来源：365心血管网
专家简介
吴林，男，北京大学第一医院主任医师，研究员，擅长各种心律失常及复杂心血管病的诊断与治疗。1999-2002年美国佛罗里达大学心内科做博士后工作。2002-2011年美国加州心血管病治疗研究所任研究员和资深研究员。通过了美国医师资格的三级考试，获得ECFMG认证及加州医师助理资质。发表学术论文50余篇，参与编写专业学术著作9部。在国际著名心血管病期刊上发表SCI英文论文20篇，受邀在美国心脏协会、美国心脏病学院、心脏节律协会等国际学术会议上做学术报告超过30次，获得美国专利一项，国家级科技进步奖两项，国家自然科学基金资助两项。现为美国心脏协会、心脏节律协会会员。
正常心脏舒张末期细胞外钙离子浓度比细胞内高约1000倍，分别是1.2 mM和10-3 mM。动作电位0相除极使膜电位降低到约-10mV时细胞膜电压依赖性L型钙通道开放，引发的钙内流是影响心肌兴奋和收缩耦联的关键因素。由于遗传性或获得性因素引起的细胞内钙异常和钙转运调节异常也可引起多种心律失常，这些与细胞内钙异常相关的室性心律失常通常病情严重、危及患者生命。β受体阻滞剂对与儿茶酚胺刺激相关的细胞内钙异常和心律失常有治疗作用且可能降低死亡率。目前临床对与细胞内钙异常相关心律失常的危险分层和治疗还有很多需要确定的问题。
一、细胞内的钙转运调节及其影响因素
1.正常心肌细胞的钙转运 在一个心动周期中，心脏的除极化过程激活心肌细胞膜上电压依赖性L型钙通道，产生内向钙电流（ICa,L），Ca2 进入细胞内，激活钙释放单位（calcium release units，CRUs），诱导肌浆网（sarcoplasma reticulum，SR）的钙释放通道—兰尼碱受体2（ryanodine receptor 2，RyR2）的开放，从而触发钙瞬变，这一机制称为“钙引起的钙释放”。肌浆网中释放出的大量钙离子与肌钙蛋白C结合，诱导肌球蛋白一系列变构过程，最终导致肌纤维收缩(图1-9 -1A)，这是心脏电活动和机械活动耦联的基本过程。其中，每个心动周期中参与钙释放的CRUs的数量是心脏收缩时钙瞬变幅度的一个重要调节因素。365医学网 转载请注明
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图1-9 -1. 生理情况下细胞内钙的来源和排除机制（A）；病理情况下细胞内钙异常与诱发心律失常的机制（B）。
在心脏舒张期，RyR2关闭并伴随肌浆网钙离子ATP酶（sarcoplasmic reticulum calcium ATPase，SERCA）的活化，将钙离子重新泵回肌浆网库中，以清除细胞内钙离子；终止钙瞬变的另一个机制是细胞膜上的钠-钙交换（Na-Ca exchanger，NCX），NCX每排出1个钙离子（两个正电荷）到细胞外，会将3个钠离子（3个正电荷）摄入细胞内。因此，NCX是不等价交换，通过净泵入一个正电荷而生成一个净内向去极化电流——瞬时内向电流（Iti）(图1-9 -1B)。在人类，SERCA和NCX可分别清除细胞内大约63％和37％的钙离子（图1-9 -1A）。在钙超载的情况下，如心力衰竭或RyR2发生遗传突变等，细胞内钙离子浓度增高，NCX对钙离子的清除作用增强，导致Iti增大，而且细胞内钙增高通过激活钙调蛋白激酶-II（CaMKII）等通路导致晚钠电流增大，后者降低了心肌细胞复极储备及增大复极离散度，导致心律失常发生的危险性增大（图1-9 -1B）。
2.β-肾上腺素刺激与细胞内钙转运 肾上腺素能神经刺激通过激动β肾上腺素能受体，对心肌的钙转运调节有重要的影响。β肾上腺素受体的激活可诱发一系列反应，导致钙转运调节系统关键组成部分的蛋白磷酸化。L型钙通道的磷酸化使内向钙电流强度增大，心肌受磷蛋白的磷酸化使其失去了抑制SERCA的作用，导致肌浆网钙离子重摄取增加，最终使肌浆网释放的钙离子数量增加。在生理条件下，这种反应在应对环境应激时可使心肌收缩力增强（图1-9 -2A）。
图1-9-2. β肾上腺素能刺激与细胞内钙异常、钙释放和心律失常发生的机制。
而在心脏疾病如心力衰竭等情况下，RyR2通道可能会长期过度磷酸化，通道开放几率增加，导致舒张期钙离子从肌浆网中释放增多，最终使肌浆网钙离子含量和瞬变幅度均降低，心肌收缩力下降、心功能失代偿。β肾上腺素的刺激在钙介导的心律失常发生及猝死的病理生理过程中发挥重要作用，至少部分是通过CaMKII介导的。β肾上腺素刺激主要通过两个途径激活CaMK-II：一是直接刺激；二是通过提高心率，促进CaMK-II自身磷酸化和激活，CaMK-II介导的磷酸化使ICa,L的幅度增高，并可解除SERCA上心脏受磷蛋白的抑制作用，从而使RyR2激活。ICa,L和SERCA的激活导致肌浆网钙离子含量增加，而RyR2的激活则降低了肌浆网的钙阈值。这些因素的共同作用促进自发性钙释放（SCR）的发生（图1-9 -2B），从而促发心律失常及引起心律失常性死亡。
二、细胞内钙调节异常导致心律失常的机制
儿茶酚胺刺激可触发肌浆网自发性释放钙离子，称为舒张期自发性钙释放（spontaneous calcium release，SCRs），这种机制是触发性心律失常的基本机制之一，钙离子先由病理性活化的CRU释放，然后弥散并激活邻近的CRUs，触发更多的钙离子释放，从而产生一个沿细胞传播的钙波。SCR引起钙波的概率受肌浆网钙离子含量和钙离子浓度之间平衡的影响，该平衡诱导钙离子从肌浆网中释放——即所谓的肌浆网钙阈值。 RyR2的功能在控制该阈值中发挥了关键作用。任何可增加RyR2开放的情况，如使用咖啡因，都会降低肌浆网钙阈值，因而易于诱发SCR。相反，减少RyR2开放的药物，如麻醉药盐酸丁卡因，则使肌浆网钙阈值增高，从而减少SCR的发生。
当发生SCR时，细胞浆中的钙离子浓度增高，而细胞必须激活相应机制以清除细胞浆内过多的钙离子，保持钙离子平衡，并重建生理性舒张期的钙离子水平。如前所述，钙离子排出质膜的一种机制是通过激活NCX，以1个钙离子交换3个钠离子，从而产生Iti。该电流在动作电位结束后可引发瞬时膜除极，即早期或延迟后除极（EAD和DAD），在细胞动作电位和心电图QT间期的逐搏变异性、T波异常及T波交替。当后去极幅度达到激活钠通道的电压阈值时，便生成一个“触发”动作电位，动作电位向整个心脏传播产生一次期外收缩的搏动。当这一系列反应反复发生，且多个DADs达到可以产生传播的动作电位的阈值后，便诱发了触发性连续性期外收缩活动，即心动过速，最终导致危及生命的心律失常。与钙异常相关的心律失常见表1-9 -1。
表1-9-1 与钙异常相关的心律失常
遗传性离子通道病
CPVT
Brugada综合征：L型钙通道基因突变10％~15％
短QT综合征：三个类型与L行钙通道功能改变有关
早复极综合征（J波综合征）：16％存在L型钙通道基因改变
Timothy综合征
特发性室颤
后天获得性钙离子调节异常
各种获得性钙离子调节异常
心肌缺血/心肌梗死或缺血后再灌注
心肌肥厚
充血性心力衰竭
可卡因、洋地黄
心肌病（DCM、ARVD）?
三、 与细胞内钙调节异常相关的遗传性离子通道病
1.儿茶酚胺敏感性多形性室速（catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia，CPVT） CPVT是一种遗传性钙离子通道病，其特点是肾上腺素刺激期间（运动或情绪高度紧张时）会发生危及生命的心律失常，常表现为典型的双向性室速（图1-9 -3A）。突出的特点是患者平时心电图完全正常，或仅有轻度的窦性心动过速和出现U波，因此难以筛查及进行预防，而在儿茶酚胺刺激下发生的心律失常病情严重，突出特征为双向性室性心动过速（图1-9 -3A）或多形性室性心动过速，当恶化为室颤时导致心脏骤停（图1-9 -3B），由其引起的晕厥需与其它原因晕厥（如癫痫和神经心源性晕厥等）相鉴别，临床应高度注意。
图1-9-3. 兰尼碱受体（RyR2)突变患者在运动中发生的双向性室性心动过速（A）及室性心动过速恶化为室颤时的心电图记录（B）。
现已发现CPVT有两种遗传形式。CPVT1型是一种常染色体显性疾病，由RyR2编码基因的突变所引起；CPVT2型表现为常染色体隐性，由集钙蛋白2（CASQ2）编码基因的突变引起。SCR是CPVT致心律失常的基本步骤，研究显示，引起CPVT的RyR2或CASQ2突变改变了RyR2功能，使β肾上腺素刺激期间容易发生SCRs，并导致触发活动和心律失常。
（1）CPVT中的RyR2突变（CPVT1）：RyR2通道是一个肌浆网膜上的同源四聚体，每个亚基由4967个氨基酸组成，并有一个很长的N端胞浆区，可与多种调节蛋白结合，包括FK506结合蛋白1B、RyR2稳定蛋白、PKA和CaMK-II。RyR2的C末端最后500个氨基酸围绕通道孔组成跨膜区，这些跨膜区使RyR2可以与调节性细胞内蛋白相互作用，如结合蛋白与三合蛋白。这两种蛋白可以调节RyR2功能，并介导RyR2和集钙蛋白2之间的相互作用。RyR2通道的开放和关闭（门控）调节是独特且复杂的，开放主要受胞浆和肌浆网内侧的钙离子浓度控制，任何一侧的钙离子浓度增加都使其易于开放。对于RyR2的失活机制，目前最认可的理论是由于肌浆网钙离子释放后导致肌浆网内钙离子水平下降造成的。
CPVT患者中确定的大多数RyR2突变导致功能增加（即钙敏感性增高），关于RyR2突变与肌浆网SCR相互关系的机制，至少存在三种主要假说：Marks等认为CPVT中发生的心律失常主要与突变诱导的FKBP1B和RyR2的亲和力降低有关，FKBP1B和RyR2的结合可稳定RyR2通道的关闭状态，并能降低其对细胞浆钙离子的敏感性。因此，在肾上腺素刺激时，RyR2的PKA磷酸化可促进其与FKBP1B的分离，使RyR2通道对钙离子的敏感性增高和通道的开放概率增加，导致钙离子从肌浆网中自发性释放，产生DAD，并发生心律失常；第二种假说将RyR2突变与CPVT中的心律失常联系起来，有些突变会改变RyR2对SR和细胞浆钙离子浓度的反应，在细胞浆钙离子水平较低时，RyR2通道也开放，被认为是功能增加，即通过降低肌浆网钙阈值，促发SCR，使DADs更易发生，这种机制被称为“储存超载诱导性钙离子释放”；第三种假说认为，有些RyR2突变会严重破坏RyR2的三维结构，RyR2中心和N端之间的紧密联系可以稳定通道的关闭状态，生理或药物刺激可以降低这些联系的强度，导致通道不稳定，即RyR2区域“粘性”（stickiness）下降，也称为“域解”（domain unzipping），影响RyR2中心区的RyR2突变可导致域解，并增强对钙离子的敏感性，因而促进SCR 和心律失常。
（2）CPVT中的集钙蛋白2突变（CPVT2型）：集钙蛋白2 （CASQ2）是一种由399个氨基酸组成的蛋白质，表达于肌浆网CRU水平处，作为一种高能肌浆网内钙离子的缓冲剂，调节RyR2的活性，它的缓冲功能使肌浆网在钙离子释放区附近储存大量的钙离子，从而保持游离钙离子浓度处于较低水平。CASQ2的N端和C端区域存在带有负电荷的氨基酸，需要带有正电荷的钙离子来中和其负电荷，并促进其聚合形成CASQ2多聚体。因此，在钙离子水平较低时（<0.6mmol/l），CASQ2以单体形式存在。然而，当钙离子水平位于0.6mmol/l和3.0mmol/l之间时，蛋白质通过N端相互作用开始形成二聚体。肌浆网内钙离子浓度的进一步提高（>3mmol/l）通过C端相互作用促进更多的结合，从而诱导形成CASQ2多聚体。
能诱发CPVT的患者常是CASQ2基因的纯合型或复合型杂合突变。对复合型杂合突变导致CPVT的患者的研究显示，CASQ2水平的降低是由于蛋白质降解的敏感性增高、聚合及缓冲能力减弱、与RyR2的结合减少以及对RyR2的调节缺失引起的，这些机制协同作用引发了SCR和DADs，而在肾上腺素能神经激发时，这一系列事件会进一步加重，最终诱发触发性心律失常。
2.L型钙通道病 心脏L型钙通道由一个成孔亚基α1、两个辅助亚基α2δ和β组成。其中，由CACNA1C基因编码的α1c亚型突变与心脏通道病有关。由CACNA2D1基因编码的α2δ亚基调节L型钙通道的激活和失活，α2δ亚基的缺失突变通过减慢钙通道的激活和失活，从而降低ICaL的幅度。β亚基在通道转运和ICaL失活调节中起重要作用，由CACNB2基因编码的β2亚型在心脏中的表达最丰富。目前已报告了可影响三个L型钙通道大分子复合体组分的编码基因 (CACNA1C、CACNB2和CACNA2D1)的25个突变，功能性研究提示这些突变具有功能缺失效应，与Brugada 综合征、短QT间期的Brugada 综合征、短QT综合征、早期复极综合征和无ECG异常的特发性室颤（VF，表1-9 -2）引起的心脏骤停有关。
表1-9-2. 与特发性VF和早期复极化有关的基因
基因
蛋白
功能效应
OMIM155 基因/位点编号
OMIM155 表型编号
KCNJ8
α亚基内向整流ATP敏感性钾通道 (Kir6.1)
IKATP：功能获得
600,935
NA
CACNA1C
α亚基心脏L型钙通道 (Cavα1c)
ICaL：功能缺失
114,205
NA
CACNB2
β2亚基心脏L型钙通道 (Cavβ2b)
ICaL：功能缺失
600,003
NA
CACNA2D1
α2δ1亚基心脏钙通道(Cavα2δ1)
ICaL：功能缺失
114,204
NA
SCN5A
α亚基心脏钠通道(Nav1.5)
INa：功能缺失
600,163
NA
（1）Brugada综合征：Brugada综合征是一种以右胸导联ST段“马鞍型”抬高为特征的遗传性心脏离子通道病，其中10％~30％由SCN5A突变所致，10％~15％由L型钙通道基因突变引起ICaL幅度降低引起。
对Brugada综合征患者ST段抬高与多形性室速之间的关系有两种假说。复极化假说认为，早期复极化电流（瞬时外向电流）相对于去极化电流（钠电流和钙电流）的优势，造成右心室流出道心外膜的动作电位顶部缺失和动作电位缩短，这个过程产生复极透壁离散度增大，导致ST段抬高，这种动作电位的异常分布导致心律失常的发生，即所谓的2相折返。去极化假说认为，心前区导联的ST段抬高是由右心室流出道传导速度减慢和延迟激活所致，传导速度减慢是折返和心律失常产生的基础之一。
（2）短QT综合征：短QT综合征是一种罕见的以QT间期缩短，和危及生命的室性心律失常为特征的遗传性心律失常综合征。遗传分析确定大约20％的患者存在基因突变。与短QT综合征有关的基因突变有6种，其中3种基因编码心肌细胞钾通道，并受功能获得性缺陷的影响。现已发现3个L型钙通道亚基的编码基因突变与短QT综合征有关。这些突变通过降低ICaL幅度，缩短动作电位时程和QT间期。动作电位缩短程度在心室壁层不一致，心外膜比心内膜和心肌中层细胞更明显，从而使复极透壁离散度增加，易于发生折返和多形性室速。
（3）早期复极综合征（J波综合征）：早期复极综合征是以J点抬高，QRS综合波终点伴有小J波为特征的一种综合征。最近的研究显示，这种ECG改变与死亡风险增加有关。在特发性VF患者中，这种早期复极的ECG表现在下壁导联或下壁外侧导联中极为常见。多种通道功能的突变与早期复极综合征相关的特发性室颤有关（表1-9-2）。L型钙通道的突变大约占了该病的16％。下壁导联出现早期复极型心电异常和心律失常的发生机制与Brugada综合征的复极化异常机制相类似，唯一的差别在于早期复极综合征发生在心外膜基底部，而不是右心室流出道。
（4）Timothy综合征（长QT综合征8型）：Timothy综合征（TS）是一种罕见的（全球报告的患者少于30例）多系统疾病，由CACNA1C基因突变所致，目前已发现4种突变类型，绝大多数TS患者携带1种突变。TS常具有致命性，并有家族遗传性，其典型心脏表现包括胎儿心动过缓、出生时QT间期明显延长（QT>500 ms）、标志性的T波交替及2:1房室传导阻滞。心外异常包括并指、面部畸形、自闭症、免疫缺陷和严重的低血糖。导致TS突变蛋白的体外功能鉴定显示，L型钙通道的电压依赖性失活出现障碍，导致持续性内向电流，延长心脏复极（即功能获得）。在心肌细胞，产生缓慢失活的钙电流，从而导致动作电位和QT间期延长，及钙超载。
四、与细胞内钙调节异常相关的后天获得性心律失常
与细胞内钙调节异常相关的后天获得性心律失常常见于以下情况：各种原因导致的儿茶酚胺过度刺激、心肌缺血/心肌梗塞或再灌注损伤、心肌肥厚、充血性心力衰竭、使用洋地黄等药物后。这些病理情况或通过促进细胞内钙释放，降低钙阈值，引起细胞内钙离子水平含量增加；或通过影响钙清除系统，导致钙摄取增加，最终使细胞内钙转运调节异常，发生钙相关性心律失常。
如前所述，各种原因导致的儿茶酚胺过度刺激时，β肾上腺素的激活可能通过促进PKA和CaMK-II的磷酸化，使ICaL的幅度增高，移除SERCA上心脏受磷蛋白的抑制作用，从而使RyR2激活。ICaL和SERCA的刺激导致肌浆网钙离子含量增加，而RyR2的激活则降低了肌浆网的钙阈值，两者共同作用促进SCR的发生，诱发DADs和心律失常。
一些后天获得性疾病，如慢性心力衰竭或心肌缺血、心肌梗塞或再灌注引起的损伤，也可以诱发SCRs，导致心律失常的发生。近几年的研究表明，CaMK-II在这些损伤导致细胞内钙超载，以及钙增高性心律失常的发生中发挥很重要的作用。线粒体内钙离子通过线粒体内膜钙离子单向传递体（mitochondrial Ca2 uniporter，MCU）进入细胞内是引发钙超载的关键步骤，CaMK-II是调节这一过程的重要信号分子。在缺血/再灌注损伤、心肌梗塞及心力衰竭时，CaMK-II被激活，继而通过增强IMCU电流，促进线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）开放，使大量钙离子进入细胞内引起钙超载。研究还发现，给予线粒体介导的CaMK-II抑制剂能够减弱IMCU电流，对抗缺血/再灌注损伤，预防心肌梗塞和心力衰竭，提示了CaMK-II在调节IMCU电流中的重要性。我们的研究表明，细胞内过多的钙离子又能够进一步通过激活CaMK-II（27％）和蛋白激酶C（62％）途径，增强延迟钠电流，导致细胞内钠离子浓度升高，此时NCX通过反向模式发挥作用，向细胞外转运钠离子，同时又将钙离子摄入细胞内，进一步加重了细胞内的钙超载，从而形成正反馈式的恶性循环，导致心肌电重构，和由延迟钠电流增大造成的动作电位时程延长和复极不均一性一起，诱发心律失常。
在钙离子相关性后天获得性心律失常的发生机制中，调节细胞内钙转运的因素均存在不同程度的异常。心脏缺血再灌注损伤通过激活RyR2，使肌浆网释放钙离子增多。心肌肥大时Sp1因子的过表达，以及心肌损伤时肿瘤坏死因子a、白介素-6等的释放增多都使SERCA2基因的转录下调。
五、与细胞内钙调节异常相关的心律失常的治疗
如前所述，细胞内钙调节异常与β肾上腺素的刺激关系明确，因而β受体阻滞剂对于各种钙相关性心律失常可能有效，在部分长QT综合征（特别是长QT综合征1型）也有良好疗效。β受体阻滞剂也可降低多种器质性心脏病合并恶性室性心律失常患者的猝死率，机制也可能与患者合并的心律失常与钙异常有关。终生服用β受体阻滞剂是CPVT的主要治疗手段，并可预防70-80％患者的心律失常和猝死。对于大多数单纯应用β受体阻滞剂难以治疗的CPVT患者，使用β受体阻滞剂和钠通道阻滞剂氟卡尼，可以有效预防心律失常的发生，氟卡尼抗心律失常作用的最重要的特性在于其能够阻断RyR2的活性。对于Brugada综合征患者，危险分层十分重要，因为高危患者唯一的有效预防猝死的治疗方法就是植入ICD。但也有报告指出，β肾上腺素激动剂异丙肾上腺素也可以抑制电风暴，而Ⅰ类抗心律失常药奎尼丁的长期使用能减轻Brugada综合征的ECG表现，预防VF的复发。奎尼丁和索托洛尔还能使一些短QT综合征患者的QT间期延长至正常范围。
六、总结
细胞内钙异常是多种遗传性离子通道病发生的基础，也是心力衰竭、心肌肥厚、心肌缺血/梗塞或再灌注损伤等多种获得性器质性心脏病合并心律失常发生的机制之一。β肾上腺素能刺激在钙调节异常所致心律失常机制中发挥了关键的作用，β受体阻滞剂对于治疗及预防部分这类心律失常有一定疗效，ICD植入可有效降低猝死率。对钙异常相关疾病的危险分层与治疗方法进行深入的研究具有极为重要的临床意义，可能用于指导治疗及改善预后。
