心脏细胞的缝隙连接与心律失常
作者：王德胜 黄从新 李庚山
单位：湖北医科大学附属第一医院心脏内科(武汉 430060)
关键词：
中国心脏起搏与心电生理杂志990116 缝隙连接(Gap junction,GJ)是普遍存在于心肌细胞、肝细胞、肠平滑肌细胞、晶状体细胞和一些神经元细胞间的一种细胞间通道。近年来随着对其研究的深入，GJ与心血管疾病的关系，尤其是GJ在心律失常发生中的作用正备受关注，本文就此作一综述。
1 GJ的结构与功能
心肌细胞的GJ是指相邻心肌细胞膜通过相互紧密作用形成的一个特化区，该区富含离子通道簇[1]。GJ是心肌闰盘处三种特殊结构之一，其中较大的呈环状的GJ(长轴0.67±0.32 μm)位于人类心脏闰盘的周边，而较小的GJ(长轴0.36±0.17 μm)位于闰盘中央[2]。每个GJ通道由来自相邻细胞膜上的两个“半通道”[hemichannel，也称为连接子，(Connexon)]组成，每个连接子由6个连接蛋白(Connexin,Cx)分子构成6聚体蛋白质，中间包绕水相孔道，形成一个在相邻细胞浆可进行离子和小分子物质交换的管道及低阻的电冲动通道[3]。GJ的主要功能是介导细胞间电和化学信号的传递，确保不同类型肌细胞间电耦联与机械耦联得以正常进行，在心肌细胞中，这种耦联与离子流介导的动作电位的扩布有关，从而维持电活动与机械收缩、舒张功能的同步性[4]。
, 百拇医药
2 Cx在心脏细胞中的分布
研究显示Cx普遍存在于心脏的工作细胞和传导系统的特化细胞中，只是在数量与分布形式上存在着差异。心肌细胞像许多其他的特异细胞一样表达许多形成GJ通道的不同的Cx，不同的心肌组织表达不同表型的Cx，形成具有特定的生物学特性的细胞间通道[5，6]。在脊椎动物心脏中至少发现了7种不同的Cx异构体[5]，在哺乳动物心脏上也发现了不少于4种Cx的存在，心房肌细胞表达Cx43、Cx40、和Cx45，心室肌细胞表达Cx43和Cx45。其中Cx40和Cx43分别被公认为哺乳动物心房、心室肌细胞间最主要的GJ蛋白质[7]。最近Thomas等[8]将鼠编码Cx43的基因无义突变为杂合子Cx43+/-，离体实验测定心房、心室肌传导速度，在体实验行电生理检查，结果表明在心房、心室肌的Cx43表达产物减少50%时，心室的传导速度降低38%而心房传导速度并无明显改变，心电图及起搏心律的QRS波群增宽，而P波的振幅、时限无改变，提示Cx具有心肌传导的腔特异性：即Cx43是心室肌细胞间电流的主要导体，而Cx40是心房肌细胞最主要的耦联蛋白。
, 百拇医药
Gourdie等[9]通过对鼠心传导系统Cx40、Cx43的空间分布研究发现Cx40和Cx43均存在于房室结(AVN)与浦肯野纤维中，而His束只发现Cx40的表达产物；Cx40沿房室传导系统轴呈梯级分布：His束中Cx40表达量为其在AVN的10倍，而在浦肯野纤维中的表达量是其在His束的10倍。Cx异构体的这种细胞类型特异性从分子水平为房室传导系统电连续性提供了可能的解释，即心房肌细胞与AVN细胞通过Cx43发生耦联，AVN处GJ特别小且稀疏，故产生延搁，AVN通过Cx40与His束耦联而与周边的Cx43隔开，His束再通过Cx40与富含Cx40、Cx43的浦肯野纤维耦联，从而实现电连续。
3 GJ与心律失常
导致折返性心律失常发生的减慢传导和单向阻滞与GJ电耦联紊乱有关。心肌梗死后发生室性快速心律失常的折返环存在于梗死愈合后的存活心肌区。Green等[10]采用激光同焦显微镜对愈合心肌梗死周边组织的研究发现，在有纤维化疤痕的心肌表面尚存少量闰盘样结构，然而正常的GJ分布已被显著破坏，GJ沿纵轴方向分布于已变性但尚存活的心肌细胞侧面，且沿疤痕向外延伸700 μm。Peters等[2]的免疫电镜研究亦得同样结果。这种紊乱的细胞间电耦联可能导致梗死边缘区复杂的异质波阵面扩展径路，诱发心律失常。Peters等[11]在狗急性心肌梗死模型上进一步研究再次证明在梗死灶心外膜边缘区心肌细胞侧面Cx43 GJ沿纵轴异常排列，且延伸至心外膜表面，只是在心外膜的最表浅层具有正常的横向排列形式；在可诱发出室性心动过速的犬心上，紊乱排列的Cx分布于梗死灶心外膜边缘区存活心肌细胞的全层，而此部位正是折返性室性心动过速环路的中央共同通道之所在，因此GJ的Cx异常分布是心肌梗死后早期重构的一个重要组成部分，由梗死相关心肌异常排列的GJ导致的缓慢非均一传导是心律失常发生的解剖学基础。
, 百拇医药
Peters等[2]对有三支血管病变接受冠脉搭桥术的冠心病病人，取左室心肌活检并行GJ的Cx43定量分析，结果发现：缺血心肌每个细胞的闰盘数量及GJ的Cx43大小和长度分布保持不变，但细胞单位体积的GJ与对照组相比减少47%。GJ含量的下降必将导致耦联能力的下降，进而改变缺血心肌的传导特性，减慢传导[12]，增加动作电位时程的离散度，使得各向异性传导表现出非均一性。Quan等[12]的计算机模型亦支持电耦联的减少可显著增加心律失常的发生。Akiyama等[13]报道传统的抗室性心律失常药物治疗反而增加病人的死亡率，说明活化的膜特性与动作电位产生障碍可能不是心律失常发生的主要原因，这从一个侧面支持潜在的可逆的细胞耦联紊乱是慢性缺血心肌电紊乱的基础。因此，在缺血而非梗死的心肌细胞中，虽然GJ的基本分布形式未显著改变，但GJ的Cx43含量的下降可能是缺血心肌心律失常与电机械异常的解剖学基础。
Peters等[2]采用同焦显微镜研究主动脉狭窄病人的心肌，结果显示无缺血的肥大心肌细胞每单位细胞体积的GJ中Cx43减少40%。Bastide等[14]在转基因高血压鼠心上进行免疫杂交试验亦得类似结果。Campos等[15]利用克鲁斯锥虫感染培养的心肌细胞复制Chagas病模型，免疫组织化学研究发现，感染了克鲁斯锥虫的心肌细胞的Cx43 GJ水平下降，提示Cx43 GJ的水平下降可能是Chagas病的病理生理机制之一，也说明Cx43表达下降既是缺血性心脏病共有表现，也是各种慢性心肌病的特征之一。由于Cx43表达水平与心肌传导障碍存在着某种关联，故Cx43表达水平的改变可能在肥大心肌及Chagas病患者的心律失常发生中起着重要作用。
, 百拇医药
Kaprielian等[16]通过对21例有严重冠状动脉病变和左室功能低下的病人左室活检，发现可逆缺血心肌与冬眠心肌闰盘处每单位面积Cx43含量分别为76.7%±34.6%、67.4%±24.3%，较正常组织100%±30.3%显著下降(P<0.01)；进一步研究发现冬眠心肌组织缺乏正常闰盘周边常见的较大的GJ，其连接斑大小为69.5%±20.8%，与可逆性缺血心肌(87.4%±31.2%)及正常心肌(100%±31.5%)相比，有显著差异(P<0.05，0.01)。结果提示GJ的Cx43呈进行减少是导致心律失常和冬眠心肌的电机械异常的原因之一。
心房颤动(简称房颤)是临床上另一类最常见的心律失常。Spach等[17]的研究显示，随着年龄的增长，心房的GJ也出现与心肌梗死后类似的再分布。Manoach等[18]在研究房颤易感性因素时发现，年老豚鼠(>1年)心房电刺激0.5～3.5 min即可诱发房颤，且电刺激停止后房颤持续时间长达3～10 min，而年幼豚鼠(<3月)需在心房电刺激1.5 h以上才能诱发房颤。上述结果用心房有效不应期改变难以圆满解释，结合超微结构等相关检查，作者推测由Cx介导的GJ耦联和细胞间传导的改变是年老豚鼠房颤易于诱发和维持的原因。
, http://www.100md.com
4 结语
随着人们对GJ研究之深入，GJ在心律失常发生中所起的作用将更加明了。针对此机制的抗心律失常药物的研制与应用将引发心律失常防治史上的又一大变革。
参考文献
1 Beyer EC.Gap Junction.Int Rev Cytol,1993,137C:1
2 Peters NS,Green CR,Poole-Wilson PA,et al.Reduced content of connexin43 gap junctions in ventricular myocardium from hypertrophied and ischaemic human hearts.Cir culation,1993,88:86
3 Willecke K,Hennemann H,Dahl E,et al.The diversity of connexin genes encoding gap-junctional proteins.Eur J Cell Biol,1991,56:1
, http://www.100md.com
4 Severs NJ.Pathophysiology of gap junctions in heart disease.J Cardiovasc Electrophysiol,1994,5:462
5 Kanter HL,Saffitz JE,Beyer EC.Cardiac myocytes express mutiple gap juntional proteins.Circ Res,1992,70:438
6 Davis LM,Kanter HL,Beyer EC,et al.Distinct gap junction protein phenotypes in cardiac tissues with disparate conduction properties.J Am Coll Cardiol,1994,24:1 124
7 Dolber PC,Beyer EC,Junker JL,et al.Distribution of gap junctions in dog and rat ventricle studied with a double-label technique.J Mol Cell Cardiol,1992,24:1 443
, 百拇医药
8 Thomas SA,Schuessler RB,Berul CI,et al.Disparate effects of deficient expression of connexin43 on atrial and ventricular conduction.Circulation,1998,97:686
9 Gourdie RG,Severs NJ,Green CR,et al.The Spateal distribution and relative abundance of gap junctional connexin 40 and connexin 43 correlate to functional properties of the cardiac atrioventricular conduction system.J Cell Sci,1993,105:985
10 Green CR,Severs NJ.Distribution and role of gap junctions in normal myocardium and human ischemic heart disease.Histochemistry,1993,99:105
, http://www.100md.com
11 Peters NS,Coromilas J,Severs NJ,et al.Disturbed Cx43 gap junction distribution correlates with the location of reentrant circuits in the epicardial border zone of healing canine infarcts that cause ventricular tachycardia.Circulation,1997,95:988
12 Quan W,Rudy Y.Unidirectional block and reentry of cardiac excitation:a model study.Circ Res,1990,66:367
13 Akiyama T,Pawitan Y,Greenberg H,et al.Increased risk of death and cardiac arrest from encainide and flecainide in patients after non-q-wave acute myocadial infarction in the cardiac arrhythmia suppression trial.Am J Cardiol,1991,68:1551
, 百拇医药
14 Bastide B,Neyses L,Ganten D,et al.Gap junction protein connexin40 is preferentially expressed in vascular endothelium and conductive bundles of rat myocardium and is increased under hypertensive conditions.Circ Rcs,1993,73:1 138
15 Campos DC,Tanowitz IIB,Wittner M,et al.Cap junction distribution is altered between cardiac myocytes infected with trypanosoma cruzi.Circ Res,1992,70:733
16 Kaprielian RR,Gunning M,Dupont E,et al.Down regulation of immunodetectble connexin43 and decreased gap junction size in pathogenesis of chronic hibernation in the human left ventricle.Circulation,1998,97:651
, http://www.100md.com
17 Spach MS,Dolber PC.Relating extracellular potentials and their derivatives to anisotropic propagation at a microscopic level in human cardiac muscle:evidence for electrical uncoupling of side-to-side fiber connection with increasing age.Circ Res,1986,58:356
18 Manoach M,Tribulova N,Busccmi PJ,et al.Effcct of age in determining the propnsity to atrial fibrillation.PACE,1997,20(5,pt2):1 485
(1998-10-20收稿), http://www.100md.com
单位：湖北医科大学附属第一医院心脏内科(武汉 430060)
关键词：
中国心脏起搏与心电生理杂志990116 缝隙连接(Gap junction,GJ)是普遍存在于心肌细胞、肝细胞、肠平滑肌细胞、晶状体细胞和一些神经元细胞间的一种细胞间通道。近年来随着对其研究的深入，GJ与心血管疾病的关系，尤其是GJ在心律失常发生中的作用正备受关注，本文就此作一综述。
1 GJ的结构与功能
心肌细胞的GJ是指相邻心肌细胞膜通过相互紧密作用形成的一个特化区，该区富含离子通道簇[1]。GJ是心肌闰盘处三种特殊结构之一，其中较大的呈环状的GJ(长轴0.67±0.32 μm)位于人类心脏闰盘的周边，而较小的GJ(长轴0.36±0.17 μm)位于闰盘中央[2]。每个GJ通道由来自相邻细胞膜上的两个“半通道”[hemichannel，也称为连接子，(Connexon)]组成，每个连接子由6个连接蛋白(Connexin,Cx)分子构成6聚体蛋白质，中间包绕水相孔道，形成一个在相邻细胞浆可进行离子和小分子物质交换的管道及低阻的电冲动通道[3]。GJ的主要功能是介导细胞间电和化学信号的传递，确保不同类型肌细胞间电耦联与机械耦联得以正常进行，在心肌细胞中，这种耦联与离子流介导的动作电位的扩布有关，从而维持电活动与机械收缩、舒张功能的同步性[4]。
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2 Cx在心脏细胞中的分布
研究显示Cx普遍存在于心脏的工作细胞和传导系统的特化细胞中，只是在数量与分布形式上存在着差异。心肌细胞像许多其他的特异细胞一样表达许多形成GJ通道的不同的Cx，不同的心肌组织表达不同表型的Cx，形成具有特定的生物学特性的细胞间通道[5，6]。在脊椎动物心脏中至少发现了7种不同的Cx异构体[5]，在哺乳动物心脏上也发现了不少于4种Cx的存在，心房肌细胞表达Cx43、Cx40、和Cx45，心室肌细胞表达Cx43和Cx45。其中Cx40和Cx43分别被公认为哺乳动物心房、心室肌细胞间最主要的GJ蛋白质[7]。最近Thomas等[8]将鼠编码Cx43的基因无义突变为杂合子Cx43+/-，离体实验测定心房、心室肌传导速度，在体实验行电生理检查，结果表明在心房、心室肌的Cx43表达产物减少50%时，心室的传导速度降低38%而心房传导速度并无明显改变，心电图及起搏心律的QRS波群增宽，而P波的振幅、时限无改变，提示Cx具有心肌传导的腔特异性：即Cx43是心室肌细胞间电流的主要导体，而Cx40是心房肌细胞最主要的耦联蛋白。
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Gourdie等[9]通过对鼠心传导系统Cx40、Cx43的空间分布研究发现Cx40和Cx43均存在于房室结(AVN)与浦肯野纤维中，而His束只发现Cx40的表达产物；Cx40沿房室传导系统轴呈梯级分布：His束中Cx40表达量为其在AVN的10倍，而在浦肯野纤维中的表达量是其在His束的10倍。Cx异构体的这种细胞类型特异性从分子水平为房室传导系统电连续性提供了可能的解释，即心房肌细胞与AVN细胞通过Cx43发生耦联，AVN处GJ特别小且稀疏，故产生延搁，AVN通过Cx40与His束耦联而与周边的Cx43隔开，His束再通过Cx40与富含Cx40、Cx43的浦肯野纤维耦联，从而实现电连续。
3 GJ与心律失常
导致折返性心律失常发生的减慢传导和单向阻滞与GJ电耦联紊乱有关。心肌梗死后发生室性快速心律失常的折返环存在于梗死愈合后的存活心肌区。Green等[10]采用激光同焦显微镜对愈合心肌梗死周边组织的研究发现，在有纤维化疤痕的心肌表面尚存少量闰盘样结构，然而正常的GJ分布已被显著破坏，GJ沿纵轴方向分布于已变性但尚存活的心肌细胞侧面，且沿疤痕向外延伸700 μm。Peters等[2]的免疫电镜研究亦得同样结果。这种紊乱的细胞间电耦联可能导致梗死边缘区复杂的异质波阵面扩展径路，诱发心律失常。Peters等[11]在狗急性心肌梗死模型上进一步研究再次证明在梗死灶心外膜边缘区心肌细胞侧面Cx43 GJ沿纵轴异常排列，且延伸至心外膜表面，只是在心外膜的最表浅层具有正常的横向排列形式；在可诱发出室性心动过速的犬心上，紊乱排列的Cx分布于梗死灶心外膜边缘区存活心肌细胞的全层，而此部位正是折返性室性心动过速环路的中央共同通道之所在，因此GJ的Cx异常分布是心肌梗死后早期重构的一个重要组成部分，由梗死相关心肌异常排列的GJ导致的缓慢非均一传导是心律失常发生的解剖学基础。
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Peters等[2]对有三支血管病变接受冠脉搭桥术的冠心病病人，取左室心肌活检并行GJ的Cx43定量分析，结果发现：缺血心肌每个细胞的闰盘数量及GJ的Cx43大小和长度分布保持不变，但细胞单位体积的GJ与对照组相比减少47%。GJ含量的下降必将导致耦联能力的下降，进而改变缺血心肌的传导特性，减慢传导[12]，增加动作电位时程的离散度，使得各向异性传导表现出非均一性。Quan等[12]的计算机模型亦支持电耦联的减少可显著增加心律失常的发生。Akiyama等[13]报道传统的抗室性心律失常药物治疗反而增加病人的死亡率，说明活化的膜特性与动作电位产生障碍可能不是心律失常发生的主要原因，这从一个侧面支持潜在的可逆的细胞耦联紊乱是慢性缺血心肌电紊乱的基础。因此，在缺血而非梗死的心肌细胞中，虽然GJ的基本分布形式未显著改变，但GJ的Cx43含量的下降可能是缺血心肌心律失常与电机械异常的解剖学基础。
Peters等[2]采用同焦显微镜研究主动脉狭窄病人的心肌，结果显示无缺血的肥大心肌细胞每单位细胞体积的GJ中Cx43减少40%。Bastide等[14]在转基因高血压鼠心上进行免疫杂交试验亦得类似结果。Campos等[15]利用克鲁斯锥虫感染培养的心肌细胞复制Chagas病模型，免疫组织化学研究发现，感染了克鲁斯锥虫的心肌细胞的Cx43 GJ水平下降，提示Cx43 GJ的水平下降可能是Chagas病的病理生理机制之一，也说明Cx43表达下降既是缺血性心脏病共有表现，也是各种慢性心肌病的特征之一。由于Cx43表达水平与心肌传导障碍存在着某种关联，故Cx43表达水平的改变可能在肥大心肌及Chagas病患者的心律失常发生中起着重要作用。
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Kaprielian等[16]通过对21例有严重冠状动脉病变和左室功能低下的病人左室活检，发现可逆缺血心肌与冬眠心肌闰盘处每单位面积Cx43含量分别为76.7%±34.6%、67.4%±24.3%，较正常组织100%±30.3%显著下降(P<0.01)；进一步研究发现冬眠心肌组织缺乏正常闰盘周边常见的较大的GJ，其连接斑大小为69.5%±20.8%，与可逆性缺血心肌(87.4%±31.2%)及正常心肌(100%±31.5%)相比，有显著差异(P<0.05，0.01)。结果提示GJ的Cx43呈进行减少是导致心律失常和冬眠心肌的电机械异常的原因之一。
心房颤动(简称房颤)是临床上另一类最常见的心律失常。Spach等[17]的研究显示，随着年龄的增长，心房的GJ也出现与心肌梗死后类似的再分布。Manoach等[18]在研究房颤易感性因素时发现，年老豚鼠(>1年)心房电刺激0.5～3.5 min即可诱发房颤，且电刺激停止后房颤持续时间长达3～10 min，而年幼豚鼠(<3月)需在心房电刺激1.5 h以上才能诱发房颤。上述结果用心房有效不应期改变难以圆满解释，结合超微结构等相关检查，作者推测由Cx介导的GJ耦联和细胞间传导的改变是年老豚鼠房颤易于诱发和维持的原因。
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4 结语
随着人们对GJ研究之深入，GJ在心律失常发生中所起的作用将更加明了。针对此机制的抗心律失常药物的研制与应用将引发心律失常防治史上的又一大变革。
参考文献
1 Beyer EC.Gap Junction.Int Rev Cytol,1993,137C:1
2 Peters NS,Green CR,Poole-Wilson PA,et al.Reduced content of connexin43 gap junctions in ventricular myocardium from hypertrophied and ischaemic human hearts.Cir culation,1993,88:86
3 Willecke K,Hennemann H,Dahl E,et al.The diversity of connexin genes encoding gap-junctional proteins.Eur J Cell Biol,1991,56:1
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4 Severs NJ.Pathophysiology of gap junctions in heart disease.J Cardiovasc Electrophysiol,1994,5:462
5 Kanter HL,Saffitz JE,Beyer EC.Cardiac myocytes express mutiple gap juntional proteins.Circ Res,1992,70:438
6 Davis LM,Kanter HL,Beyer EC,et al.Distinct gap junction protein phenotypes in cardiac tissues with disparate conduction properties.J Am Coll Cardiol,1994,24:1 124
7 Dolber PC,Beyer EC,Junker JL,et al.Distribution of gap junctions in dog and rat ventricle studied with a double-label technique.J Mol Cell Cardiol,1992,24:1 443
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8 Thomas SA,Schuessler RB,Berul CI,et al.Disparate effects of deficient expression of connexin43 on atrial and ventricular conduction.Circulation,1998,97:686
9 Gourdie RG,Severs NJ,Green CR,et al.The Spateal distribution and relative abundance of gap junctional connexin 40 and connexin 43 correlate to functional properties of the cardiac atrioventricular conduction system.J Cell Sci,1993,105:985
10 Green CR,Severs NJ.Distribution and role of gap junctions in normal myocardium and human ischemic heart disease.Histochemistry,1993,99:105
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11 Peters NS,Coromilas J,Severs NJ,et al.Disturbed Cx43 gap junction distribution correlates with the location of reentrant circuits in the epicardial border zone of healing canine infarcts that cause ventricular tachycardia.Circulation,1997,95:988
12 Quan W,Rudy Y.Unidirectional block and reentry of cardiac excitation:a model study.Circ Res,1990,66:367
13 Akiyama T,Pawitan Y,Greenberg H,et al.Increased risk of death and cardiac arrest from encainide and flecainide in patients after non-q-wave acute myocadial infarction in the cardiac arrhythmia suppression trial.Am J Cardiol,1991,68:1551
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14 Bastide B,Neyses L,Ganten D,et al.Gap junction protein connexin40 is preferentially expressed in vascular endothelium and conductive bundles of rat myocardium and is increased under hypertensive conditions.Circ Rcs,1993,73:1 138
15 Campos DC,Tanowitz IIB,Wittner M,et al.Cap junction distribution is altered between cardiac myocytes infected with trypanosoma cruzi.Circ Res,1992,70:733
16 Kaprielian RR,Gunning M,Dupont E,et al.Down regulation of immunodetectble connexin43 and decreased gap junction size in pathogenesis of chronic hibernation in the human left ventricle.Circulation,1998,97:651
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17 Spach MS,Dolber PC.Relating extracellular potentials and their derivatives to anisotropic propagation at a microscopic level in human cardiac muscle:evidence for electrical uncoupling of side-to-side fiber connection with increasing age.Circ Res,1986,58:356
18 Manoach M,Tribulova N,Busccmi PJ,et al.Effcct of age in determining the propnsity to atrial fibrillation.PACE,1997,20(5,pt2):1 485
(1998-10-20收稿), http://www.100md.com