离子通道与长QT综合征的研究进展

董皓波,尹俪璇,杨森宇,陈世闻,张瑛昊,苏敬阳

0 引言

心肌细胞膜蛋白基因编码的改变会引起细胞生理功能障碍,最终导致心律失常,包括长QT综合征(Long QT syndrome,LQTS)[1]。LQTS临床表现为明显的QT间期延长和T波异常,易产生恶性心律失常、反复发作性晕厥、心脏骤停,甚至猝死等心脏事件,给患者家庭和社会带来严重的精神和经济负担,危害性极大[2]。剧烈运动或情绪紧张是诱发长QT综合征的主要因素,其在睡眠中较少发生,发作一般没有征兆。

有报道,遗传性LQTS是由于不同的离子通道如钙离子通道、钾离子通道、钠离子通道以及钙调蛋白等基因突变引起的。心脏的动作电位受到一系列复杂的离子通道活动的调控,例如钙离子电压门控通道Cav1.2、钾离子电压门控通道KCNQ1/KCNH2、钠离子电压门控通道SCN5A等,这3种离子通道在产生心脏动作电位时,各自发挥着不同的作用,因此,当其发生基因突变时,可导致产生不同分型的LQTS。不同的基因突变诱发的LQTS共有17种类型,其中KCNQ1 的基因缺失突变会导致LQTS1,KCNH2突变导致LQTS2,SCN5A突变会导致LQTS3,Cav1.2蛋白突变会导致LQTS8等[3]。目前,大多数的LQTS患者都属于LQTS1、LQTS2、LQTS3三大类亚型。其中,33%～45%的基因型病例属于LQTS 1;25%～35%的基因型病例属于LQTS2;2%～8%的基因型病例属于LQTS3。SCN5A钠通道突变引起的LQTS 3在各个方面与KCNQ1突变引起的LQTS1和KCNH2突变引起的LQTS2有较大的差异,LQTS3患者多表现出明显的静息心动过缓的症状,在慢心率时,QT间期延长表现较为明显[4]。CaM是一个由3个同源基因(CALM1、CALM2、CALM3)编码的Ca2+结合蛋白,任何一个基因突变都会引起严重的心血管疾病[5]。CaM与Ca2+结合后被激活参与调控L型钙离子通道(Cav1.2 通道)。CaM基因突变降低了其对Ca2+的亲和力,并且心脏的L型钙通道(Cav1.2)的生理生化性质也会被改变[5-7]。目前LQTS的治愈率很低,大多数患者在发病过程中离世,因此,LQTS的预防和治疗极为重要。本文就离子通道基因突变诱发LQTS的作用机制,以及目前临床上LQTS治疗现状进行综述,探讨LQTS可能的防治靶点,为未来新药研发提供一定的理论依据。

1 LQTS发病机制

1.1 钾离子通道与LQTS 延迟整流K+电流(IK)在心肌细胞的动作电位复极化中起着关键作用,其中包括IKr和IKs[8]。电压门控K+通道Kv7.1的α亚单位由KCNQ1编码,α亚单位与辅助作用的β亚单位KCNE1结合,形成功能性通道并产生缓慢激活的延迟整流K+电流(IKs),生理上随着交感神经的激活而增强,这种电流在心率增加时调节QT间期和保持心脏动作电位的正常持续时间非常重要[9-10]。KCNQ1基因缺失与LQTS1有关。KCNH2基因编码电压门控K+通道α亚单位Kv11.1,4个Kv11.1亚单位共同组成1个四元离子通道,能传导快速的延迟整流K+电流(IKr)。KCNH2基因突变与大约60%的LQTS2有关,并且主要与4种不同的分子机制相关,即转录或翻译异常、蛋白运输缺陷、通道门控异常、通道渗透性改变,导致离子通道活性丧失[11]。此外,通过基因分析,HERG基因的错义表达已经被确定为LQTS 2的显性突变基因,大多数HERG基因错义表达导致HERG蛋白运输障碍,因此,大量未成熟的HERG蛋白在内质网中累积[12],这与LQTS2的发生密切相关。

对于LQTS1,Kv7.1离子通道上有多个突变点,并且KCNE1上有超过36个突变位点[13]。D242N突变点位于Kv7.1 通道的S4跨膜段,其导致钾离子通道门控模式发生变化,但不影响通道离子运输功能。因为当KCNE1基因缺失时,D242N-Kv7.1的细胞表面靶向作用没有受到影响。在其他钾离子通道家族中,D242残基并不存在,表明D242在Kv7.1离子通道中具有独特的作用。D242N突变会使负电荷丢失,进而导致远端S4电荷失去平衡。有膜片钳实验表明,当D242N突变发生时,电压依赖性激活没有变化,但Kv7.1通道的电压依赖性失活明显减弱。然而,由于D242N-Kv7.1通道与KCNE1的结合,去极化电位发生变化,从而影响了膜电位上的IKs[13]。此外,KCNQ1突变导致的IKs减少可以由KCNQ1蛋白向细胞膜转运受损和膜上通道蛋白功能表达受损引起[14-16]。位于KCNQ1C末端结构域中4个α螺旋中的A和B螺旋的旁侧区的新型突变M437V,通过使通道蛋白的功能受损,减少了IKs并延长动作电位持续时间,这表明螺旋A和B区域突变影响KCNQ1介导的离子通道电流的传导性,但不影响KCNQ1蛋白向细胞膜的转运[17]。

对于LQTS2,KCNH2基因突变降低IKr,导致心室去极化到复极化的持续时间延长,临床上表现为心电图的QT间期延长。很多LQTS2与KCNH2基因突变有关[11],其中大部分是错义突变。大多数错义突变会引起IKr的减少,并且引起心脏动作电位复极化延长[18]。H1153Y-KCNH2错义突变发生在1 153位氨基酸上,组氨酸被酪氨酸所取代,这个残基位于蛋白质的C末端,参与Kv11.1亚单位的组成、转运和功能调节。Farrugia等[11]研究表明,H1153Y-KCNH2是一个功能缺失的突变,可以通过改变通道的一些特性引起HERG通道功能的丧失,进而降低了HERG电流密度,但不会引起Kv11.1通道的转运中断。

1.2 钙离子通道和钙调蛋白 Cav1.2通道负责运输Ca2+的α亚单位,包含4个相连的同源结构域,Domain I-IV,其中每个结构域包括6个跨膜段S1-S6。S1-S4跨膜段形成电压传感器域(Voltage sensor domain,VSD),其中位于S4上的精氨酸和赖氨酸残基可以充当电压传感器,膜电位的变化可以引起氨基酸残基位置的改变,进而控制了通道的开放或关闭。S5-S6跨膜段形成孔域(Pore domain,PD),它们之间的P环决定了钙通道对Ca2+的选择性运输[19]。Cav1.2 α亚单位与辅助亚单位β3和α2δ亚单位复合物作为一个大分子存在,可以调节通道的激活和失活。这3个亚基会经历Ca2+依赖性失活(Calcium-dependent inactivation,CDI),即在持续去极化状态下,钙通道的失活可以由内流的Ca2+促进[20],这使其能够调节钙离子向心肌细胞内的流入。当Cav1.2通道发生CACNA1C突变时,会使Ca2+内流增加,最终导致LQTS8[21],例如G1911R位点突变[22]。

L型钙离子通道主要在心肌细胞中表达,可精确地控制Ca2+进入细胞。正常心率所必需的CDI很重要,决定了心脏动作电位的持续时间。这种调节机制是由Ca2+传感器CaM决定的[23]。1个CaM与4个Ca2+结合后被激活(构象发生变化),发挥生物学功能,CaM/Ca2+复合物可以与目的蛋白结合,进而调控靶蛋白的活性。CaM基因突变会抑制CaM与Ca2+的结合,并且减弱Cav1.2钙通道的CDI作用,最终引起心脏功能紊乱,动作电位去极化延长。与LQTS有关的CaM突变位点有很多,例如,CALM1(E141G、F142L、D130V)、CALM2(D96V)等,其中E141G是目前发现的第一个既可以影响Cav1.2钙通道,又可以影响Nav1.5 钠通道的突变位点[5,24]。

1.3 钠离子通道与LQTS SCN5A负责编码电压门控钠离子通道Nav1.5的α亚基,参与调控钠离子内流(INa)、动作电位的起始、传导以及兴奋在心脏上的传导[4]。SCN5A基因突变影响通道功能。在功能获得型突变中,例如G213D位点突变使晚期的INa持续增加,而INa峰值不变,导致更多的Na+通过异常的通道门控模式进入心肌细胞内[25]。这在心电图上表现为QT间期延长,通常被认为是导致LQTS3的主要原因[4,26]。SCN5A功能缺失突变会导致INa峰值降低,使SCN5A表达水平降低或产生有功能缺陷的Nav1.5蛋白。一些SCN5A突变体可以同时导致晚期的INa增加和INa峰值降低,同时表现出功能获得型突变和功能丧失型突变的特征,如N406K突变。然而,与N406K相反,E1784K主要通过改变通道门控模式增加晚期INa和减少INa峰值[26]。

2 LQTS的临床诊断与治疗

2.1 LQTS的诊断

2.1.1 诊断依据 LQTS可以通过临床症状(晕厥、缺氧、心悸或心源性猝死等)和家族史,以及某些特定的检查,例如心电图、24小时Holter记录分析和运动压力测试等诊断[27]。此外,药物诱导性LQTS(Drug-induced LQTS,diLQTS)或获得性LQTS一般是由特定药物的服用、低钾血症或低镁血症等引起的[28]。diLQTS主要诊断特征是表面心电图QT间期延长并且可能会出现致命性尖端扭转性室性心律失常(Torsade de pointes,Tdp)。diLQTS通常是由药物阻断正常心脏复极的离子通道电流而诱发,其中,绝大多数引起diLQTS的药物(常见的药物有奎尼丁、丙吡胺及普鲁卡因胺等)是通过抑制由KCNH2基因编码的hERG钾通道致病的[29]。细胞外低钾通过影响钾通道的功能和表达以及与药物的亲和力,直接影响心脏的复极,进而降低IKr[28-29]。对于药物诱导的低镁血症患者,Mg2+的减少阻碍了K+内流,进而延长QTc并且促发室性心动过速(Ventricular tachycardia,VT)和心室颤动(Ventricular fibrillation,VF)等症状[30]。低钾血症和低镁血症是影响diLQTS的常见危险因素,能进一步推动QT间期的延长和Tdp的发生[29]。

2.1.2 基因筛查 在患者诊断为LQTS的可能性很大时,基因筛查可以增强对LQTS的生理检测和对患者的危险评估,为后续诊断和治疗提供精准的信息[31]。对于LQTS1患者,心脏事件更容易在交感神经兴奋时(如游泳、潜水等运动或处于情绪紧张状态)发生。正常状态下,交感神经兴奋可以激活IKs通道,从而加快心室复极化,缩短QT间期。因此,针对LQTS1患者,其携带的KCNQ1基因突变会使IKs缺陷,导致心室复极不能随着心率的增加而缩短,引发QT间期延长。对于LQTS2患者,室性心律失常发生在情绪激动或者有听觉刺激(如突然唤醒等)时,在睡眠和运动中很少见。部分女性在经期或产后易出现LQTS2心律失常。对于LQTS3患者,约65%的心脏事件发生在睡眠或休息时。心率越慢,QT间期越长,越容易发生心律失常。综上,约有90%的疾病相关的基因突变类型包含在这3种典型的LQTS致病基因中[31]。基因筛查可以通过家系调查、染色体单倍型连锁分析和基因突变位点筛查等方法进行[32]。

2.1.3 诊断流程 LQTS的诊断需结合患者的心电参数、临床病史和家族史进行综合鉴定,这3个方面信息构成了Schwartz评分标准。Schwartz评分≥3.5时,提示患LQTS的风险很大;评分<3.5且>1时,提示存在患LQTS的风险;评分≤1时,说明不存在患LQTS的风险[33]。在家族史中,同一个家族的成员不能被评估在2个风险类别中。诊断流程见图1。

图1 长QT综合征患者的诊断检查流程

2.2 LQTS的治疗 目前,治疗LQTS的主要方法包括非药物疗法和药物疗法(表1)。非药物疗法即改变生活方式,包括避免使用延长QT间期的药物,调整电解质平衡,充分补充富含K+、Mg2+等电解质的食物和液体,调整饮食稳定患者的新陈代谢功能以及避免剧烈运动等。健康的生活方式是LQTS防治的基石。此外,LQTS的治疗还包括左心交感神经切除术和植入式心律转复除颤器。治疗药物主要包括β受体阻滞剂、钠通道阻滞剂和电解质补充剂[34-35]。

表1 长QT综合征治疗方法、药物及适应证

LQTS患者治疗的基础药物是β受体阻滞剂,非选择性β受体阻滞剂纳多洛尔和普萘洛尔是最有效的[33]。在LQTS治疗专家共识的Ⅰ类推荐中,对无症状的QTc≥470 ms的患者和(或)曾经有发作晕厥或VF或VT症状的患者予以β受体阻滞剂治疗。对于QTc≤470 ms的无症状LQTS患者也建议进行β受体阻滞剂治疗(Ⅱa类推荐)[36]。但对于严重的LQTS,二者并不能达到很好的效果。一直以来,研究者对使用β受体阻滞剂预防LQTS3心脏事件的发生存在争议。基于作用机制,对于LQTS3患者,钠离子通道阻滞剂是更好的选择。美西律是非选择性的电压门控钠通道阻断剂,可以缩短LQTS3患者的QTc,并且显著减少心律失常事件的负担[27]。其他钠通道阻滞剂包括氟卡尼和雷诺嗪等也具有一定的疗效。

当β受体阻滞剂不耐受或者β受体阻滞剂治疗存在高风险或有ICD禁忌或拒绝该治疗的患者,可采用LCSD(Ⅰ类推荐)。LCSD对于β受体阻滞剂依从性差的患者效果显著,且作用效果持久。LCSD能阻止去甲肾上腺素的释放,在不损害心肌收缩力或降低心率的情况下提高心室颤动的阈值。然而,由于LCSD不是治愈性的治疗方法,不一定能防止猝死,对于高危患者建议植入ICD[37]。此外,对于采用β受体阻滞剂或ICD治疗后病情仍然继续发展的患者,也建议进行LCSD治疗(Ⅱa类推荐)[36]。根据Schwartz等[38]研究,在147例LQTS患者中,99%是高危患者,其中,48%的患者有过心脏骤停的症状,75%的患者接受过β受体阻滞剂治疗但仍然存在症状。在经过LCSD治疗后,有46%的患者无症状,每例患者每年发生心脏事件的次数减少了91%[39]。

ICD治疗不仅有利于快速终止室性心律失常,对VT患者的长期管理也有作用。对于恶性心律失常患者,ICD往往是最紧急且唯一的治疗选择,但其并发症往往会被忽略,例如气胸、感染、穿孔、电极脱位,甚至也可能导致心律失常的风险增加,一般与遗传倾向无关[40]。在HRS/EHRA/APHRS关于遗传性心律失常综合征患者的诊断和管理的专家共识中,ICD治疗主要针对心脏骤停后幸存的(I类推荐)或接受β受体阻滞剂治疗后仍反复发作晕厥(IIa类)的LQTS患者[39]。

LQTS患者应积极避免腹泻、呕吐、代谢或因为减肥饮食不平衡等状况可能出现的电解质异常[36]。LQTS患者(尤其是LQTS2患者)的血钾浓度需要维持在一个较高的水平。低钾血症是最常见的电解质异常,其定义为血浆K+浓度水平低于3.6 mM。患者在服用有心律失常风险药物后,血清K+变化会导致QT延长和Tdp发生。研究表明,对于高血压等慢性病患者,血清K+和Ca2+浓度的降低是导致QT延长的重要因素[29]。因此,当LQTS患者处于稳定期时,可以先服用足量的普萘洛尔,同时服用门冬氨酸钾镁或氯化钾等电解质补充剂[33-34]。LQTS的治疗策略如图2所示。

图2 LQTS的治疗策略注:LQTS:长QT综合征;VT:室性心动过速;VF:心室颤动;ICD:植入式心律转复除颤器;LCSD:左心交感神经切除术

3 结语

LQTS患病率约为1/2 500,临床表现多样,根据病因可分为遗传性与获得性2种,患者可能终身无症状,也可能在婴儿期或青少年期发生猝死。本文讨论的是遗传性LQTS,由于动作电位复极化受损、引起心律失常和猝死,不同的基因突变会引起不同的LQTS类型。随着对Cav1.2、KCNQ1、hERG、SCN5A的结构和功能的研究越来越深入,研究者对离子通道功能障碍与LQTS的关系有了更新的认识,推动了对LQTS发病机制的研究。本文综述离子通道基因突变诱发LQTS的作用机制,以及目前临床上LQTS治疗现状,概述离子通道基因突变与LQTS之间的关系,为LQTS的治疗和预防提供参考。