从细胞交替到心室颤动自发转变的机制见解

背景：

以往的临床研究表明，T波交替（TWA）与心脏疾病如长QT综合征、急性心肌梗死、心力衰竭和多形性室性心动过速有关，增加了心律失常发生的风险。在细胞水平上，TWA可归因于动作电位交替(AP交替)和/或胞内钙瞬变(CaT交替)，而在组织水平上，AP交替可表现为空间一致性和/或不一致性传导交替（SCA/SDA）。就其性质而言，SDA有可能产生比SCA更大的空间复极化离散，从而导致单向传导阻滞，发生折返。

SCA和/或SDA诱发心律失常的机制可能是由于SCA/SDA诱导的心脏组织功能异质性增强了原有的组织异质性，导致心律失常易感性增加。然而，一些实验和模拟研究表明，预先存在的组织异质性可能不是SDA形成预测心律失常所必需的。有研究表明，APD的急剧恢复和传导速度(CV)的恢复、细胞内钙不稳定及自主神经系统的调节等动态特性可将SCA转化为SDA，从而促进心律失常的发生。

以往的实验研究证实，SDA增强了组织中的电异质性，形成了一种促心律失常发生的底物，促进了兴奋折返的形成。在这些研究中，额外的期前刺激(模拟异位灶、DAD或EADs)应用在折返研究。在不涉及期前兴奋、特别是在复极受损的情况下，细胞交替自发转变为心室颤动(VF)的潜在机制尚不清楚。模拟研究预测，在一个有INa缺陷的组织中，从细胞电交替到组织水平的兴奋折返的自发转变是可能的，但缺乏支持这一预测的实验证据。

本文研究了 TWA 与心脏猝死之间的关系及其机制。在这项研究中，使用了全细胞膜片钳和荧光标测技术，用E-4031（抑制IKr）处理以模拟急性复极延长的条件，观察了其对细胞和组织水平上TWA的影响。

结论：

复极延长时，心室肌细胞和离体豚鼠心脏中的AP交替更容易诱发。复极化受损时，心脏交替更稳定，更容易从SCA过渡到SDA，可能是动作电位时程（APD）恢复和传导速度（CV）恢复曲线更陡的原因。

传导交替增加了组织区域APD/CaT的空间异质性，APD/CaT离散度增强，导致传导延长或阻滞增加心律失常的易感性。

该研究提供了关于TWA自发转变为心室颤动潜在机制的实验证据，特别是在E-4031药物处理、不涉及期前兴奋条件下。这有助于解释在不需要EAD/DAD或异位起搏触发的前提下，复极化受损时会导致室性心律失常易感性的增加。

关键词：

心律失常、复极化受损、荧光标测、膜片钳、空间不一致交替、心源性猝死、t波交替

结果：

3.1在细胞水平上出现AP交替

图1展示了从健康豚鼠心室肌细胞中记录的细胞膜动作电位（APs）以及E-4031对其APD的影响。E-4031延长APD，增加了动作电位交替的程度。动作电位交替的发生与刺激频率有关，通过APD恢复曲线来展示。统计分析结果表明，E-4031给药增加了动作电位交替的幅度和刺激周期长度（PCL）阈值，提示在复极化受损时AP交替更容易诱发且幅度增加。

E-4031干预增加了动作电位交替的稳定性。随着E-4031浓度增加，APD恢复曲线的最大斜率和有效不应期也增加，与APD延长程度呈正相关。

                                                                                                                                                             图1 在正常和复极延长条件下产生的AP交替。

3.2 在组织水平上AP传导交替

在本研究中，通过使用膜片钳和荧光标测技术，测量了细胞和组织水平上动作电位和细胞内钙交替。结果显示，给予E-4031后，APD延长，使得动作电位交替的阈值增加，并且交替易感窗口增大。动作电位的延长促进了交替的发生，且在更大的刺激周期长度处诱导动作电位交替。

                                                                                                                    图2 在细胞和组织水平上，采用膜片钳和荧光标测技术给予S1S1刺激出现的AP和Ca交替。

                                                                                                                                                                     图3 正常和复极延长组的AP交替。

3.3  传导交替和传导阻滞

图4展示了细胞水平上的动作电位交替在组织水平上表现为传导交替，这可能会导致折返的发生。正常组中，动作电位在整个组织中传导的模式是有规律的，但在E-4031条件下，传导异质性增加，导致局部传导阻滞。图4b中进一步展示了传导阻滞的发生。CV恢复曲线的斜率与SDA和自发性心律失常的发生有关，E-4031条件下CV恢复曲线更陡峭，而最大斜率与动作电位延长程度呈正相关关系。这些结果揭示了陡峭的CV恢复曲线是导致SDA和自发性心律失常的关键因素。细胞水平上的动作电位交替会在组织水平上导致传导交替和传导阻滞，进而导致VF的发生。

图4 在组织水平上，正常组和E-4031条件下AP传导模式及传导阻滞的标测。

 

3.4 复极化受损时APD、CaD交替的空间异质性

进一步分析了APD和细胞内钙离子浓度（CaD）在动作电位传导交替形成时组织水平上的时空异质性。通过在三个不同传导途径（左心室边界、心脏中间和右心室边界）沿十个记录点测量APD和CaD数据，结果发现APDsmall（前五个APD的平均值）和APDlarge（后五个APD的平均值）之间存在显著差异，且时空变化明显。随着PCL减小，空间异质性更加明显，同时给予1μM E-4031处理后，APD变化更为显著。有趣的是，复极化受损条件下，在右心室边界基底附近的区域，APD空间异质性更为明显。较快的刺激频率（PCL为240ms）下，复极化受损导致右心室边界基底附近的APD显著减小，并在PCL为230ms时导致传导阻滞，进而自发形成心室颤动。

同时，细胞内钙离子浓度的空间异质性也受复极化受损的影响。在不同PCL条件下，观察到钙离子浓度的空间异质性增加。在PCL为230ms时，RV边界基底附近出现显著的空间异质性，伴随心室心律失常的发生。研究结果表明，钙离子浓度的时空异质性比动作电位更为显著，这可能在心律失常形成中扮演重要角色。

图5 在正常组和E-4031条件下，组织水平的APD和CaD空间异质性。

 

3.5 在复极化受损的过程中，APD和CaD的空间离散度增强

我们进一步分析了在形成空间不一致性动作电位（AP）和细胞内钙离子（Ca）交替时，是否加重复极化受损AP/Ca的空间异质性。测量并分析了不同刺激周期下最后38次的动作电位持续时间（APD80）和细胞内钙离子浓度（CaD80）。结果发现，在给予1μM E-4031处理后，出现持续的APD和CaD，且在E-4031条件下，逐拍APD和CaD变化的幅度增加。此外，给予E-4031后，APD和CaD的空间离散度明显增加，且与APD延长程度呈正相关。随着刺激频率的增加，E-4031处理后APD和CaD空间离散度的增加趋势更明显，暗示了心律失常易感性的增加。

                                                                                                                                          图6 复极化受损增强了离体心脏中APD和CaD的空间离散度。

3.6 |复极化受损时室性心律失常易感性增加

最后，采用光学标测技术评估复极化受损对心律失常易感性的影响。图7a展示了在对照组和给予1μM E-4031处理下，不同PCL（160ms、150ms和140ms）时从整个标测组织中记录的代表性13拍动作电位（AP）。通过两个连续APD的差异，发现动作电位交替现象在给予1μM E-4031处理后更为明显。在对照组，AP交替发生在PCL = 232.0±32.7ms，但未观察到心律失常。给予1μM E-4031后，AP交替发生在PCL = 310.0±28.3ms，表明易感性增加。在PCL = 132.5±16.0ms时，4个心脏出现心室颤动，形成传导阻滞。图7b和7c显示了不同处理条件下连续5拍的AP激活传导模式，其中给予1μM E-4031处理后传导明显受干扰，导致传导阻滞和激动折返。综合来看，复极化受损与心律失常易感性增加相关。这些结果揭示了复极化受损对心律失常发生的潜在影响。

                                                                                                                                                         图7 复极化受损时，室性心律失常易感性增加。