TWIK-1与Kir2.1钾通道协同作用对低钾血症诱发的心肌细胞触发活动的机制研究

Triggered activity (TA) play an important role in hypokalemia-induced cardiac arrhythmias, and the mechanisms underlying the hypokalemia-induced Triggered activity is not completely understand. Our previous study showed that in hypokalemia TWIK-1 potassium channels change selectivity and become permeable to Na+. The Na+ currents carried by TWIK-1 potassium channels counterbalance to K+ currents carried by Kir2.1 channels, contributing to the transient membrane potential depolarization in cardiac myocytes. However, the mechanisms underlying the hypokalemia-induced Triggered activity still requires further investigation. For this purpose, we hypothesize that the counterbalance between TWIK-1 and Kir2.1 potassium channels contribute to the hypokalemia-induced Triggered activity. To test the hypothesize, we will employ the cardiomyocytes derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC-CMs )as the models of cardiac myocytes and with strategies in adenoviral vectors、RNAi、patch clamp、ion imaging to discuss the role of TWIK-1 and Kir2.1 potassium channels in hypokalemia-induced Triggered activity, and to observe the effects of functional changes of TWIK-1potassium channels on the intracellular Ga2+ concentration. The aim of this study is to illuminate the mechanisms underlying the hypokalemia-induced Triggered activity, and provide theory basis on etiology of hypokalemia induced arrhythmias.

触发活动是低钾血症诱发心律失常的重要机制之一，但其发生的机理尚不完全清楚。我们前期的研究表明:低血钾时TWIK-1钾通道改变离子选择性并通透钠离子,当其传导的钠电流与Kir2.1钾通道传导的钾电流达到动态平衡时，协同作用会引起心肌细胞膜电位瞬时去极化。但低血钾诱发的心肌细胞触发活动的分子机制还有待进一步探讨。为此，我们推测，低血钾时TWIK-1与Kir2.1钾通道协同作用诱发心肌细胞触发活动的发生。为了验证这一假说，我们将通过人类干细胞诱导而来的心肌细胞模型，采用病毒载体转染，RNAi干扰，电生理，离子成像等手段，从分子和细胞水平来探讨TWIK-1与Kir2.1钾通道在低血钾诱发的心肌细胞触发活动中的作用；并观察TWIK-1钾通道功能的改变对心肌细胞内钙离子浓度的影响，以其阐明低钾血症诱发心肌细胞触发活动的分子机理。这一研究将为低钾血症诱发的心律失常的致病机制提供理论基础。

低钾血症是临床各科室常见的电解质紊乱之一，可导致心律失常，危及生命。异位起搏活动是低钾血症诱发心律失常的主要病理基础之一，但其发生的机理尚不完全清楚。我们前期的研究表明:低血钾时TWIK-1（k2p1）钾通道功能发生改变并介导钠漏电流,引起心肌细胞兴奋性异常。本课题主要研究内容为采用心脏特异性表达k2p1的基因工程小鼠（k2p1-Tg）结合人类干细胞诱导而来的心肌细胞模型（hiPSC-CMs），通过构建低钾血症小鼠模型，从细胞、组织以及动物整体水平，阐述k2p1在低钾血症诱发心律失常过程中的作用及其分子机制。本课题得到如下重要数据和结果（1）在低钾血症条件下，与对照小鼠相比较，k2p1-Tg小鼠发生室性以及室上性异位起搏活动的几率和频率明显增高；在重度低钾血症条件下，k2p1-Tg小鼠具有较高的死亡率，与未死亡的k2p1-Tg小鼠相比较，死亡的k2p1-Tg小鼠发生异位起搏活动的频率明显增高，并逐渐发展为室速，多形性室速，室颤，最终导致心脏骤停。（2）电标测结果表明，在低钾血症条件下，与对照小鼠相比，K2P1-Tg小鼠的离体心脏发生异位起搏活动的频率明显增高且发生时间更早；心室传导离散图的结果显示，K2P1-Tg小鼠离体心脏的起搏位点发生转移且传导不均一，方向紊乱。（3）膜片钳结果显示，在低钾血症条件下，k2p1-Tg小鼠心室肌细胞的静息膜电位发生去极化且伴随自发性动作电位的产生。（4）在低钾血症条件下，k2p1-Tg小鼠的心室肌细胞以及hiPSC-CMs发生钙超载，且不可被Ouabain所逆转；将hiPSC-CMs的k2p1基因敲减后，低钾引起的胞内钙离子浓度增高的幅度显著降低。上述结果说明，在低钾血症条件下，K2P1介导的内向钠离子电流首先引起心肌细胞静息膜电位异常去极化，其次通过钠钙交换机制引起细胞内钙超载，从而导致自发性动作电位的产生，最终诱发异位起搏活动以及致死性心律失常。