感染性休克是ICU常见的危重病, 是指由脓毒症导致的急性循环功能衰竭, 经过液体复苏平均动脉压仍然低于65 mmHg伴乳酸大于2 mmol/L, 最终可进展为多器官功能障碍(MODS), 病死率高达50%~60%^[1]。血管麻痹是感染性休克发生发展的重要病理过程。其发生原因复杂多样, 涉及一氧化氮(NO)过度释放、肾上腺素能受体失敏、钾离子通道异常和钙失敏等多种机制^[2]。本文就血管麻痹在感染性休克中的地位、钾离子通道的结构与功能, 感染性休克中钾离子通道的改变及其机制等方面进行综述。

一、血管麻痹在感染性休克病理生理机制中的地位

血管麻痹是感染性休克发生发展中的重要病理过程。感染性休克时血管张力异常, 大量血管扩张, 体循环阻力明显下降, 有效循环血量减少, 组织器官灌注不足, 最终导致多器官功能障碍^[1]。液体复苏和应用缩血管药物是治疗感染性休克的重要手段, 但是顽固性休克或休克晚期患者常出现血管麻痹, 表现为顽固性低血压, 是患者多器官功能障碍加重以及病死率增加的主要原因。

血管麻痹是指血管平滑肌收缩障碍导致其对血管活性药物反应低下甚至不反应, 临床表现为在充分液体复苏情况下仍然依赖大剂量血管活性药物^[3]。由于其具体发生机制尚不明确, 而且临床评估手段缺乏, 故目前尚无明确定义。

感染性休克时血管麻痹发生原因复杂多样, 涉及NO过度释放、肾上腺素能受体失敏、钾离子通道异常和钙失敏等多种病理机制, 而钾离子通道通过控制血管平滑肌细胞膜上的动作电位参与血管张力的调节, 在血管麻痹的发生机制中具有重要地位。

二、钾离子通道的分类、结构与功能 (一) 钾离子通道的分类

钾离子通道是一类存在于细胞膜上对钾离子选择性通透的膜蛋白, 广泛分布于神经、腺体、心血管等组织, 参与一系列重要的生理功能, 如血管张力的调节、肌肉的收缩、神经递质的分泌与释放、细胞体积的调节和细胞的增殖。其中参与调节血管张力的钾离子通道分布于血管平滑肌表面, 主要有以下四种类型:①电压依赖性钾通道(Voltage-gated potassium channel, K_V), ②钙激活性钾通(calcium-activated potassium channel, K_Ca), ③内向整流性钾通道(inwardly rectifying potassium channel, Kir)和④ATP敏感钾离子通道(ATP-sensitive K channel, K_ATP)。其中, Kv和Kir主要和神经元及心肌细胞兴奋有关, 而在血管麻痹中发生异常的主要为K_ATP和K_Ca^[4]。下文主要讨论K_ATP和K_Ca。

(二) 钾离子通道的结构与功能

1.K_ATP的结构及功能  K_ATP是由两种蛋白聚合而成的异源八聚体, 中央由四个Kir6构成钾离子选择性孔道, 周围环绕着四个磺酰脲受体(sulfonylurea receptor, SUR)。血管内皮细胞主要分布的亚型为Kir 6.1/SUR2B, Kir 6.1上有许多氨基酸结合位点, 它们共同形成一个ATP结合槽, 当ATP与结合槽结合后通道关闭, ADP结合后通道开放, 或者形成结合槽的氨基酸被磷酸化后, ATP结合槽的三维空间构象改变, 导致ATP与Kir6.1的结合减弱, 进而降低ATP对通道的抑制、增强通道的开放频率, 持续激活K_ATP通道。SUR2B含3组跨膜区间, 17个跨膜区段, 其中有两个核苷酸结合折叠处(Nucleotidefolds, NBF), NBF1和NBF2, 分别与ATP和Mg-ADP结合并相互竞争, 即NBF2和Mg-ADP结合后还能防止ATP在NBF1处的结合, 这也是ATP能抑制K_ATP通道, Mg-ADP激活K_ATP的原因之一。因此胞内ATP/ADP浓度比例对K_ATP通道活性调节起关键作用。生理状态下的ATP浓度使K_ATP在血管平滑肌(VSMC)中处于关闭状态, 血管平滑舒缩受此通道影响较小。一旦ATP的浓度明显降低, 则会引起通道开放, 使细胞超极化, 抑制钙离子通道的激活, 使血管扩张^[5]。

2.K_Ca的结构及功能  K_Ca根据电导大小分为大电导钙激活钾通道(BK_ca)、中电导钙激活钾通道(IK_ca)和小电导钙激活钾通道(SK_ca)。其中BK_ca通道在调节动脉平滑肌的膜电位中起主导作用, 同时也是在休克发生机制中被研究最多的钙依赖性钾离子通道。

BK_ca广泛分布于神经细胞、平滑肌细胞细胞膜上, 由4ɑ亚基和4个β亚基组成, 其中ɑ亚基包括3个主要结构域:电压感受区感受膜电位变化、孔道区通过开放和关闭控制K⁺的流动、胞内钙敏感区对Ca2⁺敏感; β亚基共有4种, 分别为β1-β4, 每种亚型在不同组织中特异性表达并且调控BK_ca, 平滑肌细胞中普遍表达β1。生理情况下, 动作电位使膜发生去极化, 然后Ca2⁺通过钙离子通道激活BK_ca, 中断动作电位, 产生超级化关闭钙离子通道。某些病理因素可通过亚硝化或者磷酸化BK_ca蛋白调节通道^[6]功能。因此BK_ca在神经信号传导、血管张力调节中发挥重要作用。

三、血管麻痹时钾离子通道的改变及其机制

感染性休克时, 钾离子改变主要表现为功能异常和数量异常, 即钾离子通道过度激活, 表达数量增多, 钾离子外流增加, 导致细胞膜电位超级化, 进而导致细胞膜上的电压依赖性钙通道关闭, 胞内钙浓度降低, 血管平滑肌舒张^[3]。

(一) K_ATP异常及其机制

感染性休克时导致K_ATP异常的发生机制主要包括ATP/ADP、NO-cGMP信号通路、环氧二十碳三烯酸(EETs)-cAMP信号通路、腺苷、超氧亚硝酸盐(OONO-)、表达数量增加^[7]。

1.ATP/ADP比例:感染性休克血管麻痹时组织灌注严重不足, 线粒体ATP生成减少, ATP/ADP下降, 对K_ATP通道的抑制作用减弱, K_ATP开放时间及开放频率增加。Tinker等缺血处理的动物实验中发现, 夹闭大鼠腹主动脉45分钟后复制酸中毒模型, PNU-37883A(K_ATP特异性阻断剂)组的收缩压比对照组下降幅度减少^[8], 提示在酸中毒病理情况下K_ATP可能过度激活。Dileep Shimizu等在去除内膜层并给予去氧肾上腺素预处理的人内乳动脉片段中发现, pH 6.8组相比pH 7.4组血管舒张明显, 给予格列苯脲后舒张效应几乎消失^[9]。进一步证实, 酸中毒可能通过激活K_ATP促进血管麻痹的发生。

2.NO-cGMP通路:感染性休克中过度释放的一氧化氮通过NO-cGMP信号传导通路促进K_ATP的异常活化。Murphy等人在家兔离体肠系膜动脉血管中发现, 给予cGMP特异性磷酸二酯酶抑制剂后, NO导致的血管平滑肌超级化作用增强。O'Brien等研究表明, 处于感染性休克早期(< 3h)的大鼠血管低反应性可被一氧化氮合酶抑制剂、鸟甘酸抑制剂和钾离子通道抑制剂完全逆转, 提高血管对缩血管药物的反应性和动物存活率^[10]。提示NO-cGMP通路参与了NO介导血管麻痹的过程, 机制可能是NO增多导致cGMP产生增加, cGMP激活的蛋白激酶, 导致K_ATP被磷酸化而激活。

3.EETs-cAMP通路:在感染性休克时, 内皮细胞产生EETs增多, 与血管平滑肌细胞膜上受体结合, 胞内cAMP浓度升高, 激活蛋白激酶A, 促进通道活化。环氧二十碳三烯酸(EETs)是内皮细胞中花生四烯酸细胞色素P450的代谢产物, 具有很强的K_ATP通道激活作用。Kuo J等人在离体肠系膜动脉血管平滑肌模型中发现, 给予14, 15-EET组膜电位较对照组增加6.9倍, 给予GSɑ抗体、霍乱毒素(内源性ADP核糖基化转移酶)、格列苯脲后该作用消失, 而3-氨基苯酰胺(ADP核糖基化转移酶抑制剂)可以强化14, 15-EET对K_ATP的活化作用^[11]。提示机制有可能是EET和细胞膜受体结合后, 催化ADP核糖基共价结合到GS的ɑ亚基上, 致使ɑ亚基丧失GTP酶的活性, 与ɑ亚基结合的GTP不能水解成GDP, 导致GTP永远结台在GS的ɑ亚基上, 使ɑ亚基处于持续活化状态, 因而腺苷酸环化酶不可逆地永久活化, cAMP升高, 激活蛋白激酶A, 通过磷酸化K_ATP, 持续激活K_ATP通道, 使血管平滑肌超级化舒张, 介导血管麻痹^[2]。但仍然需要在感染性休克动物模型中进一步证实。

4.超氧亚硝酸盐:感染性休克时NO产生大量增加, 通过与氧自由基合成超氧亚硝酸盐(OONO^-)参与血管麻痹的发生。Antione K等^[3]在24例家兔的颈总动脉中发现, 利用黄嘌呤、黄嘌呤氧化酶及硝普钠产生的OONO^-可以使血管平滑肌的膜电位和张力明显下降, 在给予格列苯脲后膜电位及张力恢复, 但是给予蝎毒素(钙依赖性钾通道阻断剂)无上述反应, 结果表明OONO^-通过开放K_ATP而不是K_ca使血管平滑肌舒张^[5]。

5.腺苷:腺苷是指由腺嘌呤和核糖通过糖苷键连接而成的化合物, 在心肌细胞能量代谢中具有重要的生理作用。目前证实, 在VSMC膜上有A1AR、A2aAR、A2bAR、A3AR等4种腺苷受体(adenosine receptor, AR), 腺苷通过与特异性腺苷受体结合可导致血管收缩(A1AR)或松弛(A2aAR, 2bAR)。近年研究发现在感染性休克患者中腺苷的水平明显增高, Claude Martin等人在一项51例样本量的前瞻性观察对照研究发现重症感染和感染性休克组腺苷水平高于健康对照组, 结果有统计学差异。Foster M N等^[4]进一步研究后认为, 在内皮细胞完整的血管中, 腺苷主要通过增加一氧化氮释放导致血管舒张; 而在去除内皮细胞的血管中, 腺苷能够激活A2aAR受体, 并通过Kv和K_ATP导致血管舒张, 并推测其可能途径包括以下三种:①cAMP/蛋白激酶(protein kinase, PKA)途径; ②通过线粒体产生过氧化氢; ③腺苷激活A2aAR后产生肌苷(inosine)放大激活作用^[12]。故进一步证明腺苷可能参与感染性休克血管麻痹的发生发展。

6.表达数量增多:感染性休克时, K_ATP在血管平滑肌细胞膜上表达数量增加。Marmolejo Murillo L G等人在腹膜炎大鼠模型中发现, 无论是在肠系膜动脉还是主动脉, 在盲肠结扎6小时和18小时中的SUR和Kir的mRNA水平都是增加的, 差异有统计学意义^[13], 提示在感染性休克时K_ATP表达是增加的, 数量上的增加导致更多的K_ATP被开放, 钾离子外流, 参与血管麻痹。

(二) BK_ca的异常及其机制

1.NO的亚硝化作用:感染性休克时, NO产生增加, 与K_ca蛋白质的半胱氨酸上的巯基形成共价结合激活BK_ca通道的功能。O'Brien AJ等发现, 在无cGMP和ATP的情况下, NO仍然能够增加血管平滑肌BK_ca的开放, 并呈浓度依赖性, 提示NO可能可以直接作用于K_Ca。而Arnefie等在神经元细胞中发现, NO可以和BK_ca蛋白的半胱氨酸巯基形成共价键, 从而激活BK_ca的活性^[14], 故推测在感染性休克血管内皮上可能也具有相同机制, 但需要进一步研究证实。

2.NO-cGMP通路:NO通过与血管平滑肌细胞膜的可溶性鸟甘酸环化酶(cGC)结合, 使胞内cGMP水平升高, 激活cGMP依赖的蛋白激酶G(PKG), PKG通过磷酸化BK_ca ɑ亚基的1072位丝氨酸而活化BK_ca。Sun X等人发现NO组相比对照组BK_ca通道的开放频率增加了3.3倍, 这种作用能够被PKG抑制剂KT5823阻断, 当不给于NO但加用ATP、cGMP、PKG时BK_ca开放频率也能够增加3.2倍, 在基因水平将BK_caɑ亚基的第1 072位色氨酸替换为丙氨酸时, 这种作用完全消失^[6]。提示通PKG过直接磷酸化BK_caɑ亚基的1 072位丝氨酸而激活通道。

血管麻痹是增加感染性休克患者病死率的重要因素。主要表现为难治性低血压, 并且对液体和血管收缩药物反应减弱或不反应, 而BK_ca通道和K_ATP通道异常激活在此病理过程中发挥重要作用。动物实验中证实钾离子通道阻断剂能够改善动物的血管麻痹, 但两项RCT研究却显示阴性结果^[15]。未来寻找血管平滑肌上特异的钾离子通道阻断剂及其合适的给药剂量或许是治疗感染性休克血管麻痹重要的靶点。