7　心房肌细胞T型管密度

心肌T型管（横小管）是心肌细胞膜上特异性的细胞器，在心肌规律性收缩中对于钙离子信号和兴奋-收缩偶联起关键作用。T型管有许多分支并形成相互连通的网络，这些网络突入肌细胞内部并与细胞基质形成连接。T型管可以选择性富集离子通道和蛋白，这些离子通道和蛋白对于兴奋-收缩偶联中钙离子转运具有重要作用。因此，T型管是心肌细胞功能的一个关键组成部分。

心肌T型管是肌膜内陷形成的沿细胞Z线附近以规则的间隔出现的横向结构，可以使动作电位快速传播到细胞内部。心肌T型管富含L-型钙离子通道（LTCC），其介导初始动作电位触发的钙离子进入心肌细胞内。心肌局部钙离子浓度上升可以激活附近位于肌质网（SR）的兰尼碱受体（RyR），从而使大量的钙离子从肌质网进入细胞质内。心肌细胞上的LTCC接近SR上的RyR，T型管是保证有效的兴奋-收缩偶联所需正常的钙离子内流的结构基础。T型管的本质特征是其会随着疾病的进展而出现结构的动态变化，与其经历的大量重构相适应。心肌兴奋-收缩偶联是由心肌细胞除极使肌膜上LTCCs开放，钙离子内流激活RyR，并引起肌质网钙池钙释放。钙触发钙释放过程可产生触发活动或折返，从而引起心律失常。

已有许多在小型实验动物模型进行的关于如何调控心房兴奋—收缩偶联以及在房颤等疾病中作用的研究结果。最近的实验表明，小型动物与大型动物（包括人类）的心房肌在基础结构上存在差异。这些结构差异更具体地说是大型动物（包括人）的心房肌存在完善的T型管网络，这可能会彻底改变我们对心房肌钙稳态以及T型管在疾病中作用的观点。

一、心肌T型管的蛋白结构

研究证实，心肌膜骨架蛋白-3、亲联蛋白2、双载蛋白Ⅱ和BIN1在T型管形态的维持上起重要作用。此外，小窝蛋白3、锚定蛋白B和BIN1在T型管膜子区域的形成和调节中也起重要作用。已有研究系统地阐述了离子通道和转运蛋白在兴奋—收缩偶联和膜的兴奋中起的调节作用。

BIN1作为心脏衔接蛋白首次被发现，BIN1基因改变可以导致心肌病大鼠出现围生期死亡。后来有研究发现BIN1定位于心肌T型管上，可促进微管依赖的钙离子通过Cav1.2通道进入T型管。已有多项研究结果表明，在动物或人类的心衰模型中，BIN1减少将影响LTCC在T型管表面的表达。而且在斑马鱼模型中，吗啉基介导的BIN1基因敲除将诱导显著的收缩功能紊乱和心肌病。最近，出生后给予BIN1基因敲除的小鼠增加了衰老的速度和压力负荷诱导的心肌病的发生。

T型管一般位于Z线位置，蛋白与Z盘或者细胞骨架上的蛋白相铆接，例如亲联蛋白2、双载蛋白Ⅱ被认为与心脏和骨骼肌内T型管的形成及离子通道锚定T型管上相关。心衰、房颤等心脏疾病中这些蛋白表达改变，而T型管的缺失或杂乱则认为与这些蛋白相关。然而仅有少数研究应用基因敲除的方法证明了亲联蛋白2和双载蛋白Ⅱ与T型管缺失时T型管修复以及收缩期钙瞬态之间的关系。由于Z盘上蛋白多样性以及蛋白间作用的复杂性，将来会发现更多与T型管形成、排列、修复相关蛋白或者蛋白联合的其他作用。

二、心房肌细胞T型管的认识

大量研究发现，心室肌与心房肌T型管有很大的差异，心室肌T型管密而规整，而心房肌疏而杂乱，但是心房肌T型管又表现出明显的物种差异。Smyrnias等研究发现，T型管存在于小部分成年大鼠心房肌内，且与心室肌的T型管不同。Frisk等人在冰冻组织切片和分离心肌内发现，大约1/3的大鼠心房肌内存在T型管，约10%的心房肌细胞，T型管网像心室肌样呈横向排列（图1-7-1）。

早期从人分离心房肌的研究中发现收缩期钙瞬态的上升阶段包含两部分：先快后慢直到平稳。这个现象与之前几项在小型动物缺乏T型管的心房肌研究结果相一致，认为人心房肌缺乏完善的T型管网。但最近的研究证明，大型哺乳动物（包括人类）的心房肌细胞具有完善的、有功能的T型管网。Dibb和Lenaerts的研究表明，绵羊心房肌细胞具有完善的T型管网，心衰与房颤时，T型管网都受到破坏。但是T型管网的面积在不同物种间有所不同，这些不同可能是局部的差异或者仅仅是因为细胞大小不同的结果，窄一点的细胞比宽大的细胞T型管网面积要小。

除物种差异外，左、右心房之间T型管也存在着差异。Arora在犬心房肌研究发现，大部分右房和左房心肌内至少存在局部T型管网（右房75%和左房87.5%）。这个数字明显高于Frisk的研究报告。这些差异也许是因为种属不同或者是心内膜与心外膜T型管的差异。T型管的形态在培养状态、急性牵张、心力衰竭和房颤时可以改变。更重要的是，此研究还发现25%右房和12.5%左房心肌完全缺乏T型管，这也许有重要的生理性或病理性意义。

三、心房肌T型管分布对兴奋—收缩偶联的影响

我们现在对心肌细胞兴奋—收缩偶联的了解主要来自心室肌细胞。近几年来已开始对心房肌细胞的兴奋—收缩偶联明显感兴趣，并依据最新研究的数据表明，心房肌细胞的兴奋—收缩偶联的异常在房颤的发生机制中起十分重要的作用，而房颤又是最常见的心律失常之一。最新研究表明，心房肌与心室肌钙瞬态有明显的差异，这种差异至少部分反映了心房肌与心室肌之间横向T型管的不同。

心肌细胞的收缩由兴奋—收缩偶联机制触发：动作电位发生时，多渠道介导少量钙离子内流，随后触发胞内肌质网钙池释放大量钙离子，产生钙瞬态，触发收缩。T型管在兴奋—收缩偶联中发挥着重要作用，包括将动作电位传递到细胞内部以及连接细胞膜与胞内储存钙离子的肌质网。肌质网在高度特异性的连接微区与T型管网相邻。此微区内L型钙通道正对肌质网上RyR，化学计量法计算每个L型钙通道对应4～10个RyR。肌质网与T型管膜间隙约为10～15nm，称为二价间隙。RyR与L型钙通道以二价间隙的簇集方式构成一个功能单元称为耦合或者二联体。当一个或几个L型钙通道开放时，通过钙触发钙释放的放大体系触发RyR释放钙离子，这种现象可在非刺激心肌细胞通过诱发钙火花观察到。当动作电位到达细胞时，触发成千上万的钙火花，共同形成钙瞬态。钙触发钙释放范围以及钙瞬态幅度取决于肌质网钙池储备，而钙储备取决于钙回收与钙释放间的平衡。然而，内流钙离子与肌质网钙离子释放之间的高效偶联也需要钙通道与RyR精确定位以及二联体中其他蛋白的参与。

心肌细胞的舒张期钙离子通过肌质网钙泵回吸收以及钠钙交换体和细胞膜钙泵排出胞外。但细胞膜上钙泵对细胞内钙离子的外排作用较小，因为其动力学相对缓慢。另一方面，钠钙交换体位于细胞膜表面和T型管膜上，但其密度是T型管的3倍。钠钙交换体具有生电性，其转换模式为3个钠离子和1个钙离子交换，这意味着钠钙交换体的转运速率取决于细胞膜电位和跨膜钠离子与钙离子浓度梯度。虽然钠钙交换体的主要功能是外排钙离子（正向模式），但其反向模式也可以促进钙离子进入细胞。最近实验证实，钠钙交换体介导钙内流发生在钙离子进入细胞的早期阶段要先于钙通道。钠钙交换体介导的钙内流也可引起肌质网释放钙离子，但是效率较低。

宏观上，正常心室肌细胞收缩时肌膜与胞内钙离子是同步升高的，这得益于发达的T型管网。相反，心房肌细胞的钙瞬态同步性差，特别在缺乏T型管网的心肌，细胞周边先出现钙瞬态，随后因钙触发钙释放机制传递至细胞中心（出现细胞中心钙瞬态延迟的特征，表现为U或V形钙波）。除了缺乏T型管外，心房肌钙缓冲能力的增强以及肌膜下线粒体缓冲屏障和钙泵也导致收缩期钙瞬态被局限在肌膜下而不能播散入细胞中央。此外，还有研究表明，与心室肌内LTCC与RyR共存于T型管网相比，心房肌的LTCC与RyR的关联非常微弱。这种不共存关系表明，横向T型管网上存在极少数的功能性钙释放单元或者偶联体，因此细胞中央的钙瞬态则主要依靠钙触发钙释放机制。

微观上，钙瞬态是无数区域钙火花的空间与时间总和的结果。钙火花是钙释放的基础现象，或者说是收缩期钙瞬态的结构单元，其结果是微区域的钙离子升高。心室肌内钙火花主要位于沿T型管的Z线分布，这证明了LTCC与RyR耦合在触发钙火花中的作用。然而与心室肌不同的是，心房肌钙火花主要位于细胞周边，再一次证明耦合在触发钙火花中的作用，这也说明了缺乏T型管的心房肌，LTCC与RyR分布于细胞表面。

总的来说，虽然心房肌内T型管不完善，但对兴奋—收缩偶联也起着重要作用。虽然心房肌细胞的T型管网稀少的确切生理学意义还不完全清楚。但不同于心室肌细胞，心房肌细胞相对稀少和不规则分布的T型管可能对心房肌的兴奋—收缩偶联起更微妙的作用。有一些研究证实了心房肌细胞宽度与T型管表达之间的关系，据推测正常心房肌T型管的生理意义是促进收缩与舒张的同步。无论T型管和兴奋—收缩偶联在心房肌收缩中的作用如何，但是没有T型管的细胞出现明显的非同步钙释放。同时，心房肌内T型管形成梯度也有可能建立兴奋—收缩偶联梯度。这种梯度在心衰和房颤等病理状态下由于T型管的进一步缺失而被放大。

四、心房肌T型管在房颤基质形成中的作用

已有研究显示，心力衰竭时心脏重构中心室肌细胞的T型管发生形态改变。最近又有研究发现，心衰或房颤的心房肌存在同样的T型管丧失。这种T型管丧失对收缩期的钙瞬态影响很大，因而仅细胞周边出现钙瞬态。钙电流密度减小是房颤的一个特征。LTCC的mRNA和蛋白表达减少以及磷酸化和氧化还原的修饰导致了钙电流密度的减小。肌质网钙触发钙释放减少可能是房颤收缩功能障碍的主要因素。钙释放与钙扩散也取决于兰尼碱受体的性能、T型管网面积、线粒体钙缓冲系统、肌质网Ca2+ ATP酶（SERCA）或肌丝以及肌质网钙池。

持续性房颤时心房发生整体扩大重塑，而且心房扩大伴随着细胞外基质的改变，这可能使细胞发生移动和重排。除此，心房扩大还可能是因为心肌细胞在一定程度上发生了超微结构改变，同时伴随着糖原沉积和细胞肿胀而引起细胞肥大和细胞体积增加，引起表面积/体积（S/V）明显减小。房颤与心衰实验都发现T型管密度和S/V降低。

除此，持续性房颤病人心房肌收缩力减弱主要因为胞内钙瞬态幅度的减小。实验表明，涉及多种改变，其中最重要的是肌膜上L型钙通道的组织结构、密度以及功能的改变。这种改变可能与孔单元蛋白表达减弱有关，但是基础磷酸化的减弱也可能发挥着作用。房颤时心肌肌膜钙释放减少，可能的机制是钙通道数量或活性减弱，也或是由于钠钙交换增加导致局部触发性钙离子减少。而慢性房颤时钙离子在兰尼碱受体之间的传播速度未受影响。即使兰尼碱受体的功能未受影响，但是心肌细胞增宽以及非偶联兰尼碱受体数量增加会延长钙离子从肌质网到细胞中心的传播时间。而钠钙交换体活性增强可代偿由于快速无规则的心房除极活动产生的细胞内钙超载。实验中，控制细胞膜电位并没发现钙瞬态有所减弱，这表明钠钙交换体活性虽然增加，但对钙离子的转移是适度的。肌质网释放钙离子后快速移除钙离子的主要机制是钙泵。然而，增加钠钙交换体活性可能会减少局部钙离子对兰尼碱受体的激活。除此之外，任何与心肌收缩力变化相关G蛋白偶联蛋白，如β肾上腺素受体，同样也仅仅存在于细胞表面，因此，对收缩期钙瞬态的影响不仅取决于局部钙释放，也取决于胞内信号级联反应。

近期有多项研究证实了T型管在房颤病理中的重要作用并且作为房颤的一种发生机制。大型哺乳动物可自发房颤，因为心房足够大，有足够的组织维持房颤的颤动转子，也就是心房比颤动转子波长大。相反，在缺乏T型管的小型动物，如小鼠，心房太小以致不能维持房颤的颤动转子。由于小鼠与绵羊心房肌T型管密度不同，而绵羊更易发生房颤则说明可能正是T型管使大型动物易发房颤的现象。另一种观点是大型动物心房肌较大，正如前面所述，心房的大小对房颤的颤动转子的形成起着重要作用，心房肌越大，T型管密度也越大。从此意义上讲，T型管也许是无辜的，仅仅是因为细胞体积大，需要增加T型管密度来增加收缩期钙瞬态幅度。

此外，心衰相比于房颤，除了T型管缺失外，还发生了细胞外基质（纤维化）和离子通道表达重塑，后者可能在诱发房颤中也起了关键作用，这说明房颤的易感性也就不依赖于T型管的缺失了。心房T型管重塑可能在房颤病理机制中有两个独立的作用：一是T型管膜上的钠钙交换体通道可能会增加钙离子依赖性迟后除极的发生，从而触发房颤。二是因为离子通道集中分布于T型管，在房颤发展中T型管的缺失，使心房的L型钙电流、动作电位时程、有效不应期都缩短，从而促进了兴奋波折返，并由于房颤的颤动转子波长缩短而使房颤持续存在。

（宋焕秋　刘元生）

参考文献

[1]Rishi Arora，Gary L Aistrup，Stephen Supple，et al. Regional distribution of T-tubule density in left and right atria in dogs. Heart Rhythm，2017，14：273-281.

[2]Ilse Lenaerts，Virginie Bito，Frank R Heinzel，et al. Ultrastructural and functional remodeling of the coupling between Ca2+ influx and sarcoplasmic reticulum Ca2+ release in right atrial myocytes from experimental persistent atrial fibrillation. Circ Res，2009，105：876-885.

[3]Sarah Kettlewell，Francis L. Burton，Godfrey L. Smith，et al. Chronic myocardial infarction promotes atrial action potential alternans，afterdepolarizations，and fibrillation. Cardiovasc Res，2013，99：215-224.

[4]Andrew W. Trafford，Jessica D. Clarke，Mark A. Richards，et al. Calcium signalling microdomains and the t-tubular system in atrial mycoytes：potential roles in cardiac disease and arrhythmias. Cardiovasc Res，2013，98：192-203.

[5]WilliamE. Louc，OleM. Sejersted，Fredrik Swift. There goes the neighborhood：Pathological alterations in T-tubule morphology and consequences for cardiomyocyte Ca2+ handling. J Biomed Biotech，2010，2010：503906.