丁紹祥

觸發(fā)活動致心律失常發(fā)生機制的探討

丁紹祥

觸發(fā)活動是臨床較常見的心律失常，盡管早后除極和遲后除極均可誘發(fā)，但其形成的離子流機制并不相同；且用傳統(tǒng)的單一細胞電紊亂來解釋持續(xù)性心律失常也過于牽強。從心肌電形成的離子流角度分析，于單個心肌細胞，早后除極無法解釋觸發(fā)活動復(fù)極離子流，而遲后除極無法解釋其除極離子流。由于觸發(fā)活動一般發(fā)生于病理條件下，心肌異質(zhì)性增大為心肌除復(fù)極非同步化提供了可能，易誘發(fā)2相折返、微折返或反折，進而為快速心律失常提供了基礎(chǔ)。

心律失常；觸發(fā)活動；后除極；離子流

觸發(fā)活動是Cranefield于1973年提出，指心肌繼一次正常動作電位之后的異常電活動，也稱后除極，分早后除極和遲后除極。常見于心肌局部兒茶酚胺濃度增高、心肌缺血-再灌注、低血鉀、高血鈣、洋地黃中毒等，主要與晚鈉電流增強及Ca2+超載相關(guān)[1]。目前認為后除極振幅增大達閾值，便可引起反復(fù)激動，持續(xù)反復(fù)激動即構(gòu)成快速心律失常[2]。但由于心肌電離子活動的微觀性無法直接觀測，其發(fā)生機制尚未完全清楚[3]。本文從心肌電離子角度，探討觸發(fā)活動可能的發(fā)生機制。

1 觸發(fā)活動的主要離子

心肌電活動是依賴細胞膜上離子通道介導(dǎo)相應(yīng)離子流動實現(xiàn)的，盡管其數(shù)量近80種之多，但按離子分類，目前只發(fā)現(xiàn)鈉、鉀、鈣和氯四種選擇性離子通道和瞬時受體電位（TRP）非選擇性陽離子通道。心肌細胞膜上鈉通道主要是NaV1.5，編碼基因為SCN5A，對河豚毒不敏感，由α亞單位和一個β輔助亞單位構(gòu)成。α亞單位含四組同源結(jié)構(gòu)域圍成孔道，每個結(jié)構(gòu)域由6個跨膜α螺旋組成，S4是電壓敏感器，S5、S6膜內(nèi)連接區(qū)稱P環(huán)或H環(huán)，圍在孔道內(nèi)調(diào)節(jié)離子通透性；β亞單位有助于保持Na+通道完整性[4]。NaV1.5結(jié)合蛋白包括錨蛋白、鈣調(diào)蛋白（CaM）和Ca2+/CaM依賴性蛋白激酶Ⅱ（CaMKⅡ）、Syntrophin連接蛋白及小窩蛋白等，其中CaM和CaMKⅡ與鈉通道調(diào)節(jié)相關(guān)[5]。鈉通道分快通道和慢通道，快通道失活區(qū)在通道的細胞膜內(nèi)面，有效部位是結(jié)構(gòu)域Ⅲ和Ⅳ之間的異亮氨酸-苯丙氨酸-甲硫氨酸基序，以失活門為基礎(chǔ)；慢通道以P環(huán)變化調(diào)節(jié)Na+通透性，以通道口為基礎(chǔ)。

心肌細胞鈣通道分L型和T型，前者屬于CaV1.2，是心肌細胞膜上Ca2+內(nèi)流主要通道，約75%分布在心肌細胞橫管上，余分布在膜上；后者屬于CaV3.1和CaV3.2。其構(gòu)成包括

α1、β、α2、δ和γ等亞單位，其中α1是主要亞單位，其表達異常易致心律失常[6]。ICa-L失活既依賴電壓變化，也依賴[Ca2+]i。高電位以電壓依賴性失活為主，但與Na+通道不同，其四個結(jié)構(gòu)域S6均可影響Ca2+通道失活，且控制失活結(jié)構(gòu)位于Ⅰ～Ⅱ內(nèi)環(huán)，Ⅲ～Ⅳ內(nèi)環(huán)起調(diào)節(jié)作用；低電位以[Ca2+]i依賴性失活為主，CaV1.2的N-端和C-端分別與CaM的N葉和C葉結(jié)合而失活。CaV1.2結(jié)合蛋白除CaM外，還包括CaMKⅡ和A激酶錨蛋白（AKAP）。CaMKⅡ使ICa單通道開放概率增加，電流增大[7]；AKAP主要與蛋白激酶A（PKA）結(jié)合使cAMP發(fā)揮最大效應(yīng)。

Ca2+調(diào)節(jié)包括Ca2+通道、Na+-Ca2+交換和肌質(zhì)網(wǎng)（SR）調(diào)控。肌質(zhì)網(wǎng)是細胞內(nèi)鈣庫，調(diào)控也最為重要。調(diào)節(jié)Ca2+出肌質(zhì)網(wǎng)的是Ryanodine受體2 （RyR2），為四聚體Ca2+釋放通道，其結(jié)合蛋白主要包括磷酸化后促使RyR 2開放的Calstabin 2蛋白，與Ca2+結(jié)合的Calsequestrin 2（CASQ 2）蛋白及相關(guān)整合蛋白等；進SR的是鈣泵，與骨骼肌不同，其表達基因為SERCA 2，后者為SERCA 1。SR鈣泵分為啟動區(qū)（A）、核苷酸結(jié)合區(qū)（N）及磷酸化區(qū)（P）三個結(jié)構(gòu)域；結(jié)合蛋白主要包括受磷蛋白（PLB）和肌脂蛋白（SLN）。磷酸化使PLB和SLN脫離鈣泵并解除抑制；高鈣使PLB脫離鈣泵，而對SLN無影響。Ca2+從CaV1.2進入胞內(nèi)，表現(xiàn)為小火花，激活RyR 2通道而釋放更多的Ca2+呈現(xiàn)為Ca2+火花，眾多的Ca2+火花形成鈣瞬變，完成生理功能后大多數(shù)被SR重新回收，少數(shù)被排出胞外。

2 早后除極的離子流變化

從早后除極發(fā)生時間分析，在動作電位2相和3相早期。正常條件下，此時快鈉通道已失活，而心肌受損時，CaMKⅡ功能增強，使鈉通道失活門關(guān)閉不全，加之慢鈉通道幾乎不失活，INa-L內(nèi)流增強[8]，但不可能介導(dǎo)大量Na+內(nèi)流而出現(xiàn)峰電位。動作電位中Cl-內(nèi)流主要是鈣依賴性的，其本身對動作電位影響不大，且相對陽離子而言，為外向電流。Ca2+是2相主要內(nèi)向陽離子，平臺期內(nèi)流減少主要與[Ca2+]i依賴性失活有關(guān)[9]，其通道結(jié)合蛋白主要包括CaM和CaMKⅡ，前者與Ca2+通道結(jié)合抑制Ca2+內(nèi)流，后者反之[10]。生理條件下，兩者均參與鈣通道調(diào)節(jié)，但后者于病理條件下活動增強不僅使Ca2+內(nèi)流增多，也引起晚鈉通道離子流增強[11]。同時，PKA使RyR2磷酸化加強，細胞內(nèi)Ca2+濃度進一步增高進而誘發(fā)心律失常[12]。因此，平臺期觸發(fā)鋒電位產(chǎn)生與鈣超載及鈣掌控異常相關(guān)，Na+內(nèi)流增多也參與心律失常形成[13]。研究發(fā)現(xiàn)，短時去極化刺激時Ca2+內(nèi)流增強是由CaMKⅡ引起[14]。

但早后除極后其復(fù)極又是何種離子，目前尚少見相關(guān)報道。在動作電位2相和3相早期主要復(fù)極電流是IK，包括緩慢延遲整流鉀電流（IKs）、快速延遲整流鉀電流（IKr），心房還包括超速延遲整流鉀電流（IKur）。但IK外流呈漸進性加強，為累積促進效應(yīng)的正反饋機制，若觸發(fā)活動復(fù)極是IK，則心肌動作電位2相或3相早期不可能出現(xiàn)持續(xù)性振蕩：因 [Ca2+]i依賴性失活致Ca2+內(nèi)流減少的同時，K+外流又增大，加速復(fù)極完成，不可能再有除極電流形成；瞬時外向鉀離子流（Ito）通道雖可能處于備用狀態(tài)，但該通道與ICa-L、IK通道均在細胞除極達-40 mV激活，因此，觸發(fā)活動本身復(fù)極不可能是Ito電流；至于Ca2+內(nèi)流增多激活鈣泵，使細胞內(nèi)過多Ca2+被泵出胞外也只是正常生理機制，且肌質(zhì)網(wǎng)對Ca2+攝取與ATP濃度有關(guān)，濃度高攝取增強，反之減低[15]。而觸發(fā)活動多伴心肌缺血、缺氧，能量供給不足，Ca2+泵出胞外或泵入肌質(zhì)網(wǎng)速度減慢，故由Ca2+內(nèi)流增加誘導(dǎo)鈣泵活性增強使早后除極后復(fù)極幾無可能。

合理的解釋為心肌細胞受損后Ca2+超載，于2相或3相早期除極的基礎(chǔ)上出現(xiàn)相應(yīng)心肌動作電位時程（APD）改變，由于這種改變的不均一性，進而影響心室肌復(fù)極同步性而誘發(fā)心肌電紊亂[16]?？梢岳斫獾氖?，微小區(qū)域內(nèi)，部分過早進入低常期細胞易被鄰近2相或3相早期高電位細胞所激動，而于被再次激動的細胞復(fù)極至2相或3相早期高電位時，原先復(fù)極相對延遲的細胞可進入低常期而被其先前所激動的細胞激動，反復(fù)易致2相折返，誘發(fā)嚴重心肌電紊亂[17]。

3 遲后除極的離子流變化

從遲后除極發(fā)生時間分析，應(yīng)在心肌復(fù)極末或即將復(fù)極完成，處于心肌動作電位低常期。除IK電流外，IK1通道于心肌復(fù)極至-60 mV激活，IK1電流增強，加速復(fù)極完成，且于心肌受損時，另一內(nèi)向整流K+外向電流IKATP也增強。因此，就單個細胞來說，此時任何內(nèi)向陽離子流均無法超越外向陽離子流，在沒有外來刺激干擾下，靠細胞自身離子流紊亂產(chǎn)生凈內(nèi)向電流幾無可能。但此期，Na+通道已基本恢復(fù)到備用狀態(tài)，只要有額外刺激逆轉(zhuǎn)細胞膜至-70 mV，Na+通道即可被激活。由于此時膜電位高于靜息電位，故低于閾刺激也可使心肌細胞再次除極。生理條件下，心臟有嚴格的保護機制，低常期持續(xù)時間短，心肌除復(fù)極同步化程度高，特別是心室有蒲肯野纖維，進一步嚴格心肌除復(fù)極同步化程度，不易出現(xiàn)心律失常。但在病理條件下，心肌缺血、缺氧，心肌異質(zhì)性增大，晚鈉電流增強，心肌興奮性和自律性均增高，心肌電傳導(dǎo)減慢，易致異位激動[18]；加之心室肌APD相對較長，心肌復(fù)極不同步風(fēng)險增大，則于微小區(qū)域內(nèi)可出現(xiàn)高電位與低常期并存進而誘發(fā)心律失常[19]。

動作電位完全復(fù)極后，細胞內(nèi)Ca2+超載，Na+-Ca2+交換致內(nèi)向電流增強而出現(xiàn)電位振蕩被認為是遲后除極，但它的發(fā)生與其前動作電位時間關(guān)系并不嚴謹，且這種心肌電紊亂不應(yīng)僅局限于其前動作電位的觸發(fā)，更多的是其前一系列心肌電紊亂累積效應(yīng)所致，且多合并有其他類型心律失常。心肌電在除極同步性下降的同時，又因峰值下降使電傳導(dǎo)減慢，甚至僅表現(xiàn)為局部興奮，這種除極的易化和傳導(dǎo)的減慢為細胞間除復(fù)極非同步化致心律失常提供了可能[20]。

在目前后除極理論中，心肌細胞被作為合胞體描述，用單一動作電位變化進行解釋，心律失常是心肌細胞自身離子流紊亂所觸發(fā)。這也就是說心肌細胞除復(fù)極是同步的，在早后除極可解釋觸發(fā)活動的起始，但不太可能會出現(xiàn)平臺期持續(xù)振蕩；而在遲后除極，也不可能出現(xiàn)R-on-T現(xiàn)象。因為T波是3相復(fù)極波，為K+外流正反饋所致，Ca2+通道此時逐漸失活，而晚鈉通道屬于慢通道，其內(nèi)流無論如何增強，也不可能在3相低常期超過K+外流。只有相鄰細胞的高電位可致R-on-T現(xiàn)象，包括異位激動和心肌細胞復(fù)極不同步，即與晚鈉電流增強及心肌細胞APD不均一性改變相關(guān)[21]。目前，選擇性晚鈉通道阻滯劑被認為是治療部分獲得性或先天性離子通道異常所致心律失常較理想藥物[22]。從離子流角度分析，早后除極主要與ICa-L紊亂有關(guān)[23]，而遲后除極更多的是與INa-L紊亂相關(guān)[24]。

4 結(jié)語

觸發(fā)活動致心律失常的根本原因在于紊亂的離子流擾亂了心肌除復(fù)極的同步性。損傷因素的存在易致心肌纖維化和心律失常[25]，破壞細胞膜完整性，改變膜內(nèi)外離子分布，降低其極性，減慢心肌傳導(dǎo)，為心律失常發(fā)生提供了可能。因此，其發(fā)生不僅限于鈉、鈣離子流紊亂[26]。心肌電活動的本質(zhì)是離子的流動，心肌細胞膜完整性及膜內(nèi)外離子分布和離子通道性狀決定細胞膜內(nèi)外離子變化。正常心肌細胞全體可被視為合胞體存在，其序貫激動使之成為有機的統(tǒng)一體，但這種存在的基礎(chǔ)是眾多心肌細胞在特定組織中的有機組合。心臟有序收縮本身就要求并規(guī)定了心肌內(nèi)、中、外三層異質(zhì)性的存在，雖這種異質(zhì)性是心臟為執(zhí)行其生理功能的優(yōu)化組合，但在心肌細胞受損或損傷因素誘導(dǎo)時，這種異質(zhì)性無疑會進一步增大，并可超越機體自身調(diào)節(jié)范圍，進而因心肌細胞之間電活動失調(diào)出現(xiàn)心律失常[27]。此時，心肌電活動不應(yīng)再被視為合胞體，心肌細胞獨立電活動增強及空間相互作用減弱，為除復(fù)極非同步性提供了可能。盡管臟器結(jié)構(gòu)是其功能的載體，心肌電重構(gòu)也只是其結(jié)構(gòu)重構(gòu)的微觀改變[28]，但一定臟器功能的執(zhí)行離不開與之相適應(yīng)的內(nèi)環(huán)境，內(nèi)環(huán)境匹配與否直接關(guān)系到相應(yīng)臟器功能的表達。后除極只是心肌結(jié)構(gòu)損傷和（或）內(nèi)環(huán)境紊亂誘導(dǎo)心肌電改變，早后除極主要與心肌復(fù)極非同步化相關(guān)，而遲后除極更多是與心肌除極非同步化相關(guān)。因此，探討后除極相應(yīng)離子改變，不僅利于對復(fù)雜心電圖分析，更重要是對相應(yīng)心律失常的理解和治療。

[1] Chang MG, Sato D, de Lange E, et al. Bi-stable wave propagation and early afterdepolarization-mediated cardiac arrhythmias. Heart Rhythm, 2012, 9: 115-122.

[2] Chang MG, Chang CY, de Lange E, et al. Dynamics of early afterdepolarization-mediated triggered activity in cardiac monolayers. Biophys J, 2012, 102: 2706-2714.

[3] Lascano EC, Said M, Vittone L, et al. Role of CaMKⅡ in post acidosis arrhythmias: a simulation study using a human myocyte model. J Mol Cell Cardiol, 2013, 60: 172-183.

[4] Liu Q, Jin Y, Wang K, et al. Study of the residues involved in the binding of β1 to β3 subunits in the sodium channel. C R Biol, 2014, 337: 73-77.

[5] Aiba T, Hesketh GG, Liu T, et al. Na+channel regulation by Ca2+/ calmodulin and Ca2+/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ in guinea-pig ventricular myocytes. Cardiovasc Res, 2010, 85: 454-463.

[6] 鄔松林, 唐世琪, 黃從新. 氯沙坦對自發(fā)性高血壓大鼠心肌細胞鈣電流影響的分子機制. 中國循環(huán)雜志, 2012, 27: 68-71.

[7] Hashambhoy YL, Winslow RL, Greenstein JL. CaMKⅡ-induced shift in modal gating explains L-type current facilityation:A modeling study. Biophys J, 2009, 96: 1770-1785.

[8] Wagner S, Ruff HM, Weber SL, et al. Reactive oxygen speciesactivated Ca2+/calmodulin kinaseⅡδ is required for late I（Na）augmentation leading to cellular Na and Ca overload. Circ Res, 2011, 108: 555-565.

[9] Dick IE, Tadross MR, Liang H, et al. A modular switch for spatial Ca2+selectivity in the calmodulin regulation of CaV channels. Nature, 2008, 451: 830-834.

[10] Erickson JR. Mechanisms of CaMKⅡ Activation in the Heart. Front Pharmacol, 2014, 5: 59.

[11] Fischer TH, Herting J, Tirilomis T, et al. Ca2+/calmodulin-dependent protein kinaseⅡand protein kinase A differentially regulate sarcoplasmic reticulum Ca2+leak in human cardiac pathology. Circulation, 2013, 128: 970-981.

[12] Marx SO, Marks AR. Dysfunctional ryanodine receptors in the heart: new insights into complex cardiovascular diseases. J Mol Cell Cardiol, 2013, 58: 225-231.

[13] Toischer K, Hartmann N, Wagner S, et al. Role of late sodium current as a potential arrhythmogenic mechanism in the progression of pressure-induced heart disease. J Mol Cell Cardiol, 2013, 61: 111-122.

[14] Bers DM, Grandi E. Calcium/calmodulin-dependent kinase II regulation of cardiac ion channels. J Cardiovasc Pharmacol, 2009, 54: 180-187.

[15] 劉泰槰. 心肌細胞離子通道和通道病研究進展. 第2版,北京:人民衛(wèi)生出版社, 2012: 285-287.

[16] Gurabi Z，Koncz I, Patocskai B, et al. Cellular mechanism underlying hypothermia-induced ventricular tachycardia/ventricular fibrillation in the setting of early repolarization and the protective effect of quinidine, cilostazol, and milrinone. Circ Arrhythm Electrophysiol, 2014, 7: 134-142.

[17] 丁紹祥. J波和2相折返形成離子流機制研究進展. 中國老年學(xué)雜志, 2012, 32: 2676-2678.

[18] Morotti S, Edwards AG, McCulloch AD, et al. A novel computational model of mouse myocyte electrophysiology to assess the synergy between Na+ loading and CaMKⅡ. J Physiol, 2014, 592（Pt 6）: 1181-1197.

[19] Hu RM, Tan BH, Orland KM, et al. Digenic inheritance novel mutations in SCN5a and SNTA1 increase late I（Na） contributing to LQT syndrome. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2013, 304: H994-H1001.

[20] 丁紹祥. 早復(fù)極發(fā)生機制的研究進展. 天津醫(yī)藥, 2012, 40: 1081-1084.

[21] Horvath B, Banyasz T, Jian Z, et al. Dynamics of the late Na（+）current during cardiac action potential and its contribution to afterdepolarizations. J Mol Cell Cardiol, 2013, 64: 59-68.

[22] Antzelevitch C, Nesterenko V, Shryock JC. The role of late I na in development of cardiac arrhythmias. Handb Exp Pharmacol, 2014, 221: 137-168.

[23] Chang MG, Chang CY, de Lange E, et al. Intracellular calcium dynamics, shortened action potential duration, and late-phase 3 early afterdepolarization in Langendorff-perfused rabbit ventricles. J Cardiovasc Electrophysiol, 2012, 23: 1364-1371.

[24] Sag CM, Mallwitz A, Wagner S, et al. Enhanced late INa induces proarrhythmogenic SR Ca leak in a CaMKII-dependent manner. J Mol Cell Cardiol, 2014, 76C: 94-105.

[25] Nguyen TP, Qu Z, Weiss JN. Cardiac fibrosis and arrhythmogenesis: The road to repair is paved with perils. J Mol Cell Cardiol, 2014, 70: 83-91.

[26] Maruyama M, Ai T, Chua SK, et al. Hypokalemia promotes late phase 3 early afterdepolarization and recurrent ventricular fibrillation during isoproterenol infusion in Langendorff perfused rabbit ventricles. Heart Rhythm, 2014, 11: 697-706.

[27] 王軍奎,于忠祥,崔長琮. 藥物致尖端扭轉(zhuǎn)型室性心動過速的發(fā)生機制. 南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報, 2013, 33: 1093-1096.

[28] 丁紹祥. 心房顫動時心房肌結(jié)構(gòu)重構(gòu)和電重構(gòu)的作用及意義. 中國循環(huán)雜志, 2014, 29: 155-157.

2014-05-26）

（編輯：許 菁）

810006 青海省西寧市，青海省康樂醫(yī)院 心內(nèi)科

丁紹祥 副主任醫(yī)師 碩士 研究方向：心臟起搏與電生理 Email:dingsx001@sina.com

R54

A

1000-3614（2015）04-0407-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2015.04.027