUR2A-Kir 6.2构成的心脏型以及SUR2B-Kir 6.x构成的平滑肌型。SUR2B-Kir 6.1型的KATP通道较SUR2B-Kir 6.2型KATP通道具有较低电导[2,4]。除此之外,KATP通道还表达在线粒体膜上,其结构与细胞膜上的KATP通道相似,主要功能是调控线粒体基质的代谢状态,维持线粒体氧化呼吸链的功能,通过调节通道的开闭状态对外环境变化作出反应。同时,在减轻缺血/再灌注损伤以及维持线粒体容积稳定方面,线粒体KATP通道具有重要的作用[1,5]。

在不同种属的膀胱逼尿肌中,KATP通道亚型的构成不同。豚鼠逼尿肌的KATP通道由Kir 6.2和SUR 2B构成,在大鼠膀胱逼尿肌中有Kir 6.1、Kir 6.2和SUR 2B的表达。在人逼尿肌中SUR1和SUR2B共表达,其中SUR2B发挥主要作用,而在猪的逼尿肌中,KATP通道主要由Kir 6.1和SUR2A构成[6-8]。KATP通道的调节机制十分复杂,通过对KATP通道的调控可以调节平滑肌的收缩力。当细胞内ATP大量消耗时,引起ATP/ADP的比值下降,激活KATP通道,KATP通道的激活能够促使细胞膜发生超极化,细胞兴奋性降低,通过负反馈机制调节能量代谢的平衡。内源性激动剂如降钙素基因相关肽(calcitonin gene-related peptide, CGRP),腺苷等可以通过环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)-蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)途径激活KATP通道,导致细胞膜电位超极化和平滑肌松弛。KATP通道的开放剂也可产生同样的效应。相反,多种神经递质如去甲肾上腺素、5-羟色胺、神经肽Y等以及血管收缩剂如血管紧张素Ⅱ、内皮素-1等可以通过蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)途径抑制KATP通道,导致细胞膜电位去极化,进而引发平滑肌收缩[2,9]。

在猪逼尿肌中,Levcromakalim作为一种KATP通道开放剂,以浓度依赖的方式诱导持久的外向电流,该电流可被KATP通道特异性的阻断剂格列本脲废除。GDP可显著增强Levcromakalim诱导的该电流,而cAMP则没有这种效应。此外,与cAMP信号传导有关的神经递质(如CGRP、血管活性肠肽、腺苷和生长抑素)对该电流的影响很小。KATP通道的SUR亚基与核苷酸的敏感性有关[5]。在C末端,SUR2B具有PKA和PKC的磷酸化位点,而SUR2A缺乏PKA的磷酸化位点。因此,Levcromakalim的这种作用可能与猪逼尿肌主要表达KATP通道的SUR2A亚型有关。

体外研究表明,格列本脲阻断KATP通道能够增加猪逼尿肌的肌肉张力,KATP通道开放剂则能够有效抑制自发性肌源性收缩。同时,在抑制电场刺激诱发的收缩方面,与毒蕈碱和嘌呤受体相比,KATP通道开放剂的作用更强[10]。在缺乏KATP通道开放剂的情况下,KATP通道偶尔会短暂打开。据推测,这与KATP通道的低密度或低开放概率有关。这些结果表明,KATP通道在调节膀胱平滑肌的静息膜电位中起重要作用。此外,KATP通道也是其他物质调控膀胱活动的作用靶点。比如,大麻素通过PKA和KATP通道途径介导大鼠膀胱松弛[11]。黄体酮通过环磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate, cGMP)/NO途径,并涉及大电导钙激活钾通道(big-conductance Ca2+-activated K+channels, BKCa)和KATP通道的激活促进猪膀胱颈的松弛[12]。

2 KATP通道在膀胱功能障碍中的作用研究

2.1 KATP通道与膀胱过度活动症(overactive bladder, OAB) OAB是一种以尿急症状为特征的症候群,可合并或不合并急迫性尿失禁,常伴有尿频、夜尿,尿动力学表现为逼尿肌过度活动,或其他形式的尿道-膀胱功能障碍,实验室检查无明确感染证据和其他明显的病理学改变[13]。研究表明,对激动剂的超敏性、缝隙连接的增加以及平滑肌细胞之间电耦联的增强可以使去极化信号广泛传播,从而引起自发收缩。膀胱平滑肌的KATP通道在控制肌源性肌张力和兴奋性中起关键作用[14-15]。脊髓横断和膀胱流出道梗阻引起大鼠逼尿肌不稳定收缩增加,与正常组相比,钾电流降低,KATP通道的SUR2B亚型mRNA表达明显上调[16]。更重要的是,KATP通道参与神经源性OAB患者的自发收缩活动[17]。早在1988年,Andersson等[18]首次提出通过药理性提高KATP通道的开放程度可以治疗OAB。

KATP通道开放剂可以减少游离逼尿肌的自发性收缩以及外来刺激引起的收缩活动,与此同时,并不影响排尿压力。KATP通道开放剂如nicorandil、cromakalim、pinacidil和ZD6169可激活KATP通道,促使细胞内K+外流,抑制L-型钙通道介导的Ca2+内流,导致膜电位超级化,从而降低逼尿肌兴奋性,抑制其收缩。这对治疗逼尿肌不稳定,缓解尿频、尿急症状有重要意义。目前报道指出,KATP通道开放剂主要通过2种途径改善OAB,一种是直接作用于膀胱平滑肌,另一种为抑制辣椒素敏感的C传入纤维的放电活动。nicorandil还可通过改善膀胱慢性缺血进而改善OAB的症状[19]。然而,cromakalim及pinacidil在心血管方面引起的副作用远远超过其在膀胱的治疗效果。ZD6169对膀胱的选择性大于心血管,能够增加膀胱容量,减少尿频及逼尿肌自发收缩,同时几乎不影响心血管系统。但是ZD6169在亚临床动物模型中的治疗效果不佳。目前,对Kir 6.2/SUR2B具有高度选择性的A-251179表现出具有治疗OAB的潜力[20]。在治疗OAB方面,针对具有膀胱选择性的KATP通道开放剂进行深入研究具有很大的潜在价值。

2.2 KATP通道与急性尿潴留(acute urinary retention,AUR) 临床上,前列腺增生、糖尿病性自主神经病变或某些药物相关的副作用通常会导致患者出现AUR症状,严重影响患者的生活质量。目前的研究报道指出,膀胱过度膨胀不仅会引起逼尿肌和其他膀胱微结构的损伤,还会导致逼尿肌的收缩力降低。膀胱长时间过度扩张后其生化和代谢状态也会发生改变。

研究表明,AUR和缺血再灌注会导致膀胱组织的氧化应激以及炎症和中性粒细胞的浸润,这些改变可能使膀胱功能恢复延迟[21-22]。KATP通道开放剂nicorandil (3或10 mg/kg)和cromakalim (100或300 μg/kg)可以通过上调Kir 6.1和Kir 6.2的表达,降低膀胱组织的氧化应激及凋亡,进而预防AUR及随后导尿引起的雌性大鼠膀胱功能障碍[23]。Ohmasa等[23]认为,激活KATP通道后可能通过3种机制来避免缺血再灌注损伤。首先,线粒体KATP通道激活开放后线粒体基质肿胀,可以改善线粒体ATP的产生。其次,线粒体KATP通道激活后可以减少线粒体的Ca2+超载。此外,线粒体KATP通道激活后可以增加活性氧的生成,进而激活PKC,这在细胞保护过程中是很重要的。另外,nicorandil是NO供体,会引起血管扩张,从而增加膀胱血流。这些研究表明KATP通道可能是改善AUR的一个重要靶点。

2.3 KATP通道与代谢综合征引起的膀胱功能障碍 越来越多的证据表明,代谢综合征和下尿路症状之间紧密相关[11]。在糖尿病大鼠模型中,其膀胱对BKCa通道和KATP通道调节剂的反应发生了改变。从链脲佐菌素-糖尿病大鼠膀胱功能障碍模型中分离出的膀胱条带,其阶段性活动增强。激活BKCa通道和KATP通道可抑制卡巴胆碱引起的该膀胱条带阶段性活动的频率。抑制BKCa通道后糖尿病性膀胱条带显示出明显增强的阶段性活动。相反,抑制小电导钙激活钾通道和KATP通道不会影响静息组织中诱导的阶段性活动。总之,糖尿病大鼠模型中BKCa通道和KATP通道功能和表达的改变可能导致膀胱功能障碍[24]。

KATP通道开放剂cromakalim可同时抑制猪膀胱阶段性活动的幅度和频率[25]。然而,在糖尿病大鼠模型中,cromakalim仅对其膀胱阶段性活动的频率具有明显的抑制作用。在糖尿病大鼠模型的膀胱平滑肌中,KATP通道的Kir 6.1和SUR2B亚基的mRNA表达水平降低,导致KATP通道不足以对cromakalim产生功能性反应。此外,毒蕈碱受体的活化会抑制膀胱平滑肌的KATP通道,并可能通过PKC途径抑制膀胱平滑肌细胞中40%~70%的KATP电流。如果这些途径在糖尿病模型的膀胱中得到增强,则可以解释cromakalim的抑制作用降低。因此,需要进一步详细的实验研究进行验证。

2.4 KATP通道与间质性膀胱炎/膀胱疼痛综合征(interstitial cystitis/bladder pain syndrome, IC/BPS) IC/BPS是一种常见的临床综合征,主要表现为尿频、尿急、排尿疼痛,伴小腹、会阴区疼痛。目前,该病的发病原因及机制尚不明确,与感染、自身免疫反应、肥大细胞的激活、膀胱黏膜改变、尿液毒性等因素相关[26]。特别是,由于膀胱尿路上皮通透性增加,导致尿液中K+增高,容易渗入间质组织,引起炎症的发生和膀胱传入神经敏化及逼尿肌收缩,并导致IC/PBS患者的尿急、尿频和膀胱疼痛。膀胱内滴注氯化钾(0.4 mol/L,40 mL)可引起患病膀胱异常的上皮通透性反应,可作为IC/PBS的诊断方法。IC/PBS患者中K+的失衡主要通过钾离子通道来调节[27]。

在IC/PBS患者的膀胱尿道上皮中,肾髓外K+通道的表达量是健康对照者的3.3倍[27]。研究表明,Kv2/Kv9.1通道活性的增加促进了尿路上皮通透性增加的大鼠敏感膀胱感觉神经元的重复放电。在claudin-2尿路上皮过表达诱导的大鼠膀胱炎模型中,claudin-2在尿路上皮的过表达使异凝集素GS-IB4阴性[IB4(-)]膀胱感觉神经元敏感。在该组膀胱感觉神经元中,延迟整流通道Kv2.2和辅助亚基Kv9.1的mRNA水平显著增加,Kv2/Kv9.1通道的活性升高。重要的是,Kv2通道的选择性阻滞剂guangxitoxin-1E使致敏的IB4(-)感觉神经元的重复放电活动减少[28]。Kv1.4表达的下调也可以增加膀胱炎症大鼠膀胱传入神经的兴奋性[29]。虽然目前的报道中尚未提到KATP通道在IC/PBS中的作用,但由于该通道在维持K+平衡和神经元兴奋性中具有重要作用,笔者推测其功能障碍是促进IC/PBS发生的关键。

综上所述,KATP通道是调控膀胱组织兴奋性和收缩性活动的关键离子通道。越来越多的证据支持,膀胱疾病的发病机制归因于KATP通道生理功能的改变,这意味着KATP通道是潜在的治疗靶点。正常生理情况下,组织内KATP通道处于关闭状态,但在病理情况下,该通道被选择性激活,激活后的KATP通道通过影响细胞的兴奋性、能量代谢、线粒体功能以及膀胱血流量等多方面活动参与OAB和AUR等多种膀胱疾病。目前,关于KATP通道在膀胱疾病中的作用的研究尚不完整,缺乏将其作为膀胱疾病候选基因的探索。因此,关于KATP通道及其调节蛋白突变的研究,特别是在膀胱疾病患者中,可能是一个新颖的研究领域。

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