а) Структура и физиология. IKr образуется путем совместной сборки четырех порообразующих α-субъединиц (Kv11.1, кодируемой KCNH2) и β-субъединиц (MiRP1, кодируемой KCNE2). KCNH2, также известный как ген HERG, кодирует К-каналы. Ток, генерируемый каналами HERG, проявляет необычную зависимость от напряжения.
В отличие от IKs, IKr активируется быстрее (порядка 10 мсек) при деполяризации мембраны. Активация IKr происходит с резким сдвигом значения зависимости от напряжения и достигает половины своего максимального значения при напряжении на мембране приблизительно -20 мВ. Величина IKr увеличивается в соответствии с функцией Еm примерно до 0 мВ и уменьшается с более сильной деполяризацией (выше, чем 0 мВ), что приводит к отрицательной крутизне вольт-амперной зависимости.
Во время реполяризации IKr быстро восстанавливается после инактивации, там самым вызывая появление пикового тока при -40 мВ. Амплитуда хвостового тока при реполяризации превышает амплитуду тока при деполяризующем импульсе.
Необычная зависимость напряжения IKr является результатом быстрого, зависящего от напряжения процесса инактивации С/Р-типа, который ограничивает внешний поток К+ при положительных значениях напряжения. Во время реполяризации большой хвостовой ток от положительного напряжения является результатом быстрого восстановления инактивированных каналов в проводящее состояние. При реполяризации каналы HERG деактивируются (закрываются) посредством медленного, независимого от напряжения процесса (в отличие от процесса инактивации, зависящего от напряжения).
В отличие от большинства каналов Kv, каналы HERG обладают свойством внутреннего выпрямления. Выпрямление является свойством ионных каналов, позволяющим регулировать движение тока ионов предпочтительно в одном направлении или ограничивать движение тока в другом направлении. Другими словами, проводимость каналов, несущих такие токи, не постоянна, изменяется при различных значениях Em. Канал с внутренним выпрямлением — это канал, по которому ток (положительный заряд) легче проходит в клетку.
Это свойство имеет решающее значение для ограничения внешней проводимости для К+ во время фазы плато. В отличие от типичных каналов Kir, в которых выпрямление происходит из-за блокады пор канала внутриклеточными полиаминами, механизм внутреннего выпрямления HERG представляет собой очень быструю инактивацию, которая развивается при гораздо более отрицательных потенциалах (-85 мВ), чем активация (-20 мВ).
Инактивация каналов HERG напоминает инактивацию С/Р-типа других каналов Kv по чувствительности к катионам (включая К+ и Na+) и тетраэтиламмонию, а также к мутациям в сегменте Р. Тем не менее, стробирование отличается. Во-первых, инактивация канала происходит гораздо быстрее, чем активация, которая зависит от напряжения, что приводит к его характерному выпрямлению. Во-вторых, инактивация HERG демонстрирует внутреннюю зависимость от напряжения.
Подобно классической инактивации С/Р-типа, повышение концентрации внутриклеточного К+ замедляет инактивацию канала HERG С/Р-типа. Такой эффект, по-видимому, является результатом заполнения К+ фильтра селективности пор.
б) Функция. IKr представляет собой основной реполяризующий ток в конце фазы плато в большинстве клеток сердца, который играет важную роль в регулировании длительности потенциала действия и периода рефрактерности. IKr экспрессируется по-разному, на высоком уровне в эндокарде левого предсердия и желудочков.
IKr относительно быстро активируется при деполяризации мембраны и обеспечивает внешнюю диффузию К+ в соответствии с ее электрохимическим градиентом, но после этого инактивация, зависящая от напряжения, происходит очень быстро. Следовательно, только ограниченное число каналов остается в открытом состоянии, в то время как значительная их часть находится в непроводящем инактивированном состоянии. Быстрая инактивация, зависящая от напряжения, ограничивает исходящий ток ионов через канал при положительных напряжениях и, таким образом, помогает поддерживать фазу плато, которая контролирует сокращения и предотвращает преждевременное возбуждение.
Однако по мере того, как напряжение становится менее положительным в конце фазы плато реполяризации, каналы быстро восстанавливаются после инактивации, что приводит к постепенному увеличению амплитуды IKr во время фазы 2 и 3 потенциала действия, причем максимальный внешний ток возникает перед заключительной фазой снижения потенциала действия. Большой возрождающийся наружный ток IKr реполяризует мембранный потенциал. После этого канал медленно деактивируется (закрывается). Результирующий большой и переходный внешний ток значительно увеличивают текущую реполяризацию и делают HERG особенно подходящим для надежного управления фазой реполяризации.
Молекулярное строение сердечных K+-каналов. Указаны аминоконцы (N) и карбоксильные концы (С). (А) Управляемые напряжением (Кv), внутренний выпрямитель (Kir) и двухпористые α-субъединицы представляют собой интегральные мембранные белки с шестью, двумя и четырьмя межмембранными доменами. (Б) Эти α-субъединицы собираются в виде тетрамеров или димеров с образованием К+-селективных пор
в) Регуляция. β-Адренергическая симуляция и повышение внутриклеточных уровней цАМФ увеличивают амплитуду IKr за счет действия ПКА и прямого действия белков. α-Адренергическая стимуляция является ингибирующей. Совместная экспрессия HERG и β-субъединицы (KCNE1 или KCNE2) усиливает сдвиг напряжения, индуцированный цАМФ. Конечным результатом этих эффектов является снижение IKr.
Внеклеточный Na+ мощно ингибирует IKr, связываясь с внешней частью поры, а также ускоряет восстановление канала после инактивации. Ингибирующее действие Na+ значительно ослабляется физиологическими уровнями внеклеточного К+. Конкуренция с внешним К+ за участок связывания вблизи внешней поры объясняет то, что повышение внеклеточной концентрации К+ парадоксально усиливает IKr, несмотря на ослабление электрохимической движущей силы. Гипокалиемия, состояние при котором снижается проводимость К+, вызывает удлинение длительности потенциала действия.
Низкий уровень внеклеточного К+ ускоряет быструю инактивацию канала HERG и усиливает блокаду канала внеклеточным Na+].
г) Фармакология. IKr является мишенью для препаратов III класса группы ме-таносульфонилидов (альмокалант, дофетилид, Д-соталол, Е-4031, ибутилид и МК-499). Эти препараты производят блок каналов, который зависит от напряжения и использования, сокращают время их открытия и проявляют низкий уровень совместимости с закрытым, инактивированным состоянием каналов. Блокаторы IKr удлиняют длительность потенциала действия предсердий и желудочков (а также интервал QT) и рефрактерность при отсутствии значимых изменений скорости проводимости (интервалы АН, HV и PR не удлиняются). Хотя селективные блокаторы IKr и проявляют антиаритмические свойства против реципрокной аритмии, они, вероятно, не эффективны против триггерной активности или повышенного автоматизма сердца.
Селективные блокаторы IKr имеют ряд недостатков. Эти препараты имеют способность увеличивать потенциал действия в клетках волокон Пуркинье и миокарда, что более выражено в субэпикардиальных или субэндокардиальных клетках, что приводит к повышенной дисперсии реполяризации по стенке желудочка и, как следствие, к усилению аритмогенеза. Более того, выраженность действия этих препаратов усиливается с уменьшением частоты сердечных сокращений. Такая обратная частотно-зависимая природа IKr потенциально может привести к чрезмерному удлинению интервала QT во время брадикардии, потенциально вызывая пируэтную тахикардию, тогда как это удлинение гораздо менее выражено или даже отсутствует после β-адренергической стимуляции или во время устойчивой тахикардии.
Этот феномен ограничивает эффективность этих препаратов в купировании тахиаритмий, одновременно увеличивает риск тахикардии torsades de pointes при низкой частоте сердечных сокращений, как, например, при синусовом ритме после прекращения фибрилляции предсердий. Обратная зависимость от использования объясняется, по крайней мере частично, неполной деактивацией (накоплением) IKs во время повышенной частоты сердечных сокращений. Это приводит к прогрессивному увеличению амплитуды тока, что противодействует эффектам продления потенциала действия блокаторов IKr.
Азимилид блокирует IKr, IKs и ICaL, тогда как амиодарон проявляет сложный механизм действия, поскольку он блокирует INa, ICa, IKr, IKs, Ito и IKATP. Хинидин, агент класса IA, также блокирует IKr в концентрациях ниже, чем те, которые требуются для блокирования IKs, Ito и IK1.
Кроме того, каналы HERG демонстрируют необычную восприимчивость к блокаде различными лекарственными средствами в сравнении с другими зависимыми от напряжения К+-каналами. Все большее число препаратов с различными химическими структурами (включая некоторые антигистаминные, антипсихотические и антибиотики) снижают IKr, подавляя стробирование каналов HERG, задерживают реполяризацию желудочков, удлиняют интервал QT (приобретенный LQTS) и индуцируют тахикардию torsades de pointes. На самом деле почти все препараты, вызывающие приобретенные LQTS, нацелены на каналы HERG, вероятно, из-за уникальных структурных свойств, делающих этот канал необычайно восприимчивым к широкому спектру различных лекарств.
По сравнению с другими К+-каналами сердца, канал HERG имеет большое воронкообразное преддверие, которое позволяет многим мелким молекулам проходить и блокировать канал. Более просторная внутренняя полость является результатом отсутствия последовательности изгиба спирали S6 Про-Х-Про, которая, по-видимому, облегчает доступ лекарств к области пор с внутриклеточной стороны канала, блокируя прохождение тока через канал. Кроме того, канал HERG содержит два ароматических остатка, расположенных в домене S6, обращенном к преддверию канала (отсутствующих в большинстве других К+-каналов). Они обеспечивают наличие высокоаффинных сайтов связывания для широкого спектра структурно разнообразных соединений. Вспомогательная β-субъединица (MiRPl, кодируемая KCNE2) также определяет чувствительность канала к препарату.
Взаимодействие этих соединений с порой канала вызывает функциональное изменение его биофизических свойств и приводит к его закупорке, нарушению проникновения.
Один из недавно открытых механизмов действия приобретенных LQTS включает влияние соединений, препятствующих транспорту ионов с участием HERG (т.е. перемещению белка HERG из эндоплазматического ретикулума в клеточную мембрану), а не по принципу прямого блокирования поры. Эти соединения включают триоксид мышьяка, пентамидин, пробукол (терапевтическое соединение, снижающее уровень холестерина в крови) и сердечные гликозиды.
Некоторые препараты (альмокалант, норпропоксифен, азимилид, кандесартан и Е3174, активный метаболит лозартана) могут усиливать IKr. Флуфенамовая кислота и нифлуминовая кислота также увеличивают IKr, ускоряя открытие канала. Эти наблюдения предполагают существование возможности разработать новые открыватели IKr для лечения пациентов с врожденными (LQT2) или LQTS, индуцированными лекарственными средствами.
д) Наследственные каналопатии:
1. Синдром удлиненного интервала QT. Различные вариации LQTS с дисфункцией IKr включают LQT2 (вызванный мутациями, вызывающими потерю функции KCNH2 [HERG]) и LQT6 (вызванный мутациями KCNE2 [MiRPl]; см. табл. 3). LQT2 является вторым по распространенности типом LQTS. Более 200 предполагаемых болезнетворных мутаций было идентифицировано в KCNH2; большинство из них, по-видимому, нарушают созревание и транспорт α-субъединицы IKr (Kv11.1) в сарколемму, тем самым уменьшая количество функциональных ионных каналов на поверхности мембраны клетки.
Мутации, затрагивающие поровую область канала HERG, ассоциированы со значительно более тяжелым клиническим течением, чем непоровые мутации; большинство поровых мутаций являются миссенс-мутациями с доминирующим негативным эффектом. Ослабление IKr приводит к удлинению потенциала действия и интервала QT и потенциально может привести к ранней постдеполяризации (РПД) и тахикардии torsades de pointes.
Транспортировка некоторых мутантных каналов в сарколемму может быть восстановлена блокаторами каналов HERG (например, цизапридом, терфенадином, астемизолом, е-4031), даже когда фексофенадин восстанавливает мутантные каналы HERG в концентрациях, вызывающих блокировку каналов. Однако, поскольку блокаторы IKr не смогли предотвратить мутации, влекущие к дефектам транспорта ионов, можно сделать вывод, что в основе фармакологического нивелирования мутаций LQT2 лежит множество механизмов.
Проаритмия, индуцируемая состояниями, связанными со снижением IKr (приобретенные и врожденные LQTS), связана с чрезмерным удлинением длительности потенциала действия вблизи напряжений плато, особенно тех, которые благоприятствуют развитию ранней постдеполяризации. Это также связано с более выраженным удлинением длительности потенциала действия в клетках среднего миокарда, нежели чем в субэпикардиальных клетках или клетках субэндокарда желудочков, возможно, из-за относительного дефицита IKs и, следовательно, меньшего «резерва реполяризации» в клетках среднего миокарда. Таким образом, запущенная фокальная активность и повторный вход тока в клетках желудочков, связанный с повышенной гетерогенностью реполяризации в стенке желудочка, могут привести к развитию тахикардии torsades de pointes.
2. Синдром короткого интервала QT. Синдром короткого интервала QT (SQTS) — это редкое заболевание, связанное с короткими интервалами QT и повышенным риском развития фибрилляции предсердий и фибрилляции желудочков (ФЖ). Мутация, вызывающая усиление функционирования в KCNH2 (HERG), связана с синдромом короткого интервала QT типа 1 (SQT1). Мутация KCNH2 вызывает смещение вольт-амперной зависимости инактивации IKr в сторону более деполяризованных потенциалов (до +90 мВ) за пределы диапазона потенциала действия, что приводит к меньшему внутреннему выпрямлению при физиологических потенциалах и значительному увеличению IKr во время плато потенциала действия за счет величины реполяризующего хвостового тока.
В результате IKr, достигаемый измененным стробированием, ускоряет реполяризацию, тем самым сокращая продолжительность потенциала действия и облегчая повторный вход волны возбуждения для индуцирования предсердной и желудочковой аритмии.
3. Наследственная фибрилляция предсердий. Мутации в KCNE2 (MiRP1), ведущие к усилению функционирования, были обнаружены в двух семьях с фибрилляцией предсердий. Инфаркт миокарда может привести к снижению уровня мРНК Kv11.1 и IKr с последующим удлинением длительности потенциала действия. И наоборот, плотность IKr увеличивается в клетках волокон Пуркинье субэндокарда через 48 часов, что потенциально может усилить проаритмические эффекты блокаторов IKr у пациентов с инфарктом миокарда. Кроме того, при острой ишемии повышается IKr и сокращается продолжительность потенциала действия. Такие изменения могут быть аритмогенными. IKr не изменяется у пациентов с хронической фибрилляцией предсердий и однородно распределяется в поврежденном сердце у собак.
АТФ, полученный в результате гликолиза или окислительного фосфорилирования, имеет решающее значение для функции канала HERG. Как гипергликемия, так и гипогликемия угнетают IKr, что может вызывать удлинение интервала QT и желудочковые аритмии. При сахарном диабете уровни Kv11.1 снижаются. Это приводит к снижению IKr, что способствует удлинению интервала QT. Важно отметить, что инсулинотерапия восстанавливает функцию IKr и сокращает интервалы QT.
В отличие от большинства других токов К+, амплитуда IKr увеличивается при повышении внеклеточной концентрации К+ и уменьшается после удаления из системы внеклеточного К+. Повышение внеклеточной концентрации К+ снижает инактивацию С/Р-типа и увеличивает одноканальную проводимость каналов HERG. Это объясняет, почему длительность потенциала действия короче при более высоких внеклеточных концентрациях К+ и дольше при низких концентрациях, а также проясняет ассоциации между гипокалиемией, удлинением продолжительности потенциала действия и развитием тахикардии torsades de pointes у пациентов, получавших блокаторы IKr.
Однако умеренное повышение внеклеточной концентрации К+ при использовании добавок с К+ и спиронолактоном у пациентов, получающих блокаторы IKr или LQT2, значительно сокращает интервал QT и может предотвратить развитие тахикардии torsades de pointes. Кроме того, антиаритмическое действие блокаторов IKr может быть обращено вспять во время ишемии, которая часто сопровождается повышением внеклеточной концентрации К+ в узких межклеточных пространствах и скачками катехоламинов, возникающими при физической нагрузке или других видах деятельности, связанных с быстрым сердечным ритмом.
