【郭继鸿教授心电系列之四十】If 通道
【郭继鸿教授心电系列之四十】If 通道郭继鸿 北大人民医院
近年来，If 通道的发现与深入研究是基础心脏电生理领域最瞩目的进展，这项重大发现是以1999 年发现If 通道的亚单位HCN 通道为标志，随后十几年中，该学术领域出现了颠覆性进展。
一. 心脏电活动起源的经典认识
每位心电学入门者都熟悉心脏电活动起源的几个基本概念。
1. 心脏的自律性组织
心脏组织分成有自律性和无自律性两种。具有自律性的心脏组织和细胞是在一次动作电位结束进入静息膜电位后，其不会停滞在复极后的静息膜电位水平，而是在舒张期4 相将缓慢发生自动化除极，使静息膜电位的水平逐渐升高并最终达到下一次除极的阈电位，进而引起一次新的0 相除极（图1），该现象又称为舒张期4 相自动化除极。
图1 窦房结细胞与心室肌细胞动作电位4 相的比较
图2 窦房结细胞与浦氏纤维细胞自律性的比较
2. 自律性的高低差别大
心脏的自律性组织能自动产生有节律的心电活动。而心脏的特殊传导系统：窦房结、结间束、房室结、希氏束、浦氏纤维等不同部位的组织细胞都具有自律性，而窦房结之外的其他心肌组织的每次自律性活动最终将表现为心电图的各种早搏或逸搏。而部位不同的心肌组织自律性高低差别很大，其中窦房结的自律性最高，称为心脏的一级起搏点，房室结及浦氏纤维等其他组织的自律性次之，称为心脏的二级或三级起搏点，属于异位起搏点（图2）。
3. 决定自律性高低的三大因素
从心脏电生理的基本概念出发，有三大因素决定心肌细胞自律性的高低：
① 最大的舒张期电位，最图3 心肌细胞自律性的三大决定因素大舒张期电位的负值愈大，自律性越低，图2 中浦氏纤维细胞的自律性远远低于窦房结细胞；
② 自动化除极的速率（又称斜率）是指最大舒张期电位逐渐到达除极阈电位的时间，斜率越低自律性也低。图3 中标有A、B、C 的三条线代表三种不同的斜率，与中间的实线（B 线）相比，A、C 两条虚线的斜率前者大，后者小；斜率越大，自律性越高；
③ 引起再次除极的阈电位：阈值的负值越大自律性越高（图3）。
二. If 通道的结构
对心脏自律性组织，如窦房结细胞的4 相自动化除极的认识已有很长时间，但因技术限制，一直未能真正揭开起搏的离子通道及起搏电流的真面目，使舒张期4 相自动化除极的本质与机制一直不完全清楚。直至1998~1999 年才逐渐发现并证实心肌细胞膜上的起搏If 通道。心肌细胞膜上If 通道的认识与发现，得益于神经元的研究。因神经细胞具有更频繁的自发性电活动，而这种电活动与窦房结细胞的电活动十分相像。1999 年，在神经细胞发现了CNG 通道后，又在神经细胞和心肌细胞先后发现了超极化激活的阳离子通道Hyperpolarization-activatedcation channel，HAC）或称超极化激活的环核苷酸门控的阳离子通道（Hyperpolarization-activatedcyclic-nucleotide-gated cation Channel，HCN）家族。这是最终组成窦房结If 通道的亚单位。
If 通道最初发现与确定时，其与此前发现的心肌细胞膜上的离子通道（Na 、K 、Ca2 、Cl-）全然不同，其允许通过的离子并非有选择性，而且是在非生理性的超极化状态下能得到最充分激活，故命名时称其为有趣（Funny）电流（Current）或称有趣通道（Funnychannel），简称If 通道。
1. HCN
If 通道是一个由四聚体组成的孔道（图4），每个聚体即为一个HCN，又是组成If 通道的亚单位。
截止目前，已发现4 种类型的HCN, 分别是HCN1、HCN2、HCN3 和HCN4， 而HCN1、HCN2 和HCN4 在心脏表达丰富，原位杂交的分析结果表明，HCN 在窦房结的表达依次为HCN4、HCN2、HCN1。
在4 个α 亚单位（HCN）构成If 通道时，亚单位可以是同类HCN，称为同源四聚体，也可以是不同类的HCN，称为异源四聚体（图4）。
人体心脏的If 通道是由HCN2 和HCN4 两种图5 组成HCN 的跨膜螺旋HCN 组成，属于异源四聚体，而任何一种HCN 的特性都不能完全反映出If 通道与If 电流的特点，而HCN2 和HCN4 表达的离子流十分相似，两者分别形成If 电流的快成分和慢成分。
2. 跨膜螺旋
与Kv 通道相似，组成If 通道的每个α 亚单位（HCN）都由6 个跨膜螺旋（S1~S6 片段）组成（图5）。
在跨膜螺旋的片段中，S5 与S6 的连接区部分在细胞膜外，而另外一部分在细胞膜内，该部分称为P 环（P-leep），P 环围在孔道里，对不同离子有不同的敏感性。P 环还有着大多数K 选择性通道所特有的GYG 标志序列（图5）。
3. 电压感受器
If 通道存在电压门控，而电压感受器位于6 个跨膜螺旋的S4 片段，该部位带有较多的正电荷。正常超极化激活时，电压的变化就作用在该部位（图5）。
4. 化学门控（cAMP 激活）
6 个跨膜螺旋的S6 片段的C 端，有一个If 通道与环核苷酸的结合区（cyclic uncleotide-binding domain，CNBD），能与cAMP 的门控结构相结合，进而控制流经If 通道的If 电流，起到If 通道的化学门控作用。
了解If 通道的结构对深入认识其功能十分重要。
三. If 通道的特性
与其他离子通道相比，If 通道有多种特征。
1. 超极化激活
If 通道的另一名称就是超极化激活的阳离子通道。
顾名思义，If 通道可在超极化的非生理条件下被激活。
正常心肌细胞的跨膜静息电位为-90mV，窦房结细胞的极化电位为-65mV，而If 通道的电压激活范围为-45~-100mV （图6）。测试中，当维持电位为-35mV，然后以10mV 递增时，最终递增的超极化电压可到-120mV。结果表明，随着超极化电压的加大，If 电流的幅度增大，而-100mV 时，被激活的If 电流最强。
2. 非单一的内向阳离子流
在If 通道的测试中确定，其反转电位为-20mV左右，证实其不是一种离子流介导的。实际，If 电流由多种阳离子流组成（阴离子不能通过If 通道），对Na 和K 混合通透是If 通道的特点，即生理条件下，If 电流由Na 和K 介导。这使If 电流的大小与心肌细胞外的Na 浓度有关，存在着Na 的依赖性。因此If 通道激活的结果将形成一个以Na 构成的净内向电流。另外，If 通道对细胞外的K 浓度也十分敏感，当心肌细胞外K 浓度降到正常水平之下（2~4mmol/L）时，If 电流的强度显著降低，恢复细胞外K 浓度时，If电流的幅度立即恢复。所以，If 电流也存在K 依赖性。
除此之外，细胞内的Ca2 也能影响If 电流，细胞内Ca2 浓度的增加可使If 电流幅度增大。另外，细胞外的Cl- 浓度对If 电流也有明显影响。
3. 电导小
If 单通道的电导很小，其幅度<10fA（1fA=10-3PA），这给相关研究带来很大困难。其电位在-60mV时，电流几乎无法记录。
4. 输入阻抗高
If 通道的输入阻抗很高，大约109Ω，根据欧姆定律，很小的离子流及变化就能引起膜电压的很大变化。试验表明，窦房结细胞的If 通道处于4 相时，其膜电位以0.02~0.1V/s 的速度使舒张期膜电位逐渐升高而发生自动化除极，最终引起一次新的0 相除极。
5. 双重门控激活
研究表明，If 通道的开放由电压与化学两种门控进行激活（图7）。
换言之，If 通道的激活开放与其他通道一样，有着跨膜电压的门控机制，在超极化-100mV 时，If 通道被激活的最彻底，使If 电流最强。除此之外，If 通道还受化学门控，即受到心肌细胞内的环核苷酸的门控而被激活。If 通道的两种门控机制将在下文详细介绍。
四. If 通道的双重门控激活
If 通道受电压与化学的双种门控，这又称双重激活现象。通过对If 通道双重门控的深入理解，有望对人体窦性心律的调控有更深地认识，也将对自主神经对窦性心律、各种心律失常的影响有更深层次的认识。自主神经对心律的调控作用应当属于细胞水平、分子水平的直接作用，而且对心动周期有着逐跳调整作用。
图7 If 通道的双重门控激活
超极化激活：对If 通道的最初研究，是用双电压钳制在窦房结多细胞小标本上进行的，随着单个窦房结细胞的成功分离，If 通道的研究则在单个细胞上进行，而两者研究结果没有差异（图8）。
不同种类的通道根据被激活的性质，常分成：①背景电流通道：其开放与关闭自发进行，任何电位时都开放；②电压门控通道：因电位的变化控制其开放与关闭，一定的跨膜电压使其激活或失活；③神经递质门控通道：由神经递质或称配体激活的通道；④G蛋白门控通道，引起G 蛋白活动的因素使其启动，再经一系列生化变化激活的通道（图9）。
If 通道首先是电压门控通道，If 通道周围跨细胞膜电压在-45~-100mV 之间时都能使之开放，而且超极化的电位加大，If 通道的开放越彻底，相应的If电流强度也更强。如上文所述，If 通道的跨膜螺旋S4则是电压敏感器所在部位，其氨基酸排列中每3 个残基的第一个带有正电荷，其他两个为疏水性残基，跨细胞膜电压的变化能引起电压敏感器带阳离子的残基激活，进而导致If 通道的开放并产生电压依赖性的阳离子流。If 通道开放时，将有较多的Na 内流和少量K 外流共同组成If 电流，进而启动自律性心肌细胞的4 相缓慢的自动化除极（图10）。
2. 化学门控
化学门控即为神经递质门控，If 通道除电压门控外，还有化学门控的特征，因此，If 通道又是神经递质（cAMP）门控的通道。
自主神经对心率明显的调控作用早被熟知，其中交感神经是心脏的加速神经，兴奋时心率增快，运动时交感神经的兴奋能引起窦房结的变时性升高，即随着人体运动代谢率的增高，反射性使窦性心率增快，
图8 窦房结细胞的If 通道
图9 四种类型的通道
图10 If 通道的化学门控示意图
图11 If 通道的化学递质门控
满足机体对代谢率增高的需求。而迷走神经相反，其为心脏的减速神经。但对上述机制的认识，经典概念一直认为自主神经对窦率的调控作用是宏观的，是对整个窦房结或心脏的调节，属于窦房结之外的调节机制。因此，评价窦房结自律性功能时，常用一定剂量的β 受体阻滞剂和阿托品分别阻断交感和迷走神经的调节作用，进而再观察自主神经被药物双阻滞后，窦房结细胞本身的固有心率是否正常。
但实际上，对窦房结细胞的If 通道的调节是电压与递质的双重门控。换言之，自主神经通过递质对If 通道的调节是细胞水平，分子水平或称离子通道水平的，其对起搏电流的强弱有着直接调控作用，也就是说其对舒张期4 相自动化除极的斜率有着直接作用。因此，自主神经对窦律的每个RR 间期都有逐跳的调节作用，使自主神经对心率的调节表现为逐跳调整（图10、图11）。
从上面两图可清楚看到，自主神经对If 通道具有分子水平的直接调节。当交感神经兴奋时，其递质去甲肾上腺素（儿茶酚胺）的分泌增加，进而与窦房结细胞膜上的β 受体结合数量增加，又经过与G 蛋白耦联进一步介导激活α 和βy 受体，进而作用在腺苷酸环化酶，使三磷酸腺苷（ATP）分解为cAMP。
结果，增多的cAMP 与跨膜螺旋片段S6 的C 末端的cAMP 结合点结合，从而作用在HCN，增加了激活后的If 电流，并提高窦性心率。这种窦性心率的增加是激活动力学的增加和沿电流的电压轴转移的阳离子增多引起。
相反，当心迷走神经兴奋时，分泌的介质乙酰胆碱增多，其与心肌细胞膜上的M2 毒蕈碱受体结合，也通过与G 蛋白的耦联和介导减少了cAMP 水平，使cAMP 与S6 片段的C 末端结合减少，进而使If 电流减弱，起到负性频率的作用。同时，高浓度的乙酰胆碱的增加还能激活对其同样敏感的K 外流，使复极过程加速，抑制了4 相自动化除极过程，使心率减慢（图10、图11）。
交感与迷走神经对窦性心率的明显调节作用还能从图12 看出。
图12 显示，小剂量（0.1mmol/L）的异丙肾上腺素和小剂量的乙酰胆碱（0.03mmol/L）都明显影响窦房结细胞连续两次动作电位之间的间期，即异丙肾上腺素（ISO） 可使下次新的0 相除极比对照组提前发生，使窦性激动的间期缩短，使If 通道的激活曲线左移，加速了If 通道的激活和窦性心律。而乙酰胆碱（Ach）的作用正恰相反，用药后使下次新的0 相除极推后，使If通道的激活曲线右移（图12）。图12 还能显示，两者均影响了舒张期4 相自动化除极的速率，但并不改变动作电位的形状，说明其仅改变了舒张期自动化除极通道的离子流，对其他离子流影响甚小。
图12 交感神经与迷走神经递质对窦房结细胞自动化除极的影响
还要说明，对上述受试标本给予蛋白激酶A（PKA）灌注时，不增强If 电流，但给予cAMP 灌流时可使If 电流明显增大，这说明cAMP 对If 通道的作用与碱性磷酸化的过程无关，而是直接作用于If 通道的结果。
从图10 能够看出，cAMP 对If 通道、ICa-L 及IK 通道都有作用，但作用方式不同。对If 通道的作用是直接的，对其他阳离子通道的作用是间接的，是通过碱性磷酸化过程的间接作用（图13），这也是If 通道与其他阳离子通道不同的地方。
If 通道的双重门控特征有着重要的生理学和临床意义。
五. 窦房结的自律性机制
窦房结持续而有节律地发放电激动的机制一直备受关注，又因研究结果的不尽相同而存在争议。
对窦房结的基础研究一直以家兔心脏的窦房结为对象，这与家兔的窦房结容易分离而便于研究有关。
对窦房结自律性机制的经典理论认为，窦房结细胞的自律性电活动有着多种离子通道的参加，是多种离子流参与的结果。目前认为，参与窦房结细胞每次除极的离子流包括：If、ICa-T、ICa-L、IK 电流及钠钙交换电流（NCX）等（图14）。但众多离子流中，经过If 通道的If 电流最重要，故称其为“起搏电流”。
从图15 可清楚看出，窦房结细胞动作电位的复极初期，IK 通道被激活，K 的快速外流形成动作电位的3 相。随后，IK 通道发生时间依从性失活，引起K 外流进行性衰减。随后形成舒张期的最大电位而进入舒张期4 相。此后的舒张期4 相自动化除极过程又可分成早后两个亚期。
窦房结细胞舒张期4 相的自动化除极经过早期与后期两个过程后，最终达到新的除极阈电位而引发一次新的窦性激动。
图13 交感神经对ICa 通道的作用与磷酸激酶A（PKA）相关
图14 参与窦房结细胞动作电位的离子流
图15 窦房结细胞的4 相自动化除极
示意图1. 自动化除极的早期
窦房结细胞的4 相自动化除极的速率快，自律性高，其自动化除极的过程从If 电流开始。If 通道在前一心动周期的复极3 相动作电位降到-60mV 时已被激活开放，一直到超极化电位达-100mV 时得到最充分的激活。If 电流的激活缓慢，并随时间的延长而增大，该特征称为时间依赖性。因此，If 电流受膜内电位的加大和时间的推移而增加，具有电压依赖性和时间依赖性。单通道的If 电流弱，电流幅度<100fA，电导也很微弱，仅约1pS。
If 通道具有混合的Na 和K 的通透性，If 电流中主要是持续的Na 内流，但与心肌细胞的快Na 通道不同，其对Na /K 相对通透比（PNa/PK）为0.2~0.4。If 电流使4 相跨膜电位逐渐升高，升高速度为0.02~0.1V/S，当升高到-50mV 时ICa-T 通道将被激活开放，标志着4 相自动化除极已进入后期（图15、图16）。
2. 4 相自动化除极的后期
4 相自动化除极的后期约在4 相自动化除极过程的后1/3 处开始，后期的主要离子流为ICa-T，这是If电流使房室结细胞的跨膜电压达到-50mV 激活ICa-T通道的结果，使一定数量的Ca2 内流。
应当说明，心肌细胞膜上的钙通道分成L 型和T 型两种。
T 型钙通道（tiny and transient）与L 型钙通道有着不同的生物物理学特征，其激活开放的电压更低（约-50mV），电导更低，失活更快，失活后恢复得慢。
T 型钙通道在心脏的分布比L 型更局限，在窦房结、房室结、心房和浦肯野氏纤维的密度不同：窦房结>浦氏纤维> 心房，成人心室肌细胞没有该通道。由于T 型钙通道开放的时间短，失活快，故又称短暂型Ca2 通道，其失活方式与L 型钙通道也不相同。
ICa-T 通道的开放使较多的Ca2 内流，使窦房结细胞的跨膜电位进一步升高，并触发肌质网大量释放Ca2 而形成钙火花（钙瞬变），并刺激Na /Ca2 交换（NCX），该过程中内流的Na 也使4 相电位升高，最终达到ICa-L通道被激活开放的跨膜电压，即达到引发一次新的除极的阈电位，一次新的窦性激动便产生了。
在所有哺乳动物的心脏细胞中都有L 型钙通道，其具有多种生理功能，临床中应用的Ca2 拮抗剂（Ⅳ类抗心律失常药物）降低窦性心率的机制就是阻断了L 型钙通道的结果。
还要指出，在上述4 相自动化除极过程中，还有其他离子流的参与，包括NCX 和钠钙泵等。NCX 也有使舒张期4 相跨膜电位升高的作用，但这些机制图16 窦房结细胞4 相自动化除极与各离子通道的开放图17 伊伐布雷定减慢窦性心率在该过程中的作用很小。
六. If 通道的阻滞剂
CS （铯）是最早发现并最具特异性的If 通道阻滞剂，2mmol/L 浓度的CS 就足以阻滞If 通道，使窦性心率下降30%。而伊伐布雷定是第一个用于临床的If 通道阻滞剂。
伊伐布雷定与开放状态的If 通道有亲合性，其从细胞内侧进入If 通道的核心（其作用的结合点），阻滞相关离子流的跨膜运动，减慢窦房结细胞的舒张期自动化除极速率或斜率，延长窦房结细胞两次动作电位之间的间期，减慢窦房结细胞的自律性（图17）。
从更严格的概念而言，β 受体阻滞剂也应视为If 通道阻滞剂，只是β 受体阻滞剂作用在If 通道的化学门控机制，减慢窦性心率。
七. If 通道复合体
近年来在If 通道的研究中，发现其复合体对If通道及α 亚单位HCN 有明显影响。
1. KCNE
2004 年首次报告KCNE2 是HCN2 的辅助亚单位，两者同时表达时可使HCN2 电流的振幅升高，KCNE 增加KCN2 和KCN4 电流的作用最明显，两者分别增加22%和16.5%，对HCN1 无影响（图18）。
2. 小窝蛋白3（CAV3）
心肌细胞膜是脂质双分子层构成的半渗透屏障，近年来发现，细胞膜上存在着穴样内陷，这种在细胞膜上呈烧瓶样内陷的结构又称小窝。根据发现与确定时间的先后有三种小窝蛋白（CAV1、CAV2 和CAV3）。
近年发现，当HCN4 和CAV3 共同表达形成复合体时，可使HCN4 的电流幅度增大（图19）。
八. If 通道与临床
1. If 通道与心律失常
生理条件下，心脏有功能的If 通道表达主要在窦房结、房室结和心脏特殊传导组织，所在部位越高、通道开放的阈电位就越高，窦房结细胞If 通道开放的阈电位最高为-45mV，而-100mV 时激活最充分。
图17 伊伐布雷定减慢窦性心率
图18 KCNE2 使HCN 单通道电流增大
A 图. 左为单独HCN2 的电流记录，右为HCN2 结合KCNE2 表达时的电流记录；
B 图. 左为单独HCN4 的电流记录，右为HCN4 结合KCNE2 表达时的电流记录
心室肌细胞的If 通道除数量较少外，其需超极化电位到-120mV 才能被激活开放。因此，正常生理情况下不能发挥起搏作用，当心肌细胞出现损伤，跨膜电位出现了超极化时也能被激活开放，引发室早。
2. If 通道与自主神经
经典理论早已认识到自主神经在窦性心率、各种心律失常、心脏性猝死等情况时的重要作用，但认为自主神经的这种调节作用属于器官水平，是对心脏某个局部的调控作用。因此，才会推出测试自主神经对窦房结调节作用的检测技术：窦房结固有心率的测定。测试中应用药物单向阻滞或双向阻滞支配心脏的自主神经，再观察窦房结的“固有心率”，实际这一检测的基础理念存在一定的问题。
对窦房结细胞If 通道的激活开放的机制本身就有双重性：电压门控和化学门控，说明自主神经对窦性心率、心脏性猝死的影响属于细胞水平和分子水平，使其对窦性心率有着逐跳调整作用。因此，对If通道的全面深入理解将能提高和加深对心率变异性检查方法的认识与理解。
3. If 通道的离子疾病
现已明确If 通道是独立存在的非特异性阳离子通道，其结构复杂、功能多种。因此，当If 通道及HCN出现编码基因突变时，将能影响If 通道的功能，将能引起遗传性或家族性病窦综合征、窦缓等缓慢性心律失常（图20）。
4. 心血管病的If 通道重构
现已发现，很多心血管病的患者存在着If 通道的重构。例如心肌肥厚的患者，其心室的If 电流可增图19 HCN4 与小窝蛋白CAV3 的共同表达图 图20 基因突变引起HCN4 的C 端突变和相关疾病目前已发现HCN4 C 端的3 个基因突变：D553N（Ⅰ），573X（Ⅱ）和S672R（Ⅲ）。Ⅱ处的剪刀表示573X 基因突变时该处以下不存在大5 倍，同时伴有HCN4 表达的上调。而高血压、心衰患者也存在If 电流增强的现象。临床应用的血管紧张素受体拮抗剂等降压或其他心血管药物时，可降低已增大的If 电流。此外，伴有房颤、室颤的患者也存在HCN 的基因突变。这些资料可以解释各种心血管病患者各种心律失常发生率较高的现象。
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