窦房结细胞结构及电生理研究进展

　　窦房结(sino-atrialnode,SAN)是正常心脏活动的起搏点，在心脏传导系统中自律性最高，SAN细胞(sino-atrialnodecells,SNC)的结构具有异质性，多种离子通道及相应电流参与SNC的电生理活动，其中钾离子通道及其电流在SNC自律性产生过程中起着重要作用，现就SNC结构与功能以及其相关离子通道的相关研究做一综述。　　1SNC形态结构及功能　　SAN位于右房和上下腔静脉的交界部位(界峪)以及上、下腔静脉之间的区域，结的长轴与界峪平行，其位置有个体差异。不同种族动物，SAN解剖是复杂而变化的，大鼠的SAN位置靠后，偏于静脉窦侧。SAN中心部位较粗大，两端逐渐变细，略呈梭形。SAN以胶原和成纤维细胞为基本网架，结内的心肌细胞有特殊心肌细胞和普通心肌细胞两种，特殊心肌细胞指P(pale/pacemaker)细胞(形态学上又称“结细胞”，生理学上常称为“起搏细胞”T(transitional)细胞(又称过渡细胞或移行细胞);普通心肌细胞指心房肌细胞。P细胞位于SAN中央部，聚集成簇呈长胞质突的球形和(或)星形，在SNC总数中占很少的比例，需要综合形态学和细胞电生理学资料才有可能对研究对象是否是真正的P细胞做出判断，但在SAN起搏活动中却起着重要的作用。T细胞具有P细胞和周围心肌工作细胞的特点，与心肌细胞相似，但肌节较少。还有一种未曾被描述过的有2一3个长突出的成纤维样细胞，并证明SAN的这3种细胞表达间质性标志物。　　SAN是心脏的正常起搏点，SNC因其膜缓慢的舒张期自动去极化而产生自发性动作电位。SAN是一个复杂异形组织，具有结构和功能的异质性，它的功能可能依赖于这个复合物结构。对兔sAN的研究证明了从SAN中央到心房边缘的电生理特征的异质性，表现在动作电位形态上的逐渐改变、最大舒张电位的降低、超射峰值的增加、上升速率的增加和起搏点点位斜率的降低。　　相关研究中可以提炼出两种不同假说来解释SAN的异质性:第一、SAN的异质性源于其具有2种特殊类型具有不同的电生理特性的中央细胞和外周细胞，其动作电位特点、电流密度Ca处理和缝隙连接蛋白密度呈细胞大小及类型依赖性。第二、SAN的异质性源于电紧张偶联效应，即SNC明显受到附近心房细胞的影响和修饰,随着年龄增加，SAN结构改变(胶原沉积、肿胀、细胞的肥大和细胞外基质的重塑)、离子通道及细胞间连接的改变，导致SAN起搏功能下降，从而病窦综合征(简称病窦)发病率明显升高。老年人SAN功能障碍的主要特征是SAN自发性频率及舒张期去极化程度的降低和SNC动作电位时程的延长〔9]整个心脏表现为SAN恢复时间的延长和固有心率的降低。另外，成纤维细胞浓度随着年龄增长而增加，可能在年龄相关缓慢性心律失常或者病窦中发挥重要作用。在SAN中，成纤维细胞比心房肌和心室肌细胞所占的比例要大。SNC分散的网状分布在成纤维细胞岛屿的周围。成纤维细胞和心肌细胞形成了功能缝隙连接。　　在体研究表明，电偶联的成纤维细胞可能影响SNC的自发性活动。心房细胞也散在贯穿SAN，它是如何影响SAN兴奋性的还不清楚，有学者认为从SAN中央向心房过渡时心房细胞浓度的逐渐增加引起了心房电紧张影响的逐渐增加，解释了从SAN结部向心房动作电位改变的原因。　　2SAN电生理　　SAN生理功能主要是控制并维持心率在一个稳定的水平。S.AN能够产生节律性心脏搏动归因于SAN起搏细胞的独特电生理特性，以产生不同于周围心房肌细胞的自发性动作电位。起搏活动的关键是SNC在4期自动去极化直到下一个动作电位的发生，叫做舒张期去极化，因此SAN功能对于正常心脏生理学至关重要。外向(正)离子流的减少和内向(正)离子流的增加都可以导致SNC去极化。尽管SNC舒张期自动去极化节律性产生动作电位以形成心脏节律的相关研究从SAN小标本发展到游离单个SNC，并经历40余年，但心律产生的机制仍未明确。　　SAN起搏细胞舒张期去极化主要依赖如下机制’$-;L型钙电流(Ica.L)和T型钙电流的激活;延迟整流钾电流(IK)的失活;超极化激活的阳离子电流(If)的发展;肌浆网(SR)自发性释放钙离子从而激活Na}-Caz'交换电流}INCx)oSNC电兴奋(动作电位)的产生与细胞膜上的各种离子通道(孔道形成蛋白)直接相关。I、通道参与SAN起搏细胞动作电位舒张早期自动去极化的前I/3相;电压依赖性Ica-:通道参与舒张早期自动去极化的中1/3相;I，通道决定最大舒张期电位，参与舒张早期自动去极化的后I/3相。其分子基础是超极化激活的环核昔酸门控(HCN)通道，Schulze-Bahr等‘报道了由于HCN4通道在第573个氨基酸残基以后缺失的突变，而导致的S_4N活动异常，HCN4是调节起搏点活动刺激交感神经的主要通道3SNCK+通道心脏K'通道是心肌细胞膜蛋白，它调解跨膜离子流的电化学梯度，决定静息膜电位和动作电位形态及时程，K'通道表达的区域性不同，决定了从SAN和心房到心室肌细胞(甚至心室肌内膜到中层到心包膜)动作电位形态和时程的不同。参与SNC起搏功能的K'电流研究历经数十年，从最初的瞬时内向背景电流的衰减复极化钾电流理沦被接受，到后来发现至少四种电压依赖性钾电流:超速激活钾电流(IKuO}IK(分快激活和慢激活IKrvIK，两种)、瞬时外向钾电流，还有相对于心室肌细胞较少的内向整流钾电流(IKl)，在SAN起搏过程中各自发挥着不同的作用。　　IK缓慢衰减使得内向电流进行性衰减，是4期自动去极化最重要的离子基础，在SAN起搏发生中起着十分重要的作用。肾上腺受体激动剂可以增加SAN起搏细胞的自律性，其机制除了与L型钙离子通道的增加，起搏电流激活曲线的增强有关外，还与通道失活率的增加有关。这也与蛋白激酶A在异丙肾上腺素激动SNC中I、的作用一致u。当用E-4031阻滞IKr后，动作电位的上升速率降低，时程延长，最大舒张电位减小，起搏电位斜率减小，并使起搏周期延长，在鼠的SNC中还经常发生窦性停搏。等利用膜片钳技术研究了豚鼠SNC的组成及特性时发现，IK，和Ix，在豚鼠SAN起搏细胞的自发电活动方面都具有重要的作用。蛛r阻滞剂E}031(0.5和5mmol)可使复极化电位在接近一30mV时，导致最大舒张电位明显的去极化，结果使SNC电活动停止。IK抑制剂293B(30mmol)也可以延迟复极化过程至大约在一20mV动作电位水平，导致缓慢的最大舒张期电位，进而使自律活动停止。Yokoyama等研究发现，卡维地洛对兔SANIK,Ic。和I:通道阻滞作用分别为72%,47%和22%，主要阻滞快激活钾通道。可见，有效剂量的卡维地洛主要通过对IK和Ic通道的阻滞作用而具有负性频率作用。Shen等，利用全细胞膜片钳技术研究血管紧张素n对豚鼠SNC动作电位及离子通道的影响，结果表明，血管紧张素B对SNCI:电流无明显作用，能明显减慢IK，的失活和增加微电流密度。其减少SNC的自律性是通过增强IK和减少Icar，这个结果表明了病窦发生病理过程的潜在机制。Kojim等。一利用全细胞膜片钳技术记录了七氟烷对豚SNC四种离子通道的影响，发现0.44mmol/L的七氟烷可以降低上述四种离子通道分别为14.4%,31.3%,30.3%和37.1%，其作用机制为减慢舒张期自动去极化从而降低SNC自律性活动，尤其对IK，作用明显，表明IKs在SNC自律性过程中的重要作用。延迟整流钾通道的“延迟”是IKr通道激活门缓慢开放和关闭一起的;“内向整流”现象是由于IK通道快速失活引起的。SNC起搏原理中IKr外向离子流的衰减不是由其通道的失活引起，而是由于去激活引起27;。因此，K"通道及电流在心脏起搏活动中起着重要的作用，它的失衡可能是病窦发生的离子基础之一，也是各种新的抗心律失常药物的作用靶点。　　4小结　　SAN是一个复杂的、异质性的组织，正是这种结构保证了S}的正常工作，使小面积的SAN驱动大面积心房肌，保护S.4N不受外来动作电位的侵袭。参与SNC4期自动去极化的离子通道电流很复杂，在不同的时相、不同的电压范围以及不同的部位每个离子通道电流的作用都不同，呈一个动态变化过程应该指出，对SNC起搏原理的研究远未结束，除上述经典离子通道及肌浆网钙释放研究外，有关学者仍在继续进行新的研究和发现，在已有框架基础上，对SAN起搏原理不断的深人和补充。　　参考文献　　1] Robert A.Rose.  Keeping the clocks ticking as we age: changes in sinoatrial node gene expression and function in the ageing heart[J]. Experimental Physiology . 2011 (11)[2] James O.Tellez,MichalM?czewski,JosephYanni,PavelSutyagin,UrszulaMackiewicz,AndrewAtkinson,ShinInada,AndrzejBeresewicz,RudiBilleter,HalinaDobrzynski,M. R.Boyett.  Ageing‐dependent remodelling of ion channel and Ca²⁺ clock genes underlying sino‐atrial node pacemaking[J]. Experimental Physiology . 2011 (11)[3] Zhenxing Pan,Rei Yamaguchi,Shinji Doi.  Bifurcation analysis and effects of changing ionic conductances on pacemaker rhythm in a sinoatrial node cell model[J]. BioSystems . 2011 (1)[4] Jing-Wei Sheng,Wen-Ying Wang,Yan-Fang Xu.  Angiotensin II decreases spontaneous firing rate of guinea-pig sino-atrial node cells[J]. European Journal of Pharmacology . 2011 (2)[5] Tatiana M. Vinogradova,Didier X.P. Brochet,Syevda Sirenko,Yue Li,Harold Spurgeon,Edward G. Lakatta.  Sarcoplasmic Reticulum Ca2+ Pumping Kinetics Regulates Timing of Local Ca2+ Releases and Spontaneous Beating Rate of Rabbit Sinoatrial Node Pacemaker Cells[J]. Circulation Research . 2010 (6)[6] J. Yanni,J.O. Tellez,P.V. Sutyagin,M.R. Boyett,H. Dobrzynski.  Structural remodelling of the sinoatrial node in obese old rats[J]. Journal of Molecular and Cellular Cardiology . 2010 (4)[7] Vincent M. Christoffels,Gertien J. Smits,Andreas Kispert,Antoon F. M. Moorman.  Development of the Pacemaker Tissues of the Heart[J]. Circulation Research . 2010 (2)[8] Edward G. Lakatta,Victor A. Maltsev,Tatiana M. Vinogradova.  A Coupled SYSTEM of Intracellular Ca2+ Clocks and Surface Membrane Voltage Clocks Controls the Timekeeping Mechanism of the Heart?s Pacemaker[J]. Circulation Research . 2010 (4)[9] Noriko Niwa,Jeanne M. Nerbonne.  Molecular determinants of cardiac transient outward potassium current ( I to ) expression and regulation[J]. Journal of Molecular and Cellular Cardiology . 2009 (1)[10] M R. Boyett,H Honjo,I Kodama,M K. Lancaster,M Lei,H Musa,H Zhang.  The Sinoatrial Node: Cell Size Does Matter[J]. Circulation Research . 2007 (7)