钙离子/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ与心力衰竭关系的研究进展

曹亚选，郑荣菲，王 贺

心力衰竭是几乎所有心血管疾病的终末阶段，严重威胁着人类的健康。虽然近年来心力衰竭的治疗进展明显，但是心力衰竭病人的预后仍然不容乐观，其5年生存率仅为50%左右[1]。无论是发展中国家还是发达国家，心力衰竭都有很高的发病率、死亡率和医疗费用占比[2]。我国一项针对心力衰竭进行的抽样调查结果显示，随着年龄增加，心力衰竭患病率逐年上升[3]。研究证实，钙离子/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)是将神经体液刺激与心脏重构关联的重要介质，心脏疾病早期即伴随CaMKⅡ活性升高，而晚期或终末期心力衰竭病人CaMKⅡ表达明显上调[4]。CaMKⅡ的表达和活性增加被证明在调节心肌细胞死亡中起着核心作用。因此，抑制CaMKⅡ活性也被认为可能是治疗心力衰竭新的靶点。现综述近年来CaMKⅡ在心力衰竭过程中作用机制的相关进展，为心力衰竭的研究和治疗提供依据。

1 CaMKⅡ的分布

钙离子/钙调蛋白依赖性激酶(CaMK)是一类对细胞内钙离子变化做出反应的多功能丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，主要由3个成员组成：CaMKⅠ、CaMKⅡ和CaMKⅣ。CaMKⅡ是由2个六聚体环堆叠而成的十二聚体结构，具有广泛的组织分布。研究发现CaMKⅡ存在4种异构体(α、β、δ、γ)，每种异构体都由一个单独的基因编码。不同组织中异构体的分布也不相同，其中，α和β异构体在脑中高度表达，而心脏中表达的主要异构体是δ以及较少量的γ[5]。CaMKⅡδ已经被证明是影响心力衰竭发生发展的关键。CaMKⅡδ在体内可产生多种不同的剪接变体，然而目前尚不能确定哪种CaMKⅡδ剪接变体在CaMKⅡ介导的心脏病中起主要作用。

2 CaMKⅡ的激活

每个CaMKⅡ单体包括N-末端催化结构域、调节域和C-末端结合结构域3个主要结构。在CaMKⅡ的非活性状态下，催化结构域被调节域空间阻断，这种模式也被称为自抑制状态。随着细胞内钙离子浓度的升高，钙离子与钙调蛋白(CaM)结合，钙化的CaM与CaMKⅡ调节域中的钙离子/CaM结合位点结合并激活CaMKⅡ，导致CaMKⅡ构象发生变化，暴露出催化结构域的激酶底物和三磷酸腺苷(ATP)结合位点，允许底物和ATP进入催化域。即使在钙离子/CaM复合物解离后，自动磷酸化也赋予CaMKⅡ自主激酶活性，从而防止催化结构域与自抑制结构域的重新结合[6]。事实上，除了通过钙离子/CaM结合的典型激活方式，CaMKⅡ活性还受到许多翻译后修饰的调节，包括活性氧(ROS)氧化、一氧化氮(NO)依赖的S-亚硝基化、高血糖期间的O-GlcN酰化以及通过未完全分解的环磷酸腺苷(cAMP)-环磷酸腺苷交换蛋白(EPAC)-一氧化氮合酶(NOS)途径[7]。激活后的CaMKⅡδ可影响许多参与心肌钙循环的蛋白，如L型钙通道、兰尼定受体、肌浆网钙ATP酶和磷蛋白。这些蛋白涉及了心脏的兴奋-收缩偶联、心肌细胞凋亡、心肌肥大、炎症和心律失常相关基因的转录激活。

3 CaMKⅡ在心力衰竭中的作用

心力衰竭是临床上常见的心血管疾病，这种疾病导致心脏功能受损，显著增加病人住院和死亡风险。心力衰竭发生发展的基本机制是心肌重构，其核心在于心肌细胞钙稳态平衡紊乱，进而导致心肌舒缩功能受损。在心力衰竭代偿期，机体交感神经兴奋性增强和肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活，通过水钠潴留、外周血管收缩及增强心肌收缩力，维持正常的心脏输出。在代偿过程中，心肌细胞、胞外基质等均发生变化，出现心腔扩大、心肌肥厚现象。随着时间的延长，这些神经体液代偿机制最终也将产生直接心肌细胞毒性，引起心肌纤维化，促进心脏重塑，促使心肌细胞凋亡，加重心功能恶化，最终失代偿导致不可逆转的终末阶段。心室重构是心力衰竭发生发展的核心病变，对其机制研究将大大提升临床心力衰竭的防治水平。心肌重构的机制是复杂的，包括钙离子超载、心肌肥厚、线粒体功能障碍、心肌细胞死亡等，近年研究发现CaMKⅡ对这些过程都会产生影响。

3.1 钙离子超载 研究发现无论是扩张型心肌病心力衰竭病人还是缺血型心肌病心力衰竭病人CaMKⅡδ活性都明显增加。CaMKⅡ活性增强，通过对心脏2型兰尼定受体通道(RyR2)过度磷酸化，增加舒张期肌浆网(SR)钙离子泄漏。CaMKⅡ依赖性舒张期肌浆网钙离子漏出增加是心室肌衰竭的标志，是心力衰竭时肌浆网钙耗竭和收缩功能障碍的基础。此外，钙离子稳态失调会导致不良适应应激反应的扰动和心律失常事件的发生，从而进一步加重心力衰竭。

3.2 心肌肥厚 交感神经兴奋性增强和肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活过程中均存在CaMKⅡ被激活的现象，并对心力衰竭病理发展产生重要的作用。β-肾上腺素能受体过度激活导致病理性心脏重塑和心肌肥厚的现象与活化的CaMKⅡ密切相关[8]。使用基因手段抑制CaMKⅡ的表达，便可以抑制异丙肾上腺素所引起的心肌肥厚，并明显改善压力负荷心肌肥厚小鼠的心肌收缩和舒张功能[9]。研究发现，CaMKⅡ能够通过调控组蛋白脱乙酰化酶(HDAC)的磷酸化，进而影响肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素-1β(IL-1β)的表达与心肌纤维化，从而参与肥大基因的转录调控。在血管紧张素Ⅱ作用于大鼠胚胎心肌细胞株H9c2细胞，建立体外心肌细胞肥大模型的研究中发现，在CaMKⅡ水平增加的同时，腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)磷酸化水平也随之增加。使用CaMKⅡ抑制剂与血管紧张素Ⅱ共处理H9c2细胞发现KN-62在抑制CaMKⅡ磷酸化的同时，显著地抑制了血管紧张素Ⅱ诱导的AMPK磷酸化。表明在心肌肥大调控网络中，CaMKⅡ作为AMPK的上游调控因子，可以通过调控AMPK信号通路来调控细胞自噬，进而调节心肌肥大的发生发展[10]。

3.3 线粒体功能障碍 线粒体作为心肌细胞中重要的细胞器，是参与心室重构的重要环节，线粒体功能障碍同样是心力衰竭发展过程中的一个重要事件。研究表明，死亡细胞因子如TNF-α触发一种“程序性”形式的坏死，这种坏死可由受体相互作用蛋白3(RIP3)激活引发[11]。研究发现，CaMKⅡ是一种新的RIP3底物，RIP3通过磷酸化或氧化诱导CaMKⅡ的激活，进而通过增加线粒体内膜钙单向转运体电流(IMCU)影响线粒体通透性转换孔(MPTP)的开放，导致线粒体内膜去极化并最终导致细胞死亡。因此，RIP3-CaMKⅡ-MPTP途径有望成为治疗心肌损伤和心力衰竭的靶点[12]。

3.4 细胞坏死 心肌细胞坏死也是失代偿发生的一个重要因素，心肌细胞的减少使心肌整体收缩力降低。研究表明，不同的CaMKⅡδ剪接变体对凋亡过程有着不同的影响，位于细胞质中的CaMKⅡδ2(又称CaMKⅡδC)有促凋亡特性，而位于细胞核中的CaMKⅡδ3(又称CaMKⅡδB)具有抗凋亡特性[13]。另有最新研究发现CaMKⅡδ9，人类心脏中含量最丰富的CaMKⅡδ剪接变体，通过下调泛素结合酶E2T(UBE2T)而触发心肌细胞DNA的损伤，破坏心肌细胞基因组的稳定性，有效地促进了心肌细胞死亡和心力衰竭[14]。这标志着CaMKⅡδ9-UBE2T-DNA损伤途径可能成为心肌病和心力衰竭的重要治疗靶点。

4 CaMKⅡ的抑制

4.1 CaMKⅡ抑制剂 CaMKⅡ抑制有利于改善心肌功能，减轻心力衰竭的相关症状，如心腔扩张、肺水肿、心肌纤维化和细胞凋亡等[15]。鉴于CaMKⅡ具有广泛的组织分布特性，在使用CaMKⅡ抑制剂时，很可能会对其他激酶产生潜在的靶外效应。要想更好地解决心血管疾病问题，不仅需要优化小分子CaMKⅡ抑制剂的药代动力学特性，最大限度减少其通过血脑屏障对中枢神经系统的渗透，同时抑制剂还需要具备相对CaMKⅡδ异构体特异性。虽然近年来已经阐明了许多导致CaMKⅡ激活的途径，但是几乎没有临床上可行的影响CaMKⅡ活性的药物。最常见的抑制剂KN-93通过竞争性阻断CaM结合位点的方式来变构抑制CaMKⅡ，但是已有试验证明了KN93同时抑制包括许多激酶和离子通道在内的其他靶点。具有口服生物利用度的CaMKⅡ抑制剂SMP-114，是一种最初用于治疗类风湿性关节炎并在临床试验中进行测试的新型CaMKⅡ抑制化合物，能有效降低自发性舒张期肌浆网钙离子漏出，并在一定程度上抑制晚期钠电流，但遗憾的是SMP-114同样缺乏激酶特异性[16]。GS-680是一种高度选择性的CaMKⅡδ抑制剂，因显著减少舒张期肌浆网钙离子漏出，其在人心房小梁中具有很强的抗心律失常作用，能抑制心房期前收缩，这种抗心律失常作用是以收缩期心房收缩功能受损为代价的。然而，在终末期心力衰竭病人的心室肌中，GS-680能够钝化负性频率关系，增加钙瞬态振幅，改善人心室衰竭时的收缩能力[17]。虽然GS-680也可以抑制CaMKⅡα和β，但其效力远低于CaMKⅡδ，这大大降低了神经元副作用的风险。AS105是一种高亲和力的ATP竞争性CaMKⅡ抑制剂，与常用的KN93不同，AS105对磷酸化和未磷酸化的CaMKⅡ都能起到抑制作用。在心肌细胞实验中发现，AS105能有效地减少肌浆网钙离子漏出，增强肌浆网积累钙离子的能力，在心律失常和心力衰竭方面都有治疗潜力[18]。但是目前缺乏GS-680和AS105的口服生物利用度的相关报告。RA306是一种新型口服的ATP竞争性CaMKⅡ抑制剂，研究发现口服RA306能够降低CaMKⅡ活性，显著改善心力衰竭小鼠的心脏功能[19]。与KN-93相比，RA306具有更好的离子通道选择性。实验结果支持RA306这种新型口服CaMKⅡ抑制剂的临床可行性。

4.2 中药抑制CaMKⅡ治疗心力衰竭 益气药黄芪、活血药丹参是治疗心力衰竭的常用药，具有确切的临床疗效，在改善气虚血瘀证的同时，可以改善心肌肥厚、延缓心力衰竭的进展。有研究发现，益气药可能通过抑制CaMKⅡ过表达，调控心力衰竭细胞L型钙电流，缩短心力衰竭心肌细胞及心脏复极时间，改善心力衰竭电生理重构[20]。另有研究表明，中药益气活血方的抗心力衰竭机制可能与线粒体功能的改善有关，其通过调节ROS生成和CaMKⅡ信号通路改善心力衰竭小鼠线粒体功能障碍来达到抗心力衰竭的效果[21]。心力衰竭时由于CaMKⅡ等蛋白激酶激活使钠离子通道磷酸化，引起晚期钠电流增大是心力衰竭室性心律失常发生的病理机制之一，心电图表现为QT间期延长。参连复脉颗粒具有益气活血、清心化痰、宁心安神的功效，临床治疗心力衰竭室性心律失常安全有效。前期研究发现，参连复脉颗粒能够缩短异丙肾上腺素引起的动作电位延长，并且君药党参能够抑制心力衰竭心脏CaMKⅡ表达。参连复脉颗粒可改善压力负荷导致的心力衰竭心律失常小鼠电生理重构，抑制心力衰竭心律失常。其作用机制可能与抑制CaMKⅡ表达、恢复钠通道功能、抑制晚期钠电流、调节细胞内离子浓度有关[22]。

4.3 其他途径抑制CaMKⅡ 瞬时外向钾电流(transient outward potassium current，Ito)的变化不仅是心力衰竭的继发改变，也是其主要调控因素，可促进心力衰竭的发展进程。已经有研究证明Ito通道亚基Kv4.3与失活的CaMKⅡ蛋白之间存在物理偶联。Kv4.3通道蛋白下调促使非活化的CaMKⅡ从Kv4.3-CaMKⅡ复合物中分离出来并被激活，加速心力衰竭过程[23]。其中Kv4.3作为内源性CaMKⅡ抑制剂，可以抑制CaMKⅡ活性，但不影响其表达。因此，通过上调Kv4.3通道蛋白来抑制CaMKⅡ过度活化，可能是治疗心力衰竭的一大靶点。有研究发现，蛋白精氨酸甲基转移酶1(PRMT1)通过甲基化CaMKⅡ的R9和275来抑制CaMKⅡ，心肌细胞中PRMT1缺乏会引起活性CaMKⅡ的水平显著升高，从而导致扩张型心肌病，并伴有心肌细胞肥大和严重的纤维化，最终导致心力衰竭[24]。因此，CaMKⅡ的精氨酸甲基化可能为心力衰竭的治疗提供一种新的策略。

除了使用CaMKⅡδ的药理抑制剂外，运动也有可能成为一种治疗方法。有益于心血管效应的运动似乎能够对抗CaMKⅡδ在衰竭心脏中的负面影响。有研究发现游泳运动可以抑制1型糖尿病小鼠中O-GlcN酰化介导的CaMKⅡ激活，从而改善心脏状况[25]。

5 前景与展望

目前，通常使用利尿剂、神经激素拮抗剂、β受体阻滞剂和血管紧张素转换酶抑制剂治疗心力衰竭。这些治疗虽然能够缓解症状，在一定程度上延缓疾病的发展，但往往不能从根本上解决心力衰竭问题。因此，具有高CaMKⅡδ选择性和良好生物利用度的特异性药物的开发可能是一个新的目标。局部递送具有适当选择性的ATP竞争性CaMKⅡ抑制剂在将来可能成为一种治疗心力衰竭的新方法。