浦肯野纤维与心律失常发生机制关系的研究进展

李怀娜(综述)，吴晓羽(审校)

(哈尔滨医科大学附属第一医院心血管内科，哈尔滨 150001)

浦肯野纤维与心律失常发生机制关系的研究进展

李怀娜△(综述)，吴晓羽※(审校)

(哈尔滨医科大学附属第一医院心血管内科，哈尔滨 150001)

浦肯野纤维受多种转录因子的调控，转录调节受损可致浦肯野纤维系统发育缺陷，从而导致其不能行使正常功能，促使心律失常的发生[1]。浦肯野纤维细胞间连接及其离子通道机制是保证心脏电冲动正常传导的基础，当细胞间连接及跨膜离子流发生变化时，浦肯野纤维系统电生理发生改变，从而导致心律失常[2]。现就浦肯野纤维系统的基因调控机制、细胞间连接及跨膜离子流的改变与心律失常的关系进行综述。

1心脏浦肯野纤维系统基因表达的调节与心律失常的关系

心脏传导系统的发育是一个复杂的生物学过程，这个过程的完成要经过一系列精细的加工，需要一系列转录因子的参与；传导系统的发育从中心传导系统开始，以周围的浦肯野纤维网结束；在心脏发育期间转录调节受损对心脏发育影响重大并且可致心律失常[1]。

1.1Nkx2.5脊椎动物心脏发育期间至少有5种Nkx2家族成员表达。 Pashmforoush等[3]研究显示，人类Nkx2.5基因突变可导致文氏型房室传导阻滞；而且在随后的心脏异常患者的基因筛选显示，Nkx2.5导致的心脏结构异常与传导系统疾病密切相关；研究人员证实Nkx2.5在具体的时间及剂量依赖条件下在外周传导系统即浦肯野纤维系统发育中的角色。Nkx2.5单倍剂量不足导致浦肯野纤维系统细胞结构变化[1]。Meysen等[4]证实，Nkx2.5+/-鼠中房室传导异常与发育不全的浦肯野纤维网相关，这些发育不全的浦肯野纤维网起因于出生后心肌细胞自发的缺陷及细胞变异。Guntheroth等[5]研究证实，Nkx2.5基因突变的家族可导致周期性文氏传导阻滞及心室肌致密化不全。

1.2Shox2Shox2是人类心脏伪染色体同源框基因，即Shox基因家族编码的细胞特定类型的转录因子，与细胞周期及细胞增殖密切相关；在人类胚胎发育期间，Shox2信使RNA在心脏及其他组织均表达；在鼠科动物心脏发育期间，Shox2 信使RNA表达延伸至整个窦房结区域及横跨心房纵轴的左右束支及静脉瓣，这构成了心脏传导系统发育的整个部分[6]。Liu等[7]研究表明，Shox2-/-鼠窦房结出现严重发育不全。到目前为止，研究者尚未发现人类Shox2基因突变与疾病的关系。但Shox2的表达途径与Nkx2.5相关，Shox2缺乏导致Nkx2.5异位表达，而且研究表明，在非洲爪哇蟾蜍Shox2抑制Nkx2.5的超表达[8]。Shox2在浓度依赖方式下抑制Nkx2.5的启动子激活，从而抑制浦肯野纤维网的发育缺陷。

1.3HopHop是唯一的同源结构域蛋白，也是已知最小的结构域蛋白；是由73个氨基酸构成的同源结构域蛋白，包含多个同源域，与其他的同源结构域蛋白不同，其不能与特定的DNA序列结合[9]。其在胚胎期心脏表达，并在成年心脏传导系统的发育中扮演重要角色[1]。在成年期Hop高表达于房室结、希氏束及左右束支；Hop-/-鼠可以活到成年而且似乎传导系统解剖结构可以保持正常(通过乙酰胆碱酶标记的免疫组织化学法标记)，但传导系统电生理作用被破坏，且这些Hop-/-鼠的体表心电图均显示异常(如电轴右偏、PR间期延长、QRS波增宽、长QT间期等)；电生理检查发现，在Hop-/-鼠间隔部希氏束-浦肯野纤维系统缺陷增加30%～50%[10]。因此，Hop蛋白在希氏浦肯野纤维系统高表达是正常外周传导系统功能所必需的。

1.4T-boxT-box (Tbx) 转录因子在胚胎发育期间发挥关键作用，它们以高度保守的T-box DNA结合位点为特征，且这些T-box基因均在特殊传导系统发育方面起到重要作用；多种T-box转录因子是心脏特殊传导系统的分化、分型及特殊性的重要调控因子。多种不同亚系的T-box转录因子共同表达而且彼此之间相互调节[11]。Tbx2表达有助于房室结及房室环路的形成[12]。在预激综合征中，其表现型归因于一种基因编码的腺苷一磷酸激活蛋白酶γ2调节亚基的突变；Tbx2依赖径路调节房室环的成熟也许是预激综合征候选基因的成熟来源[13]。Tbx3在心脏发育期间表达于窦房结、房室结、房室束、近端浦肯野纤维束[14]。Tbx3在高度剂量敏感的条件下对传导系统功能的发育、成熟以及稳态是必需的，Tbx3缺陷鼠可导致致死性心律失常[15]。Tbx18基因在人类突变尚未被确定。作为一个高度保守T-box转录因子家族的成员,Tbx5从多方面影响心血管系统的发育[1]。Tbx5基因突变在人类可出现心房-指-趾综合征，在心房-指-趾综合征的个体心律失常频繁发生(包括窦性心动过缓、不同程度的房室传导阻滞及心房颤动)[16]。心室传导系统的发育需要Tbx5和Nkx2.5的相互协同，而且它们的激活由Id2(一种编码双螺旋转录抑制子的基因家族成员)介导[17]。Id2信使RNA的表达影响鼠胚胎期的房室束及束支的发育，Atkinson等[18]通过定量基因检测及免疫组织化学的方法从信使RNA水平研究显示，右心室环路及大动脉后方结点高度表达Id2，Id2基因缺乏的新生及成年鼠心脏显示出室间传导延迟，包括左束支传导阻滞。

2心脏浦肯野纤维细胞间连接与心律失常发生的关系

心脏动作电位的传导需要通过细胞-细胞间的电偶联机制，这种偶联机制通过缝隙连接蛋白来完成；这些缝隙连接蛋白构成的电导提供细胞之间的相互交流，允许离子、营养物质、小分子代谢产物及多聚肽的相互交换，将2个细胞紧密联系到一起，完成细胞间的信息传递[19]。

2.1浦肯野纤维连接蛋白与心律失常发生机制的关系浦肯野细胞有较发达的缝隙连接，其表达两种连接蛋白(connexin，Cx)Cx40和Cx43；不同型的连接蛋白在浦肯野纤维系统不同部位的分布是不同的，在近端希氏束及束支有CX40表达，而在末端浦肯野纤维系统CX40和CX43同时存在[20]。研究表明，组织特异性去除CX43可导致心室传导减慢并可引起心律失常性猝死[21]。CX40基因缺陷的小鼠显示传导受损，出现左束支传导阻滞或右束支传导阻滞，这证实连接蛋白在浦肯野纤维系统的表达对有效的传导是非常重要的[22]。

2.2浦肯野纤维-心肌细胞交界处与心律失常发生机制的关系浦肯野纤维远端与心室肌细胞连接处称为浦肯野纤维-心肌交界，浦肯野纤维-心肌交界处的复极差异性被看作是心律失常形成的可能部位，部分是由于浦肯野纤维细胞和心室肌细胞的动作电位时程存在差异[23]。计算机模拟表明，浦肯野纤维细胞和心室肌细胞内部最高平台期电位的差异决定偶联处心室肌细胞动作电位的缩短和延长；最高平台期电位的差异使一股大的复极偶联电流流向心室肌细胞，导致L型钙离子电流的早期失活和内向整流电流的早期激活，因此1期复极的内在差异可能导致心内膜下浦肯野纤维-心肌交界网的动作电位时程缩短或延长的不同结果，使一些浦肯野纤维-心肌交界易于接受传来的异常刺激，此时其他浦肯野纤维-心肌交界却处于不应期,从而易导致心律失常[2]。Anter等[24]初次报道了特发性心室颤动的标测及消融，在所有案例中自发性心室颤动往往是由配对间期短的室性期前收缩引发，而这些室性期前收缩的触发点常在浦肯野系统被标记到，这些靶点消融后阵发性心室颤动便立即被终止。随后的研究发现，类似于心室颤动的紊乱性心律中，可以有起源于浦肯野纤维与心肌连接处的顺向折返 (心肌-浦肯野纤维)或者有逆向折返 (浦肯野纤维-心肌)转波引起[25]。目前认为机制可能是心室肌与浦肯野纤维的电生理特性不一致而造成局部传导不一致形成折返，从而导致心律失常。

3心脏浦肯野纤维细胞动作电位及跨膜离子流机制与心律失常的关系

浦肯野纤维是一种快反应自律细胞，其离子通道电流和功能与心肌细胞明显不同；与心室肌细胞相比，其动作电位时程长、传导速度快，且整个动作电位的幅度及0相最大除极速度明显高于心室肌细胞[26]。

3.1浦肯野纤维与心肌细胞离子通道的差异与心律失常0期快速去极化及动作电位幅值高使得动作电位在浦肯野纤维系统传导速度更快[26]。对兔动作电位的特点研究显示，其动作电位的特点在普通心肌与浦肯野纤维系统明显不同，这被认为是由于T型钙离子通道存在于浦肯野纤维细胞而不存在于心肌细胞，且在浦肯野纤维细胞钠离子通道密度增加，L型钙离子通道、快速激活延迟整流钾通道、缓慢激活延迟整流钾离子通道以及内向整流钾离子通道密度减少[27]。在兔及人类浦肯野纤维系统，这些离子电流密度的差异与离子通道信使RNA的表达水平相一致[28]。离子通道的构成与连接蛋白提供的高度偶联决定浦肯野纤维系统的高传导速度，这是心律失常发生的基础。

3.2浦肯野纤维特殊的动作电位时程与心律失常早期后除极发生在动作电位未完全复极化前的2期或3期，在早期后除极中反复发生的除极是由慢钠电流或L型钙离子通道开放导致的钙离子内流引起，当早期后除极的幅值达到邻近细胞的阈电位以后，可引起邻近细胞产生1个动作电位或一串动作电位，导致发生室性心律失常，是触发活动的另一种形式。由于动作电位时程长，浦肯野纤维细胞往往容易被某些药物诱导使其动作电位时程更长而发生早期后除极，出现危及生命的心律失常(如尖端扭转型室性心动过速)。心脏浦肯野细胞可产生自动去极化，与心脏舒张期浦肯野纤维细胞自动去极化有密切关系的离子通道包括起搏电流通道、T型钙离子通道、电压时间依赖性钾离子通道和电压时间依赖性钠离子通道。近期研究表明，钾离子通道编码蛋白6.1通道功能性突变导致钾离子外流异常可能是J波综合征的致病原因，同时也可能是早期后除极综合征或Brugada综合征中特发性心室颤动的原因[29]。在正常窦性心律期间，浦肯野纤维细胞的自律性受到窦房结的超速抑制，即被窦房结较快的心率主导，固有的较慢的心率受到抑制，这个过程导致钠离子内流增加，随后是钠钾泵激活导致超极化阻滞浦肯野纤维细胞的自动去极化[26]。但如果每次刺激时间间隔足够大(如窦性心动过缓)，钙离子就会自发地从肌质网释放出来，从而导致钙超载在浦肯野纤维细胞[30]。这些释放出来的钙离子通过钠钙交换被移出细胞内产生一个去极化的内向电流，从而导致延迟后除极；如果延迟后除极达到阈电位后可引起一个较早的动作电位，使浦肯野纤维系统引起异位起搏，则可导致室性心律失常[31]。但这种类型的异位起搏是不正常的，通常发生在浦肯野纤维细胞钙超载的情况下。研究显示，延迟后除极常发生在缺血性心脏病；而缺血后胞内钙超载的原因可能有：通过钠-钙交换体移出细胞的钙减少；肌质网重吸收钙减少；通过细胞膜向胞质内渗漏增多；由于胞内酸中毒从胞质和线粒体内的结合位点上释放的钙增多等[32]。

3.3浦肯野纤维静息电位的差异在心律失常发生机制中的作用浦肯野纤维的另外一个复杂性是其有2个水平的膜静息电位，它的产生和较低的内向整流钾离子通道密度及相应的内向整流钾离子通道编码蛋白2.1的低表达是一致的[33]。研究显示，犬的浦肯野纤维细胞的膜静息电位水平可以在两种水平的膜静息电位之间进行转换，其中一种静息电位约-90 mV，另一种约-50 mV；犬的浦肯野纤维细胞的这种功能是非常重要的，静息电位更负者其动作电位的上升支是钠离子依赖性的(传导速度快)，而另一种静息电位其动作电位的上升支是钙离子依赖性的(传导速度慢)；这两种静息电位其动作电位的传导差异在浦肯野纤维细胞形成闭合环路，传导速度慢的动作电位可引起折返，从而导致某些特发性室性心律失常和室性心动过速[20]。

4小结

浦肯野纤维系统传导受损在心律失常发生中发挥非常重要的作用。编码浦肯野纤维系统转录因子的某些基因发生突变会导致浦肯野纤维系统缺陷，这些缺陷导致其结构与功能的异常(如细胞间连接异常、离子通道异常等)。细胞间连接及离子通道共同决定浦肯野纤维系统的电生理特性，两者其中之一或同时发生异常时均可导致显著心律失常。

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摘要：浦肯野纤维是心脏传导系统的最后分支，在心内膜下交织成网，再通过特殊的连接方式与普通心室肌细胞相连，主要功能是迅速将电活动传导至整个心室。浦肯野纤维的结构及功能对心脏兴奋冲动的传导至关重要，其结构及功能发生变化可引起电冲动的传导异常，从而导致心律失常。目前，许多研究表明，浦肯野纤维细胞结构及功能在分子水平的改变(如基因调控异常、细胞间连接蛋白及跨膜离子流的改变)可导致心律失常。该文就浦肯野纤维与心律失常发生机制的研究进展予以综述。

关键词：浦肯野纤维；基因调控；细胞间连接；离子通道；心律失常

Research Progress of Relationship between Purkinje Fiber and the Mechanism of ArrhythmiaLIHuai-na，WUXiao-yu.(DepartmentofCardiovascularMedicine,theFirstAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity,Harbin150001，China)

Abstract:The Purkinje system forms the final portion of the cardiac conduction system connected with the ventricular myocardium via special junctions in the endocardium,which provides a rapid conduction pathway through the ventricles.The normal structure and function of Purkinje cells is essential for the propagation of cardiac impulse,since abnormal structure and function of Purkinje cells may cause abnormal conduction pathway and result in the occurrence of arrhythmias.Recently,many studies showed that the changes of structure and function of Purkinje cells including the abnormal gene regulation,abnormal connections and abnormal ion channels could result in arrhythmias.Here is to make a review of Purkinje cells in the mechanisms of arrhythmia.

Key words：Purkinje fiber; Gene regulation; Cell-cell connection; Ion channels; Arrhythmia

收稿日期：2014-03-31修回日期： 2014-09-11编辑：郑雪

基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11551265)；黑龙江省自然基金资助项目(D201058)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.06.005

中图分类号：R541. 75

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)06-0972-03