1、心律失常电生理基础、发生机制及药物作用靶点,药学院临床药学教研室 于锋,电生理基础,心肌细胞在静息状态时,细胞膜外为正电位,膜内为负电位,所形成的膜内外电位差称为静息膜电位。 维持静息膜电位稳定依靠电压依从性的钾外向电流、钠离子内向转运及钠-钾泵的主动运转。 心肌细胞在周期性的除极、复极过程中,膜电位产生系列变化,形成动作电位。 造成心律失常的基础是心肌细胞膜离子电流异常。,心肌细胞动作电位,心脏的正常功能需要不同部位的心肌细胞协调有序收缩。 通常心房内的心肌细胞收缩是由心房上部至下部,而心室的心肌细胞收缩是由心尖至心底部。 0相:快速除极期 由于钠通道激活开放,细胞外钠离子快速进入细胞内,形
2、成快钠内向电流(INa),使细胞内电位快速升高,从静息时-90 mV升至+40 mV。 0相电位的幅度和上升速度取决于钠通道开放数量,细胞膜内外钠离子浓度差和跨膜电位大小。,1相:早期复极期 在细胞除极过程中，膜电位的升高激活钙通道和瞬时外向钾离子流(Ito)，钠通道的失活, INa减少,钠离子快速内流停止,短暂的钾离子外流和氯离子内流使得膜电位下降,随之进入2相平台期。 2相:平台期 是动作电位最长的时期,当膜电位达到-55 mV时,激活L型钙离子通道,产生钙离子内流,维持膜电位在相对平衡的水平。L型钙离子流、钠离子流晚期成分是复极化离子流的主要成分。另外，至少有4种亚型的钾离子流在平台期发
3、挥作用。,3相:终末复极化的快速期 随着慢钙通道的失活,钙离子内流停止。钾离子外流增多,膜电位快速减低,完成快速复极过程。此期,除外向离子流外,内向整流钾离子流(IK1)也对复极起到一定的作用。 4相:静息期或舒张期 通过ATP酶钠-钾泵将钠离子排出细胞外；同时摄取钾离子进入细胞内，通过钠-钙交换,将细胞内钙离子排出细胞外，最终使细胞在除极复极过程中的离子变化恢复。 无自律性心肌细胞，4相膜电位稳定不变。 自律性心肌细胞，由于存在缓慢的钙离子内流，4相膜电位呈缓慢上升，达到阈电位后产生下一次除极。,心肌细胞动作电位的膜离子流,1.内向离子流 （1）INa: 快速Na+流。存在于快反应细胞,是引
4、起快反应细胞0期除极的内向电流(称第一内向电流)的离子基础。 钠通道由1个大的亚基和2个辅佐的亚基构成，离子通透性和门控部位位于亚基。亚基又由4个同源的结构域组成，分别为DD，每个结构域包括6个跨膜段,第4跨膜段(S4)有1个带正电的氨基酸，对跨膜电位起到电压感受器作用，第5和第6跨膜段之间的细胞外环陷入细胞，形成离子通道的孔区,称P环。,P环由10个氨基酸序列组成，如氨基酸序列出现突变则引起INa改变，细胞除极异常，如LQTS3型(LQT3)。 钠通道除对钠离子通透外，也对其他阳性金属离子通透,如钾、铯等，但对钠通透性与其他离子的比例是25:1，以钠离子为主。,(2)Isi: 缓慢内向电流，
5、也称第二内向电流。过去认为其是一种由慢通道控制的缓慢Ca2+流，故标志为ICa，其功能是构成快反应细胞的平台期和慢反应细胞的除极期。 目前认为，第二内向电流并不是单一的Ca2+流，而是由特性各异的3个组分构成：第一组分称ICaf,第二、三组分别称Is1. 2和ICas。,ICaf是一种快速Ca2+流，其通道激活和失活的速度远较已往所认为的要快得多。它融合于快反应细胞Na+内流的最后部分，共同形成动作电位升支上段，而对平台期的作用很小。它是慢反应细胞除极的离子基础。 ICas是一种较ICaf微弱而缓慢的Ca2+流，主要作用是维持快反应细胞平台期。 Is1. 2是第二内向电流第二组分，其离子性质不
6、甚清楚，可能是Na+-Ca2+交换的生电电流,故也称为INaCa，在平台期起作用；慢反应自律细胞4期自动除极晚期也有其作用。,心脏表达2种钙通道,分别称为L型和T型。两种通道均对钙有选择性通透，但它们并不是相同基因的产物。 L型钙通道激活的电压低，呈电压依赖性； T型钙通道激活的膜电位较高，失活更快。 钙通道是由IC、2和等多个亚基组成的复活体,目前对钙通道研究结果尚不完全统一。 (3)If超极化激活的非特异性内向离子流，主要由Na+携带，存在于自律细胞4期。If是决定普肯耶快反应自律起搏活动的主要负离子流，而在窦房结慢反应自律细胞起搏活动中，其作用不如IK明显。,2.外向离子流 (1)IK1
7、:内向整流离子流，存在于快反应细胞，是决定快反应工作细胞静息电位的离子流，并在复极2期和3期起复极作用。 (2)IK:钾延迟整流离子流。这种外向电流主要由K+携带，但也有Na+参加，故又称Ix。在快反应细胞复极3期起重要作用，故又称为复极电流，因而也决定着普肯耶细胞的最大复极电位；Ix也存在于慢反应自律细胞，促使膜复极，4期内呈进行性衰减，是形成4期除极的主要离子基础。心肌中IK至少分为3种，分别为超快(Iur)、快速(IKr)和缓慢型(IKs)。,(3)Ito:瞬间外向电子流，是快反应细胞1期复极的离子流，离子成分主要为K+，也有Na+参与。 电压依赖通道和内向整流通道的分子结构不同，前者与
8、钠通道的4个结构域之一相同，亚单位有6个跨膜段组成，分别命名为S1S6；S4每3个氨基酸带一个电荷，57个电荷规则排列，组成门控电压感受器。激活时S4向外移动使通道开放，S5和S6之间形成孔区或P环。 内向整流钾通道的结构在离子通道中最简单，它们有4个亚基，每1个亚基包含2个跨膜段和1个插入的P环。基因突变造成的钾离子通道的结构或功能异常与LQTS等分子遗传病有关。,(4)氯通道:氯离子流也属外向离子流。至今心脏中已发现3种氯通道: cAMP依赖性离子流、钙激活的离子流和肿胀诱导的离子流。,3.化学门控离子通道 化学门控离子通道的作用并不在于维持和产生正常跨膜电位，但对于心肌细胞活动的调节及异
9、常电活动的电生产有重要意义。 (1)乙酰胆碱控制的K+通道(IK-ACh)：早年曾认为ACh激活的是IK1，近年发现是通过G蛋白激活开放另一种与在生物物理学特性和生理学特性上均不相同的K+通道。,(2)ATP依从性K+通道(IK-ATP)：ATP的作用并不是分解供能激活此通道，而是维持此通道在正常情况下处于关闭状态。当心肌细胞内ATP降到临界水平以下时,此种特殊的K+通道开放。大量K+外漏以致缺血心肌细胞局部高钾而引起除极，诱发心律失常。硫脲类药物可阻断此通道。,(3)INa+-K+-Ca2+通道:是细胞内Ca2+增高时激活的一种非特异性正离子通道，载流离子是Na+和K+，形成一过性内向离子流
10、(Iti)。 Iti就是延迟后除极电位的离子基础。洋地黄中毒、低钾或低钠、咖啡因、儿茶酚胺均可引起细胞内Ca2+超负荷，诱发或加强Iti和延迟后除极电位。,快速性心律失常的发病机制,1988年的CAST临床试验 对心梗后一年内的患者,用抗心律失常作用最强的钠通道阻断剂氟卡胺及恩卡胺，病死率为4.5%，安慰剂组中的病死率1.2%，差别显著。 从而宣告：钠通道阻断剂对心室有病变者不宜使用。 由于钠通道阻断剂(1a和1c类抗心律失常药)使心室肌内的冲动传导减慢，造成快速性心律失常的折返机制,而导致病死。,大型临床试验SWORD(口服D-索他洛尔患者生存试验)的临床研究 结果显示：口服D-索他洛尔组1
11、372例,病死率为3.9%；而安慰剂组为1389例，死亡率2.0%，用药组病死率又一次高于安慰剂组 证明单纯性类抗心律失常药带给人们的是失望，这种失望的心态与阴影，至今尚未散去。,1. 折返性机制 心肌中存在缺血损害等疾病状态，冲动传导速度减慢“病变心脏复极过程不均一APD长短不一”，冲动遇到前方较长的不应期心肌冲动回到原来的点构成折返，折返性机制参与临床常见的快速性心律失常。 折返形成的基本条件为：心脏某处或多处单向阻滞；冲动在另一途径传导缓慢；阻滞部位远端心肌延迟激动；阻滞部位近端心肌再激动。心脏内不均匀的传导抑制，使邻近心肌的应激性和不应期极不一致时，局部心肌内可形成电生理性能显著不同的
12、两条传导途径。 药物的靶点在于阻断环形通路。临床施行射频消融术,将心室内壁点状损毁,可有效地中止室性心动过速,提示折返机制的环形通路的存在。,心律失常发生原理单向阻滞与折返,左上 浦顷野纤维分支与心室肌间折返 左下 心室肌内电生理性能分离形成局部折返 右上 房室结内纵形电生理性能分离所致折返 右下 心肌束内邻近纤维电生理性能分离所致折返,心律失常发生原理可能为折返环部位,1.右房内 窦房结心房交界；2.左房内；3.房室结内；4.经旁道房室折返；5.经希氏浦顷野系统束支折返；6.心室肌内,2 .非折返性机制 心肌一次兴奋后，经历动作电位的4个时相“如2相,钙通道激活而钙内流(ICa.L)过大,或
13、3相外向整流钾离子流(IKr,IKs)减小,使APD延长”在3相出现内向的去极化离子流,形成迟后去极(DADs),构成快速性心动过速的非折返性机制。,早期后除极与延迟后除极触发导致冲动发生异常（触发激动）,2 .非折返性机制 病变心肌中存在复极长度不均一，离散度增大，复极化过程中出现内向去极化离子流，它造成动作电位的延长，复极的延迟，致心律失常性强，而诱发尖端扭转性室速(Torsades de points,TDP），可恶化至VF。,心室壁的心外膜、中间肌层和心内膜动作电位的特点明显不同。 分离左室游离壁内、中、外三层心肌，以胶原酶按二步消化法分离兔心肌细胞。采用全细胞膜片钳记录AP和离子电流
14、。 (1) 中层细胞(M细胞)上的动作电位时程明显长于内膜下心肌和外膜下心肌，且存在显著的1相切迹和2相驼峰; (2) 可见三层心肌细胞上多种电流存在显著差异。中层细胞的ICa.L和 Ito较内、外膜下的大， IK.s相反。,Fig. The action potential of the cells in three layers of transmural left ventricle in rabbit. Epi, epicardium; M, midmyocardium; Endo, endocardium. Numbers of 1,2,3 express the amplitude
15、s of phases 0, 1 and 2 of the action potential respectively.,*P0.1 vs Epi, #P0.1 vs Endo,Table . Parameters of the action potential of cells in three layers of transmural left ventricle in rabbit (meanSD,n=10),动作电位时程差异主要是由于跨心肌壁的Ito的密度差异造成，对心律失常发生及治疗药物的选择有重要作用，如类抗心律失常药物对M细胞的时程延长作用更明显。 延迟整流钾离子流的缓慢成分(I
16、Ks)也存在跨心肌壁的分布不均匀，它在M细胞的密度最低，这种离子流差异可产生对神经递质和药物反应的跨壁差异。 动作电位形态和时程的差异还可产生2和3相明显的跨壁电位差，与某些病理状态下如长QT综合征(LQTS)、Brugada综合征时的心电图改变有关。,APD的长度取决于内向与外向离子流的平衡 可简化为下式:内向离子流上调(增大)，使APD延长。外向离子流下调(减少)，使APD延长，外向离子流上调(减少)，使APD缩短。,APD =,内向离子流(ICa.L),外向离子流的总和(IKr+IKs+Ito),心律失常的分子遗传学进展,遗传性心律失常主要包括两大类： 原发性心电疾病：为非器质性心脏病以
17、心律失常为主要特征的疾病,包括LQTS、Brugada综合征、特发性室性颤动(IVF)、儿茶酚胺介导的多形性室性心动过速(CPVT)、孤立性房性颤动，可能还包括遗传性心脏传导阻滞、婴儿猝死综合征、SQTS等。 致心律失常性心肌病 大多数原发性心电疾病均是由于编码各主要离子通道亚基的基因突变引起，因此这类疾病又统称为“通道病”。,1.LQTS 主要表现为反复发作的晕厥,甚至猝死。心电图以QT间期延长、尖端扭转型室性心动过速为特征。 获得性LQTS主要与电解质紊乱（低血钾低血钙）、某些药物应用、心动过缓、心肌缺血等原因引起。 遗传性LQTS： 即常染色体显性遗传的Romano-Ward综合征(RW
18、S) 常染色体隐性遗传的Jervell and Lange-Nielsen综合征(JLNS)，除心电图QT间期延长、心室颤动和晕厥、猝死外,可伴感觉性神经性耳聋。 遗传性及部分获得性LQTS与LQTS相关的基因突变有关。,2.Brugada综合征：是1992年新命名的疾病，以心脏结构正常，心电图V1V3导联呈ST段抬高，伴或不伴有右束支阻滞形态为特征。患者可因室性颤动(或CPVT)反复发生，晕厥或猝死发作的综合征。 心脏Na+通道SCN5A基因突变引起Na+通道功能改变呈失活型(功能丧失)，使Na+通道密度减少，促进失活，INa内流减少。,3.特发性室性颤动(IVF) 指在无明显心脏结构异常及
19、诱因下反复发作的CPV和室性颤动，主要发生于成人，平均年龄36岁。 IVF的发病机制尚不清楚，但已发现该病与SCN5A基因突变有关。Ia类抗心律失常药物可预防室性心动过速复发，但植入型室内除颤器是唯一有效的治疗方法。,4.儿茶酚胺介导的多形性室性心动过速(CPVT) 也是一种恶性室性心律失常，指运动或儿茶酚胺诱发的两种以上形态的室性心动过速，多呈双向或多向。 目前已证实改变与RyR2基因的错义突变有关，突变结果使RyR2通道释放的钙离子减少，通过反馈机制，细胞通过Ca2+-ATP酶泵再摄取更多的Ca2+进入细胞浆，造成室速。,5.SQT综合征 临床表现与LQTS类似，但心电图表现为QT缩短，成
20、人QT间期0.3 s是短QT综合征的主要特征。 短QT综合征可能与HERG基因的N588K突变有关，与引起LQT2突变机制相反，N588K基因突变导致IKr电流功能放大，引起复极相外向电流增加，QT缩短。 KCNQ1基因上的V307L突变也可导致QT缩短。,抗心律失常药物作用的靶点 HERG K+通道,1 HERG K+通道结构、门控机制及功能 HERG K+通道亚基由1 159个氨基酸组成，具有6个跨膜片段，S4为电压感受器，S5与S6间可形成选择性滤过的孔道。4个同源性HERG亚基组装形成IKr通道的亚基，能单独构成离子通道。 目前对于IKr通道亚基的分子鉴定尚有争议。,IKr通道的动力学
21、特点： IKr通道的开放时间非常短暂,而关闭的时间则相对较长。 IKr的失活主要是C-型失活(慢失活),是由通道胞外孔道口的构象发生变化所造成的。而大多数电压门控钾通道的失活通过N-型失活(快失活)机制,即“球-链”模型机制,IKr通道的内向整流特性与其C-型失活有关。 K+O增大时,外向K+流反而增加。 胞外高K+条件下,IKr的单通道电导变得更大些, K+O升高对激活过程则几乎无影响,但可调节失活过程,使失活的电压依赖性向去极化方向偏移,失活减慢,因此外向K+流增加。,IKr参与心肌细胞动作电位的复极化过程,对调节心肌细胞动作电位2相平台期的终止及3相复极化具有重要意义。 值得关注的是HE
22、RG K+通道还与细胞增殖、凋亡有关,但这些作用是否与心肌细胞功能或心律失常有关,目前尚不清楚。,2 HERG K+通道相关的心律失常 遗传性LQT综合征 HERG基因突变产生2型LQT综合征。 HERG基因缺失突变产生的异常亚基不能与正常亚基组装成IKr通道,从而导致功能性IKr通道数量减少; HERG错义突变产生的亚基与正常亚基组装成IKr通道时,包含单个突变亚基即表现为丧失功能的变异通道表型(即显性负作用机制),造成通道功能丧失; 由于基因突变,通道蛋白表达的数量和质量出现问题,蛋白转运定位障碍,合成的蛋白质滞留在内质网内,表现为表达数量不足,细胞膜通道减少。,获得性LQT综合征 主要表
23、现为复极过程和QT间期延长。这种复极异常易促发室性Tdp,导致晕厥和猝死。 抑制HERG K+通道电流是产生获得性LQT综合征致心律失常的主要原因。,遗传性SQT(shortQT)综合征 HERG K+通道的过度激活也可能导致心律失常。HERG基因功能增强性突变导致IKr增加,体表心电图QT间期缩短,同样易诱发心源性猝死。 突变体HERG-N588K引发SQT综合征在临床主要表现为阵发性心房颤动和室性心律失常,但其心脏结构正常。,应激介导的心律失常 生理因素和情绪应激反应可诱发心律失常,尤其是遗传性LQTS患者。运动和情绪的压力激活交感神经系统、兴奋心脏和受体,加重或诱发心律失常。 和受体可以
24、调节HERG通道,主要通过受体-cAMP-PKA和受体-DAG-PKC信号转导通路,HERG通道相应蛋白磷酸化,使通道激活曲线向去极化方向偏移,通道电流减少。 受体还可通过二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)的水解调节HERG通道电流。,受体还导致Ito和IK1抑制,1A受体通过PKC途径调控Ito,1D受体通过Ca2+/钙调素蛋白激酶II(CaMKII)调控IK1。因此,交感神经通过兴奋和受体导致心脏离子电流失衡,易诱发致命性心律失常。,糖尿病介导的心律失常 糖尿病患者存在明显的QT间期延长,成为致死性心律失常的重要原因 高血糖通过增加细胞内活性氧,导致HERG K+通道电流抑制是QT间期延长的主要
25、原因。 高血糖可能主要影响HERG K+通道的激活过程。 低血糖因ATP缺乏也可抑制HERG K+通道,导致QT间期延长。,心肌缺血介导的心律失常 心肌缺血则导致HERG K+通道功能增强 心肌缺血时溶血磷脂胆碱( lysophosphatidyl choline, LPC)明显增加,LPC对HERG K+通道具有明显的增强作用,主要影响HERGK+通道的失活过程,导致动作电位时程缩短,诱发缺血性心律失常,因此成为致死性心律失常的重要生物靶标。,3 药物与HERG K+通道相互作用机制 失活门依赖性作用 HERG K+通道的失活状态是HERG K+通道阻断剂共同的作用机制。 作用于HERG钾通
26、道的失活门,抑制HERG电流,而且其作用的强弱决定该药物的效能大小。突变型HERG S631A通道使HERG的C-型失活过程消失,药物的阻断作用削弱20300倍,证实这些药物作用于通道的失活状态。 多非利特(dofetilide)、奎尼丁(quinidine)、阿齐利特(azimilide)、RP58866、特非那定( terfenadine)、尼古丁(nicotine)等,负性使用或频率依赖性作用 大多数HERG K+通道阻断剂显现负性使用或频率依赖性,即在心率较快时,药物对HERG K+通道的抑制作用明显下降。 其分子机制可能与药物对关闭的通道的抑制程度有关。当心率较慢时,药物对HERG
27、K+通道的抑制作用增强,明显延长动作电位时程,导致大量Ca2+内流,可诱发早后除极(EAD),增加诱发尖端扭转型室性心动过速的危险。但胺碘酮等药物具有正性使用或频率依赖性,表现出有益的抗心律失常药物特性。,电压依赖性作用 普罗帕酮等一些低亲和力HERG K+通道阻断剂表现出电压依赖性作用机制,即在增加除极化电压时,抑制作用增强。其分子机制可能与Y652残基有关,因为HERG Y652突变使普罗帕酮等药物的电压依赖性作用消失。,细胞外酸化对药物作用的影响 心肌缺血导致细胞外酸化,细胞外酸化不仅影响HERG K+通道功能,也影响药物同HERG K+通道的相互作用,导致某些抗心律失常药物作用减弱。 酸化条件可加速多非利特对HERG的抑制作用：多非利特主要以亲水方式与HERG的S620位点结合在通道内侧,影响通道激活和失活状态。 酸化条件削弱奎尼丁和阿齐利特的抑制作用:奎尼丁和阿齐利特由于其中性特性决定只能以亲脂形式作用在通道外口,通道抑制作用明显低于多非利特。,
