机械通气患者呼吸调控与中枢钾离子通道关系的研究进展
2018年7期
中华泌尿外科杂志，第41卷第7期 第553页-第557页
王云霞,周天瑜,孙超,钟益珏,张红,王广发
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机械通气是危重症患者生命支持的主要手段，可为其他治疗争取时间，但也有众多潜在合并症，甚至影响远隔器官[1,2]，最终导致患者死亡。在长期机械通气的ARDS患者中，多数患者会出现肺损伤及膈肌功能障碍，导致呼吸机依赖，但是也有部分患者出现非肌肉因素的呼吸机依赖[3]。随着肺脑对话[4,5]理念的提出，我们推测部分机械通气患者是由于呼吸中枢受到机械通气损伤，导致呼吸调控不稳定，进而出现呼吸机依赖。而呼吸中枢的兴奋性与中枢离子通道密切相关，其中钾离子通道起重要作用，钾离子通道在多种可兴奋型细胞和非兴奋型细胞中发挥重要生理功能[6]。根据通道的结构基础，钾离子通道主要分为3个家族：电压门控性钾离子通道(voltage-gated K＋ channel, Kv)、内向整流性钾离子通道(inward rectifying K＋ channel, Kir )和双孔钾离子通道(two-pore domain K＋ channel, K2P)[7]，其中后两者与呼吸调控密切相关。通道表达及功能的改变会影响呼吸中枢神经细胞的兴奋性，进而改变呼吸环路稳定性。本文就呼吸调控常见方式、机械通气患者呼吸调控失调与机械通气及呼吸调控与中枢钾离子通道之间相互关系的研究进展综述如下。
呼吸调控的常见方式包括机械性反射调节和化学性反射调节。机械性反射调节包括肺牵张反射(pulmonary stretch reflex)、呼吸肌本体感受性反射；化学性反射调节是化学因素对呼吸运动的反射性调节。
肺牵张反射由肺扩张或肺萎陷引起的吸气抑制或吸气兴奋的反射，又称黑-伯反射(Hering-Breue reflex)[8]。其感受器主要分布在支气管和细支气管的平滑肌层中，表现为当肺扩张或向肺内充气可引起吸气运动的抑制，而肺萎缩或从肺内放气则可引起吸气活动的加强。呼吸肌本体感受性反射，肌梭和腱器官是呼吸肌的本体感受器，当肌梭受到牵张刺激时，可以反射性地引起受刺激肌梭所在肌的收缩。
而在呼吸运动调节中化学反射调节更为重要，包括外周和中枢化学调节两种。外周化学感受器主要位于颈动脉体[9]和主动脉体，当动脉血中PO2降低、PCO2升高或H＋浓度升高，可以刺激外周化学感受器，冲动经窦神经、迷走神经传入延髓，反射性引起呼吸加深加快。中枢化学感受器位于延髓腹外侧浅表部位[10]，生理性刺激是脑脊液和局部细胞外液中的H＋，而不是CO2。血液中的CO2能迅速通过血脑屏障，使中枢化学感受器感受周围细胞外液中的H＋浓度升高，从而刺激该感受器，兴奋呼吸中枢。
呼吸调控可以维持机体O2和CO2水平保持在正常范围内，并调节酸碱平衡。这种调控作用是通过一个受多因素影响的负反馈通路来实现的，此负反馈通路主要包括O2和CO2的化学感受器、肺内感受器和呼吸肌等(图1)。
有研究结果表明，呼吸系统环路增益(loop gain)是定量评价呼吸调控稳定性的良好指标。环路增益的三大组成部分是控制器增益(controller gain)、效应器增益(plant gain)以及反馈增益(feedback gain)。控制器增益是指机体的化学反应敏感性，即机体对低氧/高碳酸血症的改变所做的通气反应。影响控制器增益的因素有化学感受器对气体张力变化的敏感性、呼吸中枢对化学感受器输出的敏感性、支配呼吸肌的下运动神经元的兴奋性与完整性、呼吸肌的张力等。其中呼吸中枢化学感受器的敏感性主要依赖各种离子通道功能状态的变化，所以呼吸调控与离子通道息息相关。环路增益＝控制器增益×效应器增益×反馈增益[11]。环路增益>1时呼吸系统调控不稳定[12]，常常出现呼吸反应过度，引发呼吸障碍。我们认为机械通气会使环路增益发生变化，从而使呼吸系统不稳定，这种不稳定是通过呼吸中枢各种离子通道实现的，特别是钾离子通道。
K2P通道是形成兴奋细胞静息电位的主要成分。自1996年第一个K2P通道家族成员的发现[13]，至今已经确认有15种亚型。K2P通道亚基包含4个跨膜段和2个孔隙域，功能性通道是由2个同源或者异源的亚基单位以二聚体形式构成的(图2A)。K2P通道与KV不同的是，它可以受到多种理化因素、内源性神经化学递质、信号通路和药物的调节。因此，K2P通道在不同组织细胞中不仅提供持续背景K＋电流，并受多种因素调控，参与不同的生理过程。下面我们就中枢两种不同通道类型及其与呼吸调控的关系进行介绍。
酸敏感的钾离子通道TASK(TWIK-related acid-sensitive K＋ channels)是K2P家族中的一员[14]。该家族通道类型包括TASK1、TASK3及TASK5。其中TASK1、TASK3及TASK1-3异型二聚体在中枢及外周广泛表达，而TASK5相对于其他两者TASK通道来说，不论是同型还是异型二聚体，都没有明确功能[15]，因此我们着重介绍TASK1及TASK3。
TASK1及TASK3以同型或者异型二聚体的形式在中枢神经系统广泛分布，主要表达在神经元胞体上，TASK3通道在新生大鼠胶质细胞上有表达，但是成年后会消失[16]；表达部位包括孤束核及延髓尾侧中缝核，这些都是呼吸相关核团[15,17,18,19]；而在产生呼吸节律起搏点的前包钦复合体(PBC)及腹侧呼吸组核团中，也有丰富表达[17]，在呼吸中枢模式发生器(central pattern generator)蓝斑及血清素能神经核团中表达也较丰富，且TASK3表达含量较TASK1更为丰富[20,21]。在自主神经系统的颈上神经节及结状神经节中，TASK1及TASK3的表达量也较高，可以感受并影响自主神经系统兴奋性[22]。
作为背景K＋通道，分布在不同组织器官的TASK通道持续参与细胞膜静息电位的形成，TASK3与TASK1有54%的序列同源性[23]，TASK1和TASK3通道的pK值分别是7.3～7.5和6.5～6.7，而TASK1/3异型二聚体通道的pK值约为7.3，更接近TASK1同型二聚体通道特性。TASK1和TASK3通道仅对胞外pH变化敏感，而对胞内酸无感受性[23,24]，其胞外第1个孔隙域的98位组氨酸是感受胞外pH变化的主要位点，当组氨酸感受胞外酸性环境并发生质子化后，TASK1及TASK3通道电流受到抑制(图2B)[25]。
在离体实验中，细胞外酸性环境对TASK1和TASK3通道的抑制作用明显，导致通道关闭，钾离子外漏减少，膜去极化，进而兴奋性增加[26]。之前我们课题组进行的大鼠睡眠呼吸暂停动物模型中，对SD大鼠进行睡眠呼吸监测，也发现大鼠脑干TASK1亚基增多与自发性睡眠呼吸暂停指数呈正相关。基于表达部位、通道特性、体外实验及我们课题组前期实验基础，我们有理由相信TASK1及TASK3通道对于中枢神经系统化学感受性及中枢呼吸驱动有重要意义。
但是在后续利用基因敲除小鼠进行的实验中，却发现该通道对中枢化学感受性没有作用[27]。斜方体后核神经元上敲除TASK通道后，细胞pH敏感性相对于野生型小鼠并没有变化，这表明中枢呼吸相关神经元核团上丰富表达的TASK通道对中枢化学感受性不起作用[28]；而在外周化学感受器颈动脉小体血管球Ⅰ型细胞及肺动脉平滑肌细胞上，酸中毒及低氧会诱导感受细胞去极化，导致颈动脉传入神经兴奋及肺动脉收缩，这印证了TASK通道在外周化学感受中起重要作用[29]。但是在TASK基因敲除的小鼠中枢神经系统并没有分离出具有确定性作用的化学感受离子通道，那么TASK1及TASK3通道在中枢神经系统的化学感受作用仍有待进一步验证。
基因敲除小鼠模型证实TASK1/3通道对中枢化学感受性没有作用，但是在我们进行的机械通气大鼠实验中，我们给予大鼠不同潮气量辅助机械通气后，进行脑干TASK1及TASK3蛋白半定量Western blot检测，却发现大潮气量组机械通气会导致大鼠脑干表达TASK1蛋白增加，较对照组及小潮气量组升高有统计学意义。
这就不免引起猜想：TASK1通道蛋白在中枢神经系统可以感受肺部牵张作用的变化？是否肺泡上皮细胞及肺细支气管平滑肌感受机械通气引发的机械刺激，进而引起传入神经兴奋性变化，导致中枢神经系统感受传入刺激不同，最终通道蛋白表达发生变化，呼吸中枢控制器增益增大，呼吸调控不稳？这一系列的问题有待进一步实验探究。
碱敏感的钾离子通道TALK(TWIK-relatedalkaline-sensitive K＋ channels)家族中主要包括TASK2、TALK1和TALK2。TASK2通道发现于1998年，命名为TASK2是由于其对胞外pH敏感的特性类似于TASK家族成员TASK1及TASK3，将其归于TALK家族是基于其对胞外碱性刺激敏感，与TALK1及TALK2相同[30]。与TASK家族通道不同，TASK2不仅仅对胞外pH敏感，胞内pH变化也会影响通道活性。哺乳动物中，细胞外酸抑制TASK2通道，而细胞外碱激活通道开放，pKa在8.3左右[31]，同样的胞内酸也会抑制通道活性，在斑马鱼细胞中进行TASK2通道pH-电流依赖性曲线(图3)。TASK2通道电导在60 ps左右，胞外pH可以调节通道开放性，但是并不会改变通道电导特性。通道蛋白胞外段224位精氨酸残基是感受胞外碱性刺激的主要位点，而细胞内245位赖氨酸残基感受胞内刺激[32](图4)。
注：N为通道相对开放数量
TASK2通道表达在胶质细胞上[33]，而非神经元胞体，但是有研究显示胶质细胞上的K2P通道，与神经细胞一起，参与重要的脑功能实施[34]，因此TASK2通道也可参与中枢神经系统功能调控。这些胶质细胞集中在中枢神经系统相对局限的神经核团斜方体后核中，感受中枢CO2及O2分子[32,35]。在野生型小鼠体内CO2浓度的升高会引起迅速且浓度依赖性的中枢TASK2通道抑制[36]，而在TASK2基因敲除的小鼠实验中，体描法显示出小鼠对低CO2浓度具有高度敏感性，进而导致高通气综合征[35]，这都说明在中枢神经系TASK2通道统对于CO2浓度的化学感受性对呼吸有调控作用。上已述及同时敲除TASK1/TASK3通道，会引起斜方体核酸敏感背景钾电流消失，但是中枢化学感受性却并没有受影响，而TASK2在中枢分布局限在斜方体后核，对CO2感受具有重要作用，并且基因敲除实验证实该通道是CO2/O2化学敏感性的重要分子，那么我们有理由相信TASK2在中枢化学感受作用中不可或缺，可能是在TASK1/3基因敲除后进行中枢化学感受作用的主要通道。
Kir是一种广泛存在于组织细胞膜上的蛋白复合体，因其"内向整流"的特性而得名。所谓内向整流性，即是指在相同驱动力的情况下，钾离子由细胞外流向细胞内比从细胞内流向细胞外容易得多。迄今为止，已发现的Kir家族成员有20多个，所有的Kir亚型之间大约有40%的氨基酸同源。每个Kir通道均由4个亚基组成，每个亚基具有2个跨膜链(M1和M2)，两个跨膜链(two-transmembrane, 2TM)之间是1个包含保守的H5片段的P环，形成2TMS/1P结构(图5A)。整个亚基的N端和C端都在细胞内。由于我们主要探讨中枢化学感受性，所以在此介绍表达在中枢的离子通道类型Kir4.1/Kir4.1-Kir5.1。Kir4.1/Kir4.1-Kir5.1对细胞内pH值非常敏感，而细胞外pH值的改变则对Kir4.1/Kir4.1-Kir5.1毫无影响[37]。体外实验证明当细胞内pH值为7.4时，Kir4.1-Kir5.1的通道开放率约为40%，Kir4.1的通道开放率约为90%。通道电流随pH值增高而增高，随pH值降低而减小。对于Kir4.1-Kir5.1来说，当pH值为8.5时，其通道电流达到最大；而pH值为6.5时，其通道电流完全被抑制[38](图5B)。
Kir4.1及Kir4.1-Kir5.1在中枢及外周组织中均有广泛表达。在中枢神经系统中，Kir4.1表达在小鼠的海马和丘脑，Kir4.1-Kir5.1则表达在新皮层和嗅球，并且两种通道似乎只表达于星形胶质细胞上[39]。Wu等[10]通过原位杂交的方法发现Kir4.1/Kir4.1-Kir5.1mRNA表达于大鼠脑干呼吸相关的蓝斑核、孤束核、疑核、迷走神经背核以及一些运动神经核团(包括舌下神经核、面神经核、三叉神经核)的神经元上。Kir4.1/Kir4.1-Kir5.1的分布特点及其对细胞内pH值敏感的特性，强烈提示两种通道可能作为化学感受分子参与呼吸调节活动。
Wenker等[40]在大鼠斜方体后核的星形胶质细胞上发现了Kir4.1-Kir5.1样电流，当细胞内pH值降低时，此电流将会被抑制，引起细胞去极化兴奋，释放大量ATP，这些ATP通过与神经元上受体结合，使神经元兴奋，发放更多的呼吸冲动，使呼吸驱动力增强。Kir5.1基因敲除的小鼠蓝斑核CO2敏感性降低[41]。在呼吸相关的疾病Rett综合征小鼠模型中发现Kir4.1表达增多[42]。这些线索都提示Kir4.1/Kir4.1-Kir5.1与呼吸调控确实存在着密切联系。
综上所述，机械通气虽然可以挽救危重症患者生命，但可能会影响患者呼吸中枢功能，进而导致呼吸机撤机困难，增加经济负担，降低患者生活质量。在呼吸中枢相关核团中，存在众多钾离子通道，调控呼吸冲动发放及呼吸模式形成。我们有理由相信在众多刺激因素作用下，离子通道会发生表达及功能的变化，进而影响呼吸调控，导致呼吸不稳，影响机械通气患者预后。