10　反向频率依赖性与心律失常

一、前言

心肌细胞动作电位（action potential，AP）的产生是心肌细胞膜上一系列内向离子流（钠电流和钙电流）和外向离子流（多种钾电流）依次激活和失活的结果，动作电位持续的时间称为动作电位时程，代表心肌细胞从除极开始到复极结束持续的时间。动作电位时程（action potential duration，APD）的反向频率（或速率或使用）依赖性，又称逆频率依赖性（reverse rate dependence，RRD）是指动作电位时程在心率增快时缩短，而在频率减慢时延长的一种现象，RRD是正常心脏对心率变化的一种适应性改变/隐含特性，即心肌细胞APD随心率增加而缩短，反映了心肌细胞单个离子通道电流潜在的频率依赖性，较小的RRD存在于正常心脏的APD，反映在心电图的QT间期也存在RRD，即QT间期在心率慢时较长，心率快时较短。

心脏的RRD是心脏对频率改变的反应性变化，对心脏的不应期起到调节作用，对心脏在频率变化时的复极过程起到保护作用。影响心脏复极的病理过程，无论药物、离子通道病或器质性心脏病，都可能增加心肌细胞和整个心脏的RRD，从而造成心率减慢时APD/QT的过度延长，这个过程与慢频率或长间歇依赖的心律失常，特别是多形性室速，如尖端扭转型室速（TdP）相关。过度增大的RRD增加了心脏病患者慢频率或长间歇依赖性心律失常的发生率，更加重要的是，RRD对可能影响复极的抗心律失常药物具有降低疗效，同时促进致心律失常发生的可能性，典型例子是Ⅲ类抗心律失常药物通过延长复极时间即APD/QT间期起作用，但药物造成的RRD降低了在快速性心律失常发生时药物的抗心律失常效果（快心率时APD延长幅度小），在心律失常终止后由于心率突然减慢，RRD可造成APD/QT的过度延长而造成慢频率依赖的致心律失常作用，特别是TdP，可能严重威胁患者的生命，因此研究心脏RRD对慢频率或长间歇依赖的心律失常的预防和治疗有重要的意义。

有关频率依赖性产生机制的假说很多。理论上讲，任何造成舒张期内向电流（如钙电流和钠电流）幅度增大或外向电流（如各种钾电流）幅度减小的因素都可以引起RRD增大，其他因素，如舒张期短时延迟整流钾电流不完全恢复，通过钠钙交换体（Na+/Ca2+ Exchanger，NCX）引起的内向电流的增加，内向整流钾电流（IK1）的减小，内向钙电流减少，钾电流和钙电流之间的平衡等。

近年的研究表明，APD的反向频率依赖性与晚钠电流（late sodium current，INaL）的幅度在心率减慢时增大相关，内源性晚钠电流存在于正常心脏，幅度很小，只有峰钠电流的千分之一，但在心率减慢时明显增大，心率增快时快速减小。动作电位平台期（2期）由钙离子缓慢内流（即电压依赖性L型钙电流，L-type Ca2+ inward current，ICa，L）和少量钾离子缓慢外流形成所致，是内向电流和外向电流相互平衡的结果，此时膜电位稳定于1期复极所达到的0mV水平。此外，平台期还伴有少量的Na+内流，即“晚钠电流”，又称“持续性钠电流”，是由于未完全失活或失活后再开放的钠通道形成的极少部分（1%左右）钠离子持续内流，也是平台期离子流的重要成分。本文将对心肌细胞动作电位反向频率依赖性的离子基础及其在心律失常中的作用进行复习。

二、心肌细胞动作电位反向频率依赖性的离子基础

1.RRD与ICa，L

ICa，L是心肌细胞AP平台期形成的重要离子流，多种病理因素，如心力衰竭、心肌缺血/再灌注、心肌肥大、儿茶酚胺敏感性增高等病理情况及某些钙相关的遗传性离子通道病造成ICa，L增大和细胞内钙浓度增高，导致APD延长。激活的L型Ca2+内流将以RRD方式使APD延长。此外，ICa，L激活后可经CaMKⅡ途径进而激活INaL，且ICa，L的激活与延迟整流K电流（delayed rectifier K+ current，IKr）或内向整流K电流（inward rectifier K+ current，IK1）相关。研究发现，L型钙通道激动剂Bay K 8644可使正常心脏的反向频率依赖性增大，即在心率慢时Bay K 8644对MAPD（monophasic APD，单相动作电位时程）的延长作用较心率快时更加明显，说明APD的反向频率依赖与ICa，L相关。

2.RRD与IK

无论是生理状态还是药物作用均会使APD的RRD增加，但其具体机制尚不明确。生理条件下，哺乳动物的APD主要由IKr和IKs（缓慢激活延迟整流钾电流，slowly activating delayed rectifier K+ current）决定。IKs会随着心率的增加而增大，一般认为这个过程是由于当心率加快时，离子通道不完全失活或细胞外K+聚集造成。此外，有些K+电流相关的药物作用也会呈现RRD，如色原烷醇293B以频率依赖的方式通过抑制K+电流而延长了APD。发生机制可能是由于药物与离子通道的结合和解离具有时间和电压依赖性，即药物诱发RRD增加的原因。因此抑制IKr的药物在治疗心动过速的同时有可能由于APD的反向频率依赖性而造成药物疗效降低，而且有可能诱发心律失常。但这些机制没有完全得到实验和（或）临床证据的支持。Ⅲ类抗心律失常药（抑制多种钾电流，药物包括胺碘酮、索他洛尔、溴苄铵、依布利特和多非利特等）可使生理性的RRD增大，即在心率慢时对APD/QT间期的延长作用较心率快时更加明显。

3.RRD与INaL

INaL是参与心脏复极（平台期）的重要内向电流。心肌细胞的钠通道开放，在除极后2～3ms内钠通道即因迅速失活而关闭，在复极期仅有极少量的钠离子继续进入心肌细胞，产生极小的内向钠电流，称为内源性延迟钠电流。越来越多的证据表明，INaL具有频率依赖性，并促进了心室复极的频率适应和反向依赖性。其电流大小对刺激频率的变化非常敏感，即高频率刺激时该电流较小，而低频率刺激时该电流明显增大，在频率突然增快后的几次心搏之内显著减小，并在APD/QT间期的频率依赖中起着核心作用，这种变化在晚钠电流幅度较大的浦肯野纤维更加明显。因此，INaL的频率依赖性可能是导致APD反向频率依赖性的基础之一。动作电位平台期，内向和外向离子电流相对平衡，因此，即使很小的变化也可影响动作电位时程。在兔心肌细胞中研究发现，经高频和低频刺激后，INaL密度增加与MAPD和BVR（beat-to-beat variability of repolarization，逐搏变异性）的RRD一致。当心率加快或高频刺激时，心脏在起搏的初期胞内Na+快速增加，INaL快速减小，该效应与钠泵促进Na+外流和NCX电流有关，使得APD缩短；而心率减慢时，Na通道失活减少使INaL的增大，继而导致APD延长（图1-10-1）。

4.IK和INaL抑制剂对RRD的影响

具有多离子通道阻滞作用的IKr阻滞剂，如胺碘酮和雷诺嗪，可以同时阻滞INaL，引起的RRD较小或不明显，这些药物没有或仅有轻微的致心律失常风险。

内源性INa-L在由IK抑制剂引起的APD和BVR的RRD中起重要作用。如果病理作用引起INa-L增大，则可能会增加IKr阻断药物的RRD。抑制内源性INa-L可拮抗药物或病理性IKr减小相关的APD/QT间期的RRD延长，并且降低因心率较慢或心跳暂停而引发的心律失常风险。研究发现，应用河豚毒素（1μmol/L）和雷诺嗪（10μmol/L）分别选择性抑制INa（相对于其他离子流）和INaL（相对于峰钠电流）后，延长的APD/QT间期以及BVR的RRD均减少，机制是上述药物抑制内向INa-L可以抵消因IKr阻滞剂导致的外向K+电流减小的影响。心脏河豚毒素敏感性钠内电流（内源性INa）的内源性（或生理性）缓慢失活组分通常很小。

由于晚钠电流的频率性变化，应用钾通道阻滞剂或低钾状态可明显增强心室复极的频率适应性。频率适应是指心脏为适应心率的变化所发生的动态性改变，具体表现是在心动过速时复极时程缩短，心动过缓时复极时程延长。但当异常的频率适应增强时将导致心律失常，可能是因为促进心动过缓或暂停依赖的早后除极（early after depolarizations，EADs）的发生。另一方面，由于增加INa-L和抑制IKr可以增加APD和BVR的协同作用，如在缺血性心脏病和其他结构性心脏病中INa-L增大可以增加IKr阻滞剂的致心律失常作用，因此我们可以通过抑制INa-L进而降低APD的RRD的方式，拮抗由IKr抑制性疾病或药物引起的心率减慢和心跳暂停发作相关的室性心律失常。药物效应也可能具有RRD特性，即心率较慢时药物延长APD的作用比心率较快时更强。

三、心肌细胞动作电位反向频率依赖性与心律失常

心脏不同部位心肌细胞的INaL大小存在差异，如浦肯野细胞（Purkinje cells，PCs）的INa-L明显大于心室肌细胞（ventricular myocytes，VMs），导致PCs的APD更长；而心室肌细胞中，中层细胞（M cell）的INa-L密度更高，复极更长，其次是内层心肌细胞，导致三层细胞的APD不一致，存在复极差异，即跨壁复极离散性。这种跨壁复极离散性是保障电信号单向传导扩散以及心肌协同收缩和舒张的基础，同时也使得不同细胞的APD的频率依赖性不同。PCs和M细胞的RRD较高，且PCs的频率依赖程度更大，更容易诱发EADs，触发心律失常。研究亦发现，心动过缓时心室肌跨壁复极离散度显著增加。临床上用QT间期代表心室复极，心室复极异常可引起严重的室性心律失常。例如，长QT综合征，无论是遗传性或是后天获得性的，都是由于QT间期（心室复极）过度延长而引起的临床综合征。心室肌RRD的显著增大，如在长QT综合征患者可促使尖端扭转型室速的发生。

生理状态下，心肌细胞复极期仅有极少量Na+通道持续开放，产生很小（仅有30～50pA）的内源性INa-L，对APD/QT间期影响极小，因此抑制正常心脏的INaL并不能明显缩短APD，但在复极储备降低的心脏[如各种原因导致内向电流增大和（或）外向电流减小时]，即使很小的INa-L也可导致APD延长，发挥重要的致心律失常作用，此时，抑制延迟钠电流可缩短APD并降低其跨室壁离散度。需要指出的是，在IKr抑制剂诱发的RRD增大中，内源性晚钠电流也可能起有作用，因此INa-L抑制剂TTX（1μmol/L）和雷诺嗪（10μmol/L）可显著降低IKr阻断剂E-4031和d-索他洛尔所致动作电位时程的反向频率依赖性。另外，心率较慢时，IK减小或INaL增大引起的BVR增加导致心律失常风险增加，也与药物引起的室性心动过速有关，但BVR频率依赖性增加及其机制尚不明确。实验表明，1μmol/L河豚毒素抑制兔心脏的INa-L但不能明显改变BVR的RRD，E-4031和d-索他洛尔可减弱BVR的RRD增加。

心肌细胞动作电位平台期钙内流增多，延长APD，继而引发ICa-L再激活，易发生EADs，触发心律失常。心肌细胞Ca2+超载时，激活了Na+/Ca2+交换电流（INCX，3个Na+内流，1个Ca2+外流），增加内向电流，最终形成瞬时内向电流ITi，导致DADs（delay after depolarizations，晚后除极），进而发生心律失常。

药物的RRD与室性心律失常活性有关。目前认为，由药物阻断快速激活延迟整流钾电流（IKr）产生的RRD增大是药物的一种不良反应，因为它造成了在快速心律失常时药效的减弱，还可能在快速心律失常终止后心率减慢时发生致心律失常作用。

心肌细胞动作电位时程的反向频率依赖性的主要离子基础为参与AP的平台期的INa-L及IK，并且在药物引起INa-L增大和（或）IK减小以及心脏复极储备减小时，在慢频率下APD延长更显著，易诱发心律失常。这些理论可以用来指导临床上慢频率或长间歇依赖的心律失常的治疗，也可以解释Ⅲ类抗心律失常药物的慢频率及长间歇依赖性致心律失常作用机制，为降低药物的致心律失常作用打下基础。开发不具有使RRD过度增大（如兼有晚钠电流抑制作用）的药物可能会降低药物致心律失常作用的不良反应。

（吴林　揭起强）

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