а) Строение и физиология. Каналы Ito сердца представляют собой макромолекулярные белковые комплексы, включающие 4 порообразующие Kvα-субъединицы и множество вспомогательных β-субъединиц каналов Kv (см. рис. ниже).
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
Были описаны два основных типа Ito: (1) Ito1, генерируемый потенциал-зависимыми, Са2+-независимыми каналами Kv; (2) Ito2, генерируемый Са2+-активированными Cl--каналами. В миоцитах предсердий и желудочков человека наличие Ito2 четко не демонстрировалось.
Ito1 (который называется Ito) отображает два фенотипа с различной кинетикой восстановления: быстрый фенотип Ito (Ito,fast или Ito,f) и медленный фенотип (Ito,slow или Ito,s). Непостоянная природа Ito вторична по отношению к его быстрой активации (менее 10 мсек для Ito,f и Ito,s) и быстрой инактивации (от 25 до 80 мсек для Ito,f и от 80 до 200 мсек для Ito,s).
Однако, в то время как Ito,f быстро восстанавливается после инактивации (от 60 до 100 мсек), Ito,s восстанавливается медленно (порядка секунды).
Каналы Kv, опосредующие Ito,s, формируются путем совместной сборки четырех α-субъединиц из подсемейства Kv1.x (прежде всего Kv1.4, и, возможно, Kv1.7), в то время как опосредующие Ito,f образуются путем совместной сборки четырех α-субъединиц из подсемейства Kv4.х (в первую очередь Kv4.3 и, возможно, Kv4.2) (см. табл. 2).
Среди различных идентифицированных вспомогательных субъединиц решающую роль играет KChIP2 и потенциально MiRP2.
б) Функция. Ito — это важный реполяризующий ток, который частично реполяризует мембрану, формирует быструю (фаза 1) реполяризацию потенциала действия и устанавливает высоту начального плато (фаза 2). Таким образом, активность каналов Ito влияет на активацию потенциал-зависимых Са2+-каналов L-типа и на баланс внутренних и внешних токов во время фазы плато (в основном Са2+-ток L-типа [ICaL] и запаздывающий К+-ток выпрямителя), тем самым определяя длительность и амплитуду фазы 2.
Плотность Ito в стенке миокарда или в других областях сердца различна. В желудочках человека плотность Ito в эпикарде и среднем миокарде значительно выше, чем в эндокарде. Кроме того, Ito,f и Ito,s экспрессируются в миокарде не в равной степени, что способствует региональным неоднородностям потенциала действия.
Ito,f — основной подтип, встречающийся в предсердиях человека. Заметно более высокие плотности Ito,f, вместе с ультрабыстрым замедляющим К+-током выпрямителя, ускоряют раннюю фазу реполяризации и приводят к более низким потенциалам плато и более коротким потенциалам действия в предсердиях, в сравнении с желудочками. Из-за своей медленной кинетики восстановления Ito,s играет незначительную роль в реполяризации по сравнению с Ito,f особенно при ускоренном сердечном ритме.
Хотя Ito,f и Ito,s преимущественно встречаются в клетках желудочков сердца, Ito,f более выражен в эпикарде и среднем миокарде (предположительно в М-клетках), чем в эндокарде, тогда как Ito,s в основном присутствует в эндокарде и в клетках волокон Пуркинье. Эти регионарные различия ответственны за более короткую продолжительность фазы 1, а также за характерные морфологические изменения на ЭКГ эпикарда и среднего миокарда в виде «пиков и куполов», в отличие от потенциалов действия в эндокарде.
Заметная Ito-опосредованная борозда потенциала действия в эпикарде желудочков, но не в эндокарде, создает трансмуральный градиент напряжения во время ранней реполяризации желудочков, который регистрируется как волна J или точка J подъема на ЭКГ. Сообщается также, что плотность Ito в миоцитах правого желудочка выше, чем в миоцитах левого (среднего слоя и эпикарда) желудочка, что отражается в более выраженной на ЭКГ пико-куполообразной формой рисунка, графически изображающего потенциал действия правого желудочка, по сравнению с левым, особенно в эпикарде.
Кроме того, вариабельность сердечной реполяризации, связанная с регионарными различиями Ito, влияет на внутриклеточный ток Са2+, модулируя вход Са2+ через ICaL и Na+/Са2+-обменник, тем самым регулируя связь возбуждение-сокращение и региональную модуляцию сократительной способности миокарда, следовательно, синхронизируя время генерации силы между различными областями желудочков и повышая механическую эффективность.
в) Регуляция. Ito — каналы подвержены α- и β-адренергической регуляции. α-адренергическая стимуляция снижает Ito; β-адренергическая стимуляция, по-видимому, противодействует α-адренергической, по крайней мере частично. Эффекты α- и β-адренергической стимуляции проявляются путем фосфорилирования α-субъединиц Kv1.4, Kv4.2 и Kv4.3 с помощью ПКА, а также ПКС. Также было показано, что кальмодулин-зависимая киназа II участвует в усилении Ito.
Адренергическая стимуляция также является важным фактором, определяющим временное подавление регуляции наружного канала при заболеваниях сердца. Постоянная α-адренергическая и ангиотензин II стимуляция снижают экспрессию канала Ito, что обусловливает снижение активности работы этих каналов при многих хронических заболеваниях сердца.
KChIP2 при коэкспрессии с Kv4.3 увеличивает поверхностную плотность каналов и амплитуду тока, замедляет инактивацию каналов и после этого заметно ускоряет их восстановление. В эпикарде желудочка мРНК KChIP2 в 25 раз больше, чем в эндокарде. Этот градиент прямо пропорционален градиенту экспрессии Ito, в свою очередь мРНК Kv4.3 экспрессируется в равной степени по всей стенке желудочка. Таким образом, экспрессия Ito в стенке желудочка регулируется транскрипцией гена KChIP2.
Исследования показали, что MiRP2 необходим для нормального функционирования каналов Ito,f и что мутации в MiRP2, ведущие к повышению активности их функционирования, предрасполагают к синдрому Бругада путем увеличения Ito,f
Ito сильно зависит от скорости. При очень высокой частоте сердечных сокращений Ito не восстанавливается после предыдущей инактивации; снижение Ito приводит к тахикардии, на ЭКГ это отображается в уменьшении величины волны J. Следовательно, резкие изменения скорости тока ионов или паузы их течения имеют важные последствия для ранней реполяризации мембраны.
Ito может быть усилен старением, низкой симпатической активностью, высокой парасимпатической активностью, брадикардией, гипотермией и лекарственными средствами. Эстроген подавляет экспрессию канала Kv4.3 и приводит к снижению Ito, что отображается на ЭКГ появлением неглубокого зубца в фазе 1.
Зубец в фазе 1 потенциала действия модулирует кинетику более медленных активирующих ионных токов и, следовательно, более поздних фаз потенциала действия. Первоначальное увеличение ПД в фазу 1 способствует задержке реполяризации, предположительно посредством сдерживания пикового ICaL, что на ЭКГ отображается куполообразным зубцом. Однако дальнейшее усиление ПД в фазу 1 предотвращает подъем купола фазы 2 и сокращает длительность потенциала действия, предположительно путем деактивации или модуляции напряжения, что снижает ICaL.
Таким образом, прогрессирующее углубление зубца в фазу 1 может повлиять на начальное усиление ПД, за которым следует внезапное исчезновение куполообразного зубца фазы 2, его удлинение и последующее сокращение продолжительности потенциала действия. С другой стороны, модуляторы, уменьшающие Ito, приводят к сдвигу плато в сторону положительных значений ПД, тем самым усиливая активацию запаздывающих выпрямительных токов, способствуя более быстрой реполяризации и уменьшая силу тока Са2+, а следовательно, и ICaL.
Зубец фазы 1 также влияет на функцию Na+/Ca2+-обменника, внутриклеточное перераспределение Са2+ и функцию Na+-каналов.
г) Фармакология. Хинидин, 4-аминопиридин, флекаинид и пропафенон вызывают блокаду открытых ионных каналов и ускоряют инактивацию Ito. Хинидин оказывает зависимое от частоты блокирование Ito, которое является результатом медленной диссоциации препарата. Хинидин обладает относительно сильным блокирующим эффектом Ito, тогда как флекаинид слабо блокирует Ito.
Блокаторы Ito потенциально могут увеличивать продолжительность потенциала действия в клетках предсердий и в ишемизированном миокарде желудочков. Однако, поскольку суммарный эффект блокады Ito на реполяризацию зависит от вторичных изменений других ионных токов, уменьшение плотности Ito может привести к укорочению потенциала действия в клетках желудочков.
Кроме того, неоднородное распределение Ito в клетках желудочка может вызвать выраженную дисперсию реполяризации по всей стенке желудочка, что, сопровождаясь заметными задержками проводимости, связанными с блокадой Na+-канала, приводит к экстрасистолической активности через возвратные механизмы фазы 2.
В настоящее время кардиоселективные открыватели и закрыватели, специфичные для разных типов каналов Ito, недоступны для клинического применения. Ожидается, что разработка Ito-селективного лекарственного средства поможет пациентам с первичной патологией Ito или других каналов, при синдроме Бругада, при котором неоднородность экспрессии Ito в эпикарде и эндокарде приводит к возвратной желудочковой аритмии.
д) Наследственные каналопатии. Мутации в гене KCND3, усиливающие функционирование каналов (ген кодирует α-субъединицу канала Ito [Kv4.3]), и KCNE3 (кодирует β-субъединицу [MiRP2]) приводят к увеличению Ito и появлению синдрома Бругада. Кроме того, мутации, усиливающие функционирование каналов, в SCN1B (который кодирует вспомогательную β1-субъединицу Na+-канала) снижают INa и увеличивают Ito. Мутации в SEMA3A (кодирует белок семафорин) также ведут к увеличению Ito, что опосредует синдром Бругада.
Кроме того, мутации в KCND3 и KCNE3, усиливающие функционирование каналов, были связаны с наследственной фибрилляцией предсердий. Было выявлено, что мутации KCNE3 ведут к увеличению Ito,f и, предположительно, вызывают фибрилляцию предсердий за счет сокращения длительности потенциала действия и облегчения появления повторных волн возбуждения в предсердии (табл. 3).
В ходе генетического исследования гаплоидных клеток была обнаружена связь между геном DPP6 хромосомы 7 и идиопатической фибрилляцией желудочков. В качестве вероятного патогенетического механизма была предложена чрезмерная экспрессия DPP6, кодирующего дипептидилпептидазу 6, предполагаемый компонент комплекса каналов Ito. DPP6 значительно изменяет кинетику инактивации как Kv4.2, так и Kv4.3 и способствует экспрессии α-субъединиц в клеточной мембране.
Важно отметить, что нормально функционирующие каналы Ito играют важную роль в электрофизиологических последствиях аномалий ионного тока при синдромах Бругада и волны J. Неоднородность распределения каналов Ito на стенке миокарда более выражена в эпикарде желудочков, чем в эндокарде, и особенно выражена в правом желудочке, что приводит к укорочению продолжительности фазы 1, более заметному зубцу на ЭКГ и шиповидной морфологии зубца, отражающего потенциал действия эпикарда, по сравнению с эндокардом.
Полагают, что результирующий трансмуральный градиент напряжения в ранние фазы (фазы 1 и 2) потенциала действия отвечает за формирование зубца J на ЭКГ. Увеличение чистого реполяризующего тока, вторичное либо по отношению к уменьшению внутренних токов (INa и ICaL), либо по отношению к увеличению внешних токов К+ (Ito, IKr, IKs, ацетилхолин-активированный ток К+ [IKACh], АТФ-чувствительный ток К+ [IKATP]), либо по отношению к обоим, может усиливать потенциал действия, выраженность зубца и приводить к увеличению волны J или подъему сегмента ST на ЭКГ.
Смещение движения токов наружу, выходящее за пределы потенциала действия, усиливает выраженность волны J и может приводить к частичной или полной потере куполообразного зубца потенциала действия, что ведет к продолжительному трансмуральному градиенту напряжения, который проявляется в виде большего подъема сегмента ST и опосредует появление волны J. Такой тип тока и его регионарное распределение в желудочках определяют конкретный фенотип заболевания (включая синдром Бругада, синдром ранней реполяризации, подъем сегмента ST, индуцированный гипотермией, и подъем сегмента ST, индуцированный инфарктом миокарда).
Увеличение значения потенциала действия, приводящее к исчезновению куполообразного зубца на ЭКГ, зависит от Ito. Эти изменения заметны в областях миокарда с относительно большим Ito, например в области эпикарда правого желудочка; этим объясняется выпуклая форма сегмента ST в правых прекордиальных отведениях, характерная для синдрома Бругада.
В этом контексте факторы, влияющие на кинетику Ito или других реполяризующих токов, могут изменять проявление волны J на ЭКГ. Блокаторы Na+-каналов (прокаинамид, пилсикаинид, пропафенон, флекаинид и дизопирамид), уменьшающие INa, направленный вовнутрь, могут усиливать подъем волны J и ST сегмента у пациентов со скрытым синдромом волны J.
Хинидин, который ингибирует Ito и INa, уменьшает величину волны J и нормализует подъем сегмента ST. Кроме того, усиление частоты сердечных сокращений, связанных со снижением Ito (из-за медленного восстановления Ito после инактивации), приводит к уменьшению величины волны J. Частота встречаемости у мужчин выше, чем у женщин, ввиду большей плотности Ito в эпикарде.
Повышенная трансмуральная гетерогенность реполяризации желудочков (т.е. дисперсия реполяризации между эпикардом и эндокардом), отвечающая за подъем точки J и раннюю картину реполяризации на ЭКГ, также ответственна за повышенную уязвимость к желудочковым тахиаритмиям.
Значительный сдвиг движения тока кнаружи может привести к частичной или полной потере куполообразного зубца потенциала действия в областях, где Ito является заметным (эпикард), с последующей потерей активации ICaL. Затем потенциал действия, отображающийся куполообразным зубцом на ЭКГ, может распространяться из областей, где он сохраняется (средний слой эндокарда), в области, где он теряется (эпикард), что приводит к повторному входу в фазу 2, который может генерировать преждевременные желудочковые комплексы, в свою очередь, инициирующие желудочковую тахикардию или фибрилляцию желудочков.
е) Приобретенные заболевания. Изменение экспрессии Ito и его распределения наблюдается при различных патофизиологических состояниях. Адренергические эффекты, по-видимому, участвуют по крайней мере в некоторых из этих процессов регуляции Ito при заболеваниях сердца.
В целом, ишемия миокарда, инфаркт миокарда, дилатационная кардиомиопатия и терминальная стадия сердечной недостаточности опосредуют снижение активности регуляции Ito. Фактически, именно снижение тока Ito при сердечной недостаточности имеет преимущественное значение. Снижение Ito приводит к ослаблению ранней реполяризации (фаза 1), а также это влияет на уровень потенциала действия плато (фаза 2) и других токов, участвующих в замедленной реполяризации (фаза 3), что приводит к удлинению и увеличению неоднородности продолжительности потенциала действия.
Выраженный Ito эпикарда способствует избирательному снижению электрической активности эпикарда. Этот процесс приводит к выраженному снижению активности реполяризации между нормально и аномально функционирующим эпикардом, а также между эпикардом и эндокардом, что опосредует аритмию, обусловленную механизмом повторного входа (реципрокная аритмия). Это может лежать в основе повышенной предрасположенности к желудочковым аритмиям и ВКС у пациентов с сердечной недостаточностью и ишемической болезнью.
Кроме того, снижение регуляции Ito при прогрессирующей сердечной недостаточности, вероятно, замедляет ход генерации силы, тем самым способствуя снижению производительности миокарда.
С другой стороны, компенсаторная гипертрофия желудочков, предшествующая сердечной недостаточности, связана с повышением регуляции Ito. Продление потенциала действия, сопутствующее увеличению Ito, по-видимому, является результатом более отрицательного уровня плато с меныпей ICaL и, вероятно, с меньшей задержкой активации выпрямителя тока. Напротив, прогрессирование гипертрофии сердца до сердечной недостаточности связано с явным снижением Ito.
Хроническая фибрилляция предсердий снижает плотность Ito в предсердиях и количество мРНК Kv4.3. Гипотиреоз снижает экспрессию генов KCND2 (Kv4.2). Кроме того, снижение Ito также может способствовать удлинению интервала QT при сахарном диабете. Важно отметить, что, хоть и с некоторой задержкой, инсулинотерапия частично восстанавливает Ito, возможно, через усиление экспрессии Kv4.3.
