气管平滑肌细胞钾通道与麻醉药

【摘要】 气管平滑肌(airway smooth muscle，ASM)上主要分布有4种钾通道：钙激活性钾通道、电压依赖性钾通道、内向整流钾通道、ATP敏感性钾通道。钾通道参与调节ASM细胞的膜电位水平和兴奋性以及ASM的张力、气道反应性等多种生理功能。在手术麻醉期间可因病人的气道高反应性及麻醉药物等因素影响气道平滑肌 ( ASM) 的钾通道，从而对ASM的舒缩功能带来严重干扰。本文对ASM上的钾通道的基本特性及相关联的信号传导通路，麻醉药对钾通道的作用进行综述。

【关键词】 气管平滑肌细胞 ; 钾通道 ; BK Kv KATP

气管平滑肌中存在多种钾通道的分布，气管平滑肌细胞的自发性膜电位产生的离子流主要依赖于钾通道的开放，此自发性膜电位呈现慢波且不易转化成动作电位，钾通道开放时钾离子外流，导致细胞超极化，从而维持气管平滑肌细胞的静息电位水平，且有明显的电稳定性的特点。手术麻醉期间可因病人的气道高反应性及麻醉药物等因素影响气道平滑肌 ( ASM) 的钾通道，从而对ASM的舒缩功能带来严重干扰。麻醉医生在临床工作中，尤其是在对合并有呼吸道疾患、气道高反应性、哮喘病人施行麻醉时，或对急性肺损伤、肺部感染、ARDS等重症实行急救治疗时，都需对ASM钾通道的特征有进一步的了解和认识，提高麻醉安全性和获得最大治疗效果。本文就 ASM钾通道的特征及麻醉药物对钾通道的影响作一介绍。

1 ASM中的钾通道种类、生物学特征、生理功能及分布特点

钾通道的开关状态受跨膜电压、细胞内钙离子浓度及ATP浓度变化等多种因素的影响。ASM细胞(ASMC)的静息膜电位(Em)水平主要由其细胞内外K+的浓度差来决定，ASMC上的K+通道通过调节细胞膜上离子的通透性从而决定细胞的Em和兴奋阈值，进而调节ASM的张力大小、细胞兴奋去极后恢复、抑制ASMC的去极化倾向，如若K+通道受阻则ASMC的兴奋性随之增高。ASMC表面存在多种钾通道，目前已知至少存在钙激活钾通道(KCa)、电压依赖性延迟整流钾通道(Kv)及ATP敏感性钾通道(KATP)。

1.1 钙激活钾通道(KCa)

细胞内Ca+浓度的升高及膜的除极电位引起KCa的激活。根据电导值为10～14pS，目前还没有SKca存在于ASM上的直接证据，但SKca阻滞剂Apamin可抑制抗原诱导的豚鼠气道收缩，及降低离体牛支气管对Urodilatin的松弛反应，间接表明KCa的电导度的大小不同和功能上的差异将KCa分为大电导钙激活钾通道、中电导钙激活钾通道、小电导钙激活钾通道。小电导钙激活钾通道又称微电导钙激活钾通道(SKca)其ASM存在SKca，且对ASM具有调节作用。而大量研究表明大电导钙激活钾通道在ASM舒张时起到至关重要的作用，大电导钙激活钾通道亦称BK、BKca、MaxiK通道[2]。BK单通道电导值即为100～250pS(胞膜两侧对称性100mmol/L的KCL溶液)此高电导特性决定了BK作为一种重要的反馈机制调节电压依赖性钙通道。BK通道为一种四聚体结构，由形成孔道的α亚基和具有调节作用的β亚基组成，多为单孔道、六跨膜区域结构(S1～S6)[3]。

BK通道有电压依赖性和钙依赖性特点，生理条件下细胞内钙浓度增加或者膜的去极化均可激活BK通道，其中钙的浓度为10nmol/L～10umol/L的范围内均可以活该通道。BK通道将[Ca2+]i和膜电位这两种细胞信号形式偶联起来，在BK通道开放后诱发大量K+外流，使膜电位更负，可拮抗或终止去极化刺激，降低钙离子浓度升高而增高的兴奋性，此过程为负反馈机制，而使细胞膜复极化甚至超极化，维持阈电位水平，从而使气管平滑肌舒张。BK也可通过节前作用参与调节气道胆碱能神经递质的释放，而影响气管平滑肌张力。

1.2 电压依赖性延迟整流钾通道(Kv)

电压依赖性延迟整流钾通道(Kv)是在支气管平滑肌细胞上最先被研究的一大类钾离子通道，在参与气道平滑肌功能上起重要作用。Kv在对称性溶液中，单通道电导值约为10pS左右，当细胞去极化时Kv被激活，从而促进细胞复极化，稳定其兴奋性。Kv通道是由四个α亚单位和四个β亚单位构成的八聚体结构，Kv属于膜整合蛋白，现已在哺乳动物身上克隆出七十多种α亚单位，每个α亚单位由六个跨膜结构域构成，每个结构域包含一个信号转导孔区，为离子转导通路，此孔区为离子通道阻断剂特异性结合部位，其中S4段位电压感受器。β亚单位结合在α亚单位的胞浆面，β亚单位主要调节α亚单位的生物合成及其开放，调节通道的动力学，几个主要的β亚单位(Kvβ1，β2，β3)已被证实。

Kv具有电压依赖性，对膜去极化敏感，缓慢活化后产生一延迟外向整流钾电流，可为4-氨基吡啶(4-AP)选择性阻断。刘先胜等在大鼠支气管平滑肌上使用Kv阻断剂后，Kv活性受到抑制，平滑肌细胞发生去极化反应，致阈值降低，兴奋性升高从而诱发平滑肌产生浓度依赖性的肌源性收缩反应，提示Kv影响大鼠支气管平滑肌的静息张力或静息膜电位;且其进一步研究发现BK和Kv的开放可限制大鼠支气管平滑肌细胞的过度兴奋和收缩[4]。

1.3 ATP敏感性钾通道(KATP)

ATP敏感性钾通道(KATP)广泛存在于多种组织细胞中，而ASM上的KATP通道在调节ASM的张力上也起到较为重要的作用。KATP属于弱内向整流钾通道家族，KATP在对称性溶液中其单通道电导值为20pS～60pS。分布在细胞膜上的KATP称为细胞膜KATP ，分布在线粒体上的KATP称为线粒体敏感性钾通道(mitoKATP)。ASM中的mitoKATP属于内向整流钾通道总族(Kir)中的一族是由四个构成离子孔道的结构蛋白Kir6.2与四个调节亚单位磺脲类受体(SURS)共同形成的八聚体，mitoKATP通道对膜电位和气道收缩性也有一定的调节作用，使ASM松弛。赵建平[5]等的研究结果证实，mitoKATP开放剂diazoxide可以起哮喘大鼠ASMCs的mitoKATP通道的开放，而导致线粒体膜电位的去极化。

而细胞膜KATP也是由四个内向整流钾通道(Kir)和四个调节蛋白磺酰脲受体(SUR)组成的多聚体复合物，Kir包括Kir6.1和Kir6.2 ，二者之间有71%的相同氨基酸序列，其中Kir通道上的高度保守序列为H5带上的Gly-Tyr-Gly基序，此基序被认为是K+选择性的关键部位，SUR属于ATP结合蛋白家族，分为SUR1和SUR2，分别由不同的基因编码，SUR2又分为SUR2A和SUR2B ，SUR有三个疏水跨膜结构域TMD0、TMD1、TMD2，其各自又分别有5，5，6个跨膜区，其胞质侧有两个核酸结合襞，分别为NBF1位于TMD1和TMD2的绊环之间，NBF2位于羧基端[6]。Matsuo[7]等研究发现NBF1为不依赖于镁的高亲和力核苷酸结合位点，NBF2为细胞代谢的感受器，具有ATP酶活性。KATP在不同的组织上由不同的Kir和SUR组成，Isomoto认为气管平滑肌上的表达为Kir6.2和SUR2B。

1.4 ASM中钾通道的分布特点

ASM上的钾通道分布较为丰富，但是其钾通道各种类型的分布特点与多种因素有关。Snetkov[8]等发现ASM上的钾通道分布可能与细胞所在部位有关，钾通道在人类大、小气道中分布是有差别的，在大气道中发现ASM上的外向电流主要是由BK通道引起，而Kv只占30%左右。而小气道除有BK和Kv外，还检测到电压依赖性内向整流钾通道和非电压依赖性钾通道，这两种通道在大气道中未见分布。他还发现钾通道分布与细胞生长状态也有关，在新鲜分离的成人ASMC中仅检测到电导为200pS BK，而在培养状态下成人ASMC和新鲜分离的胎儿(12～18周)ASMC中不仅可检测到200pS BK，还可检测到150pS BK和100pS BK。钾通道分布可能还与周围环境及致敏状态有关，Waldron等观察致敏狗的ASMC钾通道的变化，其电压依赖性失活曲线在-40～-20mv电压范围内，K+外流减少，导致细胞去极化，使ASMC比正常状态下兴奋性更高，认为可能与Kv的表达有关。ASMC上钾通道分布还可能与种属差异有关。

2 调 控

目前BK通道相关的调控机制研究较多，如ASMC上的受体机制及cAMP、cGMP、PKA、PKG等多种信号途径参与该通路的活性调控。BK的活性受到来自植物神经β2受体和M受体的双重调节，二者分别通过偶联Gs或Gi，PKA活化，改变cAMP浓度，直接或间接调节BK通道的开放与关闭。心房肽(ANP)通过cGMP信号途径引起ASM舒张过程涉及到BK通道的活化。Sausbier，M.等研究在异丙肾上腺素介导的突变体大鼠气管平滑肌的舒张作用时cGMP信号通路有所上调，而cGMP蛋白激酶抑制剂可以重新恢复其对于碳酰胆碱的正常敏感性，cGMP信号通路的上调可以调节气管平滑肌细胞BK通道[11]。Christiana Dimitropoulou等研究发现雌激素能够抑制由类胆碱能介导的哮喘大鼠气管环收缩作用，它是通过NO-cGMP-PKG通路从而增加BKca通道的活性来起作用的[12]。

Kv通道的调控机制目前已知受PKC、PKA、PKG信号转导通路等多因素影响，程东军等研究发现，用被动致敏的人的气管平滑肌细胞(HASMCs)的Kv活性降低，可能与PKC活化后的直接作用及进而下调Kv表达有关[13]。Waldron等以狗ASM为对象，观察到PKC活化使Kv得外向钾电流显著减少，细胞因去极化而兴奋性明显升高。张永昶等对慢性吸烟大鼠支气管平滑肌细胞(BSMCs)研究发现，慢性吸烟可抑制大鼠BSMCs膜的Kv通道的电流，PKC活化后对正常大鼠的BSMCs有抑制作用，但对慢性吸烟大鼠的BSMCs则无作用[14]。程东军等在研究人的人的气管平滑肌细胞(HASMCs)时发现，活化PKA和PKG可以促进Kv1.5亚型的表达，抑制HASMCs的兴奋性，推测可能为这两条信号通路引起HASM舒张反应的作用机制之一[15]。

KATP具有轻度的电压依赖性，ASM上的KATP通道对维持细胞膜电位和产生复极或超极化电流也起到至关重要的作用，而KATP通道的调控机制也涉及多个方面，功能上KATP通道将细胞电活动与其代谢状态联系起来。正常状态下，KATP通道处于关闭状态，当细胞内ATP浓度降低和ADP浓度上升时可活化KATP通道，引起K+外流，使KATP通道开放。KATP作为细胞代谢感受器，反映细胞代谢静、动态的特征，调节活性细胞钾离子的渗透平衡和生物电活动。KATP通道活性受受体偶联G结合蛋白信号途径和磷脂肌醇-磷脂酶C的调节，其还可使KATP通道迅速的传导细胞外信号。β-受体激动剂、腺苷、降钙素基因相关肽等通过cAMP途径激活PKA开放KATP ，NO可能通过cGMP信号途径激活KATP通道 ，组胺、胆碱受体等可能通过PKC途径抑制KATP通道开放。

3 麻醉药物对ASM钾通道的作用

全身静脉麻醉药物氯胺酮具有很强的气管舒张作用，崔氵勇[14]等研究发现氯胺酮开放大鼠平滑肌细胞的KATP通道呈剂量依赖性，可能为其舒张气管的作用机制之一。陈岗[15]等观察不同浓度异丙酚对乙酰胆碱预处理离体气管条作用发现异丙酚舒张气管平滑肌作用与KATP通道密切相关。而吸入性麻醉药物异氟烷、七氟烷是强烈的支气管平滑肌舒张剂，但其对气管和支气管平滑肌上的钾通道都起着抑制作用，且对Kv的抑制作用大于KCa[16]。

4 结 语

通过对ASM上的各种钾通道的生物性状、生理功能及相关多种细胞内信号途径以及钾通道对于ASMC增殖和凋亡及其相关基因表达的影响的认识，有利于我们在临床工作中对于某些气道高反应性病人及呼吸道疾患病人的临床指导用药的选择。而在全麻诱导、气管插管时常可诱发支气管收缩痉挛，对哮喘、慢性阻塞性肺疾病等气道高反应性患者在实施全麻诱导或急救时，这种威胁常常致命，所以对于麻醉药物引起的气管平滑肌和支气管平滑肌舒缩效应的研究也有利于临床医生正确指导用药。对于某些呼吸道疾病患者和非呼吸道疾病患者存在气道高反应性的临床药物的研究和新药物的研发，拓展新思路和提供新方法亦有重要帮助。