氣管平滑肌細胞鉀通道與麻醉藥

【摘要】 氣管平滑肌(airway smooth muscle，ASM)上主要分布有4種鉀通道：鈣激活性鉀通道、電壓依賴(lài)性鉀通道、內向整流鉀通道、ATP敏感性鉀通道。鉀通道參與調節ASM細胞的膜電位水平和興奮性以及ASM的張力、氣道反應性等多種生理功能。在手術(shù)麻醉期間可因病人的氣道高反應性及麻醉藥物等因素影響氣道平滑肌 ( ASM) 的鉀通道，從而對ASM的舒縮功能帶來(lái)嚴重干擾。本文對ASM上的鉀通道的基本特性及相關(guān)聯(lián)的信號傳導通路，麻醉藥對鉀通道的作用進(jìn)行綜述。

【關(guān)鍵詞】 氣管平滑肌細胞 ; 鉀通道 ; BK Kv KATP

氣管平滑肌中存在多種鉀通道的分布，氣管平滑肌細胞的自發(fā)性膜電位產(chǎn)生的離子流主要依賴(lài)于鉀通道的開(kāi)放，此自發(fā)性膜電位呈現慢波且不易轉化成動(dòng)作電位，鉀通道開(kāi)放時(shí)鉀離子外流，導致細胞超極化，從而維持氣管平滑肌細胞的靜息電位水平，且有明顯的電穩定性的特點(diǎn)。手術(shù)麻醉期間可因病人的氣道高反應性及麻醉藥物等因素影響氣道平滑肌 ( ASM) 的鉀通道，從而對ASM的舒縮功能帶來(lái)嚴重干擾。麻醉醫生在臨床工作中，尤其是在對合并有呼吸道疾患、氣道高反應性、哮喘病人施行麻醉時(shí)，或對急性肺損傷、肺部感染、ARDS等重癥實(shí)行急救治療時(shí)，都需對ASM鉀通道的特征有進(jìn)一步的了解和認識，提高麻醉安全性和獲得最大治療效果。本文就 ASM鉀通道的特征及麻醉藥物對鉀通道的影響作一介紹。

1 ASM中的鉀通道種類(lèi)、生物學(xué)特征、生理功能及分布特點(diǎn)

鉀通道的開(kāi)關(guān)狀態(tài)受跨膜電壓、細胞內鈣離子濃度及ATP濃度變化等多種因素的影響。ASM細胞(ASMC)的靜息膜電位(Em)水平主要由其細胞內外K+的濃度差來(lái)決定，ASMC上的K+通道通過(guò)調節細胞膜上離子的通透性從而決定細胞的Em和興奮閾值，進(jìn)而調節ASM的張力大小、細胞興奮去極后恢復、抑制ASMC的去極化傾向，如若K+通道受阻則ASMC的興奮性隨之增高。ASMC表面存在多種鉀通道，目前已知至少存在鈣激活鉀通道(KCa)、電壓依賴(lài)性延遲整流鉀通道(Kv)及ATP敏感性鉀通道(KATP)。

1.1 鈣激活鉀通道(KCa)

細胞內Ca+濃度的升高及膜的除極電位引起KCa的激活。根據電導值為10～14pS，目前還沒(méi)有SKca存在于A(yíng)SM上的直接證據，但SKca阻滯劑Apamin可抑制抗原誘導的豚鼠氣道收縮，及降低離體牛支氣管對Urodilatin的松弛反應，間接表明KCa的電導度的大小不同和功能上的差異將KCa分為大電導鈣激活鉀通道、中電導鈣激活鉀通道、小電導鈣激活鉀通道。小電導鈣激活鉀通道又稱(chēng)微電導鈣激活鉀通道(SKca)其ASM存在SKca，且對ASM具有調節作用。而大量研究表明大電導鈣激活鉀通道在A(yíng)SM舒張時(shí)起到至關(guān)重要的作用，大電導鈣激活鉀通道亦稱(chēng)BK、BKca、MaxiK通道[2]。BK單通道電導值即為100～250pS(胞膜兩側對稱(chēng)性100mmol/L的KCL溶液)此高電導特性決定了BK作為一種重要的反饋機制調節電壓依賴(lài)性鈣通道。BK通道為一種四聚體結構，由形成孔道的α亞基和具有調節作用的β亞基組成，多為單孔道、六跨膜區域結構(S1～S6)[3]。

BK通道有電壓依賴(lài)性和鈣依賴(lài)性特點(diǎn)，生理條件下細胞內鈣濃度增加或者膜的去極化均可激活BK通道，其中鈣的濃度為10nmol/L～10umol/L的范圍內均可以活該通道。BK通道將[Ca2+]i和膜電位這兩種細胞信號形式偶聯(lián)起來(lái)，在BK通道開(kāi)放后誘發(fā)大量K+外流，使膜電位更負，可拮抗或終止去極化刺激，降低鈣離子濃度升高而增高的興奮性，此過(guò)程為負反饋機制，而使細胞膜復極化甚至超極化，維持閾電位水平，從而使氣管平滑肌舒張。BK也可通過(guò)節前作用參與調節氣道膽堿能神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，而影響氣管平滑肌張力。

1.2 電壓依賴(lài)性延遲整流鉀通道(Kv)

電壓依賴(lài)性延遲整流鉀通道(Kv)是在支氣管平滑肌細胞上最先被研究的一大類(lèi)鉀離子通道，在參與氣道平滑肌功能上起重要作用。Kv在對稱(chēng)性溶液中，單通道電導值約為10pS左右，當細胞去極化時(shí)Kv被激活，從而促進(jìn)細胞復極化，穩定其興奮性。Kv通道是由四個(gè)α亞單位和四個(gè)β亞單位構成的八聚體結構，Kv屬于膜整合蛋白，現已在哺乳動(dòng)物身上克隆出七十多種α亞單位，每個(gè)α亞單位由六個(gè)跨膜結構域構成，每個(gè)結構域包含一個(gè)信號轉導孔區，為離子轉導通路，此孔區為離子通道阻斷劑特異性結合部位，其中S4段位電壓感受器。β亞單位結合在α亞單位的胞漿面，β亞單位主要調節α亞單位的生物合成及其開(kāi)放，調節通道的動(dòng)力學(xué)，幾個(gè)主要的β亞單位(Kvβ1，β2，β3)已被證實(shí)。

Kv具有電壓依賴(lài)性，對膜去極化敏感，緩慢活化后產(chǎn)生一延遲外向整流鉀電流，可為4-氨基吡啶(4-AP)選擇性阻斷。劉先勝等在大鼠支氣管平滑肌上使用Kv阻斷劑后，Kv活性受到抑制，平滑肌細胞發(fā)生去極化反應，致閾值降低，興奮性升高從而誘發(fā)平滑肌產(chǎn)生濃度依賴(lài)性的肌源性收縮反應，提示Kv影響大鼠支氣管平滑肌的靜息張力或靜息膜電位;且其進(jìn)一步研究發(fā)現BK和Kv的開(kāi)放可限制大鼠支氣管平滑肌細胞的過(guò)度興奮和收縮[4]。

1.3 ATP敏感性鉀通道(KATP)

ATP敏感性鉀通道(KATP)廣泛存在于多種組織細胞中，而ASM上的KATP通道在調節ASM的張力上也起到較為重要的作用。KATP屬于弱內向整流鉀通道家族，KATP在對稱(chēng)性溶液中其單通道電導值為20pS～60pS。分布在細胞膜上的KATP稱(chēng)為細胞膜KATP ，分布在線(xiàn)粒體上的KATP稱(chēng)為線(xiàn)粒體敏感性鉀通道(mitoKATP)。ASM中的mitoKATP屬于內向整流鉀通道總族(Kir)中的一族是由四個(gè)構成離子孔道的結構蛋白Kir6.2與四個(gè)調節亞單位磺脲類(lèi)受體(SURS)共同形成的八聚體，mitoKATP通道對膜電位和氣道收縮性也有一定的調節作用，使ASM松弛。趙建平[5]等的研究結果證實(shí)，mitoKATP開(kāi)放劑diazoxide可以起哮喘大鼠ASMCs的mitoKATP通道的開(kāi)放，而導致線(xiàn)粒體膜電位的去極化。

而細胞膜KATP也是由四個(gè)內向整流鉀通道(Kir)和四個(gè)調節蛋白磺酰脲受體(SUR)組成的多聚體復合物，Kir包括Kir6.1和Kir6.2 ，二者之間有71%的相同氨基酸序列，其中Kir通道上的高度保守序列為H5帶上的Gly-Tyr-Gly基序，此基序被認為是K+選擇性的關(guān)鍵部位，SUR屬于A(yíng)TP結合蛋白家族，分為SUR1和SUR2，分別由不同的基因編碼，SUR2又分為SUR2A和SUR2B ，SUR有三個(gè)疏水跨膜結構域TMD0、TMD1、TMD2，其各自又分別有5，5，6個(gè)跨膜區，其胞質(zhì)側有兩個(gè)核酸結合襞，分別為NBF1位于TMD1和TMD2的絆環(huán)之間，NBF2位于羧基端[6]。Matsuo[7]等研究發(fā)現NBF1為不依賴(lài)于鎂的高親和力核苷酸結合位點(diǎn)，NBF2為細胞代謝的感受器，具有ATP酶活性。KATP在不同的組織上由不同的Kir和SUR組成，Isomoto認為氣管平滑肌上的表達為Kir6.2和SUR2B。

1.4 ASM中鉀通道的分布特點(diǎn)

ASM上的鉀通道分布較為豐富，但是其鉀通道各種類(lèi)型的分布特點(diǎn)與多種因素有關(guān)。Snetkov[8]等發(fā)現ASM上的鉀通道分布可能與細胞所在部位有關(guān)，鉀通道在人類(lèi)大、小氣道中分布是有差別的，在大氣道中發(fā)現ASM上的外向電流主要是由BK通道引起，而Kv只占30%左右。而小氣道除有BK和Kv外，還檢測到電壓依賴(lài)性?xún)认蛘麾浲ǖ篮头请妷阂蕾?lài)性鉀通道，這兩種通道在大氣道中未見(jiàn)分布。他還發(fā)現鉀通道分布與細胞生長(cháng)狀態(tài)也有關(guān)，在新鮮分離的成人ASMC中僅檢測到電導為200pS BK，而在培養狀態(tài)下成人ASMC和新鮮分離的胎兒(12～18周)ASMC中不僅可檢測到200pS BK，還可檢測到150pS BK和100pS BK。鉀通道分布可能還與周?chē)h(huán)境及致敏狀態(tài)有關(guān)，Waldron等觀(guān)察致敏狗的ASMC鉀通道的變化，其電壓依賴(lài)性失活曲線(xiàn)在-40～-20mv電壓范圍內，K+外流減少，導致細胞去極化，使ASMC比正常狀態(tài)下興奮性更高，認為可能與Kv的表達有關(guān)。ASMC上鉀通道分布還可能與種屬差異有關(guān)。

2 調 控

目前BK通道相關(guān)的調控機制研究較多，如ASMC上的受體機制及cAMP、cGMP、PKA、PKG等多種信號途徑參與該通路的活性調控。BK的活性受到來(lái)自植物神經(jīng)β2受體和M受體的雙重調節，二者分別通過(guò)偶聯(lián)Gs或Gi，PKA活化，改變cAMP濃度，直接或間接調節BK通道的開(kāi)放與關(guān)閉。心房肽(ANP)通過(guò)cGMP信號途徑引起ASM舒張過(guò)程涉及到BK通道的活化。Sausbier，M.等研究在異丙腎上腺素介導的突變體大鼠氣管平滑肌的舒張作用時(shí)cGMP信號通路有所上調，而cGMP蛋白激酶抑制劑可以重新恢復其對于碳酰膽堿的正常敏感性，cGMP信號通路的上調可以調節氣管平滑肌細胞BK通道[11]。Christiana Dimitropoulou等研究發(fā)現雌激素能夠抑制由類(lèi)膽堿能介導的哮喘大鼠氣管環(huán)收縮作用，它是通過(guò)NO-cGMP-PKG通路從而增加BKca通道的活性來(lái)起作用的[12]。

Kv通道的調控機制目前已知受PKC、PKA、PKG信號轉導通路等多因素影響，程東軍等研究發(fā)現，用被動(dòng)致敏的人的氣管平滑肌細胞(HASMCs)的Kv活性降低，可能與PKC活化后的直接作用及進(jìn)而下調Kv表達有關(guān)[13]。Waldron等以狗ASM為對象，觀(guān)察到PKC活化使Kv得外向鉀電流顯著(zhù)減少，細胞因去極化而興奮性明顯升高。張永昶等對慢性吸煙大鼠支氣管平滑肌細胞(BSMCs)研究發(fā)現，慢性吸煙可抑制大鼠BSMCs膜的Kv通道的電流，PKC活化后對正常大鼠的BSMCs有抑制作用，但對慢性吸煙大鼠的BSMCs則無(wú)作用[14]。程東軍等在研究人的人的氣管平滑肌細胞(HASMCs)時(shí)發(fā)現，活化PKA和PKG可以促進(jìn)Kv1.5亞型的表達，抑制HASMCs的興奮性，推測可能為這兩條信號通路引起HASM舒張反應的作用機制之一[15]。

KATP具有輕度的電壓依賴(lài)性，ASM上的KATP通道對維持細胞膜電位和產(chǎn)生復極或超極化電流也起到至關(guān)重要的作用，而KATP通道的調控機制也涉及多個(gè)方面，功能上KATP通道將細胞電活動(dòng)與其代謝狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)。正常狀態(tài)下，KATP通道處于關(guān)閉狀態(tài)，當細胞內ATP濃度降低和ADP濃度上升時(shí)可活化KATP通道，引起K+外流，使KATP通道開(kāi)放。KATP作為細胞代謝感受器，反映細胞代謝靜、動(dòng)態(tài)的特征，調節活性細胞鉀離子的滲透平衡和生物電活動(dòng)。KATP通道活性受受體偶聯(lián)G結合蛋白信號途徑和磷脂肌醇-磷脂酶C的調節，其還可使KATP通道迅速的傳導細胞外信號。β-受體激動(dòng)劑、腺苷、降鈣素基因相關(guān)肽等通過(guò)cAMP途徑激活PKA開(kāi)放KATP ，NO可能通過(guò)cGMP信號途徑激活KATP通道 ，組胺、膽堿受體等可能通過(guò)PKC途徑抑制KATP通道開(kāi)放。

3 麻醉藥物對ASM鉀通道的作用

全身靜脈麻醉藥物氯胺酮具有很強的氣管舒張作用，崔氵勇[14]等研究發(fā)現氯胺酮開(kāi)放大鼠平滑肌細胞的KATP通道呈劑量依賴(lài)性，可能為其舒張氣管的作用機制之一。陳崗[15]等觀(guān)察不同濃度異丙酚對乙酰膽堿預處理離體氣管條作用發(fā)現異丙酚舒張氣管平滑肌作用與KATP通道密切相關(guān)。而吸入性麻醉藥物異氟烷、七氟烷是強烈的支氣管平滑肌舒張劑，但其對氣管和支氣管平滑肌上的鉀通道都起著(zhù)抑制作用，且對Kv的抑制作用大于KCa[16]。

4 結 語(yǔ)

通過(guò)對ASM上的各種鉀通道的生物性狀、生理功能及相關(guān)多種細胞內信號途徑以及鉀通道對于A(yíng)SMC增殖和凋亡及其相關(guān)基因表達的影響的認識，有利于我們在臨床工作中對于某些氣道高反應性病人及呼吸道疾患病人的臨床指導用藥的選擇。而在全麻誘導、氣管插管時(shí)?？烧T發(fā)支氣管收縮痙攣，對哮喘、慢性阻塞性肺疾病等氣道高反應性患者在實(shí)施全麻誘導或急救時(shí)，這種威脅常常致命，所以對于麻醉藥物引起的氣管平滑肌和支氣管平滑肌舒縮效應的研究也有利于臨床醫生正確指導用藥。對于某些呼吸道疾病患者和非呼吸道疾病患者存在氣道高反應性的臨床藥物的研究和新藥物的研發(fā)，拓展新思路和提供新方法亦有重要幫助。