6　心脏早后除极的新认识

心肌细胞早期后除极（EAD）是继发于动作电位除极后早期的膜电位震荡活动，是一种非线性动力学现象，具有霍普夫分歧（Hopf bifurcation）和吸引域（basin of attraction）特点。定量电生理研究发现，如果平台期准平衡电位不稳定，则经霍普夫分歧点之后可产生螺旋波和EAD。复极化电流与膜电位状态相匹配，进入膜电位震荡吸引域范围是EAD发生的重要条件。L型钙电流（ICa.L）的三种动态特性：电压依赖性激活和失活成分、钙通道窗电流及较高膜电位状态未完全失活成分，是EAD形成的重要电流。晚Na电流（INa-L）失活缓慢，与ICa.L的窗电流相似，参与EADs的形成。延迟整流K电流（IKs和IKr）是复极化重要的外向电流，阻断IKs和IKr可明显延长APD，但需有适度的瞬时外向K电流（Ito）参与，否则复极早期缓慢致膜电位过高，不能进入膜电位震荡的吸引域范围，则不能诱发EAD。内向整流K电流（IK1）减小和Na+-Ca2+交换体电流（INCX）增大均参与EAD的形成。计算机仿真和实验研究证实EAD的不规律活动具有动力学混沌特性，动作电位混沌活动的局部区域趋于同步化，呈动作电位异质性分布的岛，并向周围没有发生EAD、完全复极的区域扩布，形成了时间和空间上不断动态变换的多个异位兴奋灶，引起局部传导阻滞和功能性折返激动，是引起多形性室速或室颤的重要机制。

EADs是动作电位复极过程中膜电位的震荡和去极化活动，如EAD的幅度较高，易引起触发激动。遗传性和获得性长QT综合征（LQTs）及心力衰竭时易发生EAD，并常伴随尖端扭转型室速（TdP）发生。EADs概念的提出已有半个多世纪，但直至1980年以后，学者们通过大量的实验研究才对其发生机制逐渐有了较为深刻的认识，提出外向电流减小或内向电流增大可延长动作电位时程（APD），此时Ca窗电流发挥重要的作用，该膜电位水平可使L型Ca电流（ICa-L）再次被激活，导致平台期膜电位震荡。同时细胞内Ca2+循环和肌浆质网Ca2+自发释放也是参与EAD发生的重要基础。然而，研究也发现单纯的复极储备减少，延长APD并非必然引起EAD，动作电位复极3期延缓呈三角形、APD逐跳不稳定性（beat-to-beat instability）增大均参与EAD的发生。EAD的发生与恶性室性心律失常密切相关，深刻认识其发生的电生理基础及其临床药物干预的可能靶点，对预防和治疗恶性心律失常具有重要的意义。本文结合近年来对EADs发生时膜电位变化的动力学理论研究和实验研究结果，对诱发EADs的条件基础加以简要综述。

一　与EADs相关的非线性动力学现象

在心脏电活动中，震荡是一种普遍存在的现象，比如窦房结细胞的起搏活动、心室肌细胞的自主兴奋以及动作电位复极过程的早期后除极活动。震荡本身又是一种非线性动力学现象，表现为霍普夫分歧（Hopf bifurcation），指原有的平衡系统发生性质变化而转变为震荡状态。其特点是在霍普夫分歧点之前系统处于稳态或平衡态；而在分歧点之后系统则不能保持稳定而有持续的震荡发生。

心电活动复极缓慢时表现出非线性动力学的另一特点为吸引域。当细胞的初始膜电位接近于静息状态时，则稳定于静息状态；当给予细胞刺激使膜电位高于Na通道激活的阈电位时，膜电位则快速升高，并且电压依赖性的激活大量的Ca通道开放，从而使膜电位稳定在持续去极化状态，这种表现是典型的非线性系统中吸引域现象，即系统中的后一状态（去极化状态）依赖于起始状态（静息状态）。吸引域现象也与EAD产生有密切的关系。

学者们根据非线性动力学的理论，采用Luo-Rudy1心肌细胞数学模型对EADs发生进行计算机理论仿真研究。假设动作电位各种快速激活的电流或门控因子已达稳态，用缓慢激活的延迟整流K电流（IKs）门控因子x作为分析影响复极过程的参数，通过改变准稳态电流（IQSS）分析膜电位的变化。如图1-6-2A所示，当IKs门控因子x为0，准稳态电流IQSS为0时，准平衡态（quasi-equilibrium states（QESs））电位分别为r，s，p。r表示为膜电位-90～-80mV的静息电位。s和p准平衡电位分别位于平台期约-40～-10mV之间，提示准稳态内向和外向电流处于平衡状态。准稳态内向电流包括L型Ca电流（ICa-L）及Ca窗电流、晚Na电流（INa-L）及Na窗电流和Na-Ca交换体电流（INCX），是平衡外向K电流维持平台期的主要成分。如果增大门控因子x则增加IKs，或将ICa-L失活曲线向负电位方向移动、激活曲线向正电位方向移动，减小Ca窗电流，可消除平台期准平衡电位。

动作电位平台期的准平衡电位p点对2相EAD形成非常重要，因为该电位状态下膜电阻非常高。当复极至平台期准平衡电位p点时膜电位不稳定，即经霍普夫分歧点之后可产生螺旋波和EAD（图1-6-2B⑤所示）；若平台期准平衡电位p点的电位稳定，则不发生EAD，仅异常延长动作电位时程。准平衡电位p点不稳定的必要条件是ICa-L稳态激活曲线斜率的快速变化及其他离子流的电导和门控的调控。

但是，定量电生理研究发现准平衡电位的不稳定并非一定引起EAD。尽管霍普夫分歧的特性存在，但还与膜电位的初始状态（吸引域）有关。EAD的发生既需要膜电位位于相应的区域范围内，也需要其他电流的门控状态与之相匹配。因此，只有当复极化电流IKs的激活门控变量x的状态与膜电位同时位于发生EAD窗的范围内，或者瞬时外向K电流（Ito）开放，使复极早期膜电位快速下降进入膜电位震荡吸引域范围，均可发生EADs（图1-6-3）。Madhvani RV的实验研究也发现通过改变ICa-L的稳态激活曲线或稳态失活曲线，均可减小Ca窗电流，从而消除平台期的准平衡电位及由过氧化氢和低K所引起的EAD。而用4氨基吡啶（4-AP）阻断兔心室肌细胞Ito后，使膜电位不能达到产生震荡的吸引域，从而抑制EADs的发生。

二　离子通道和电生理基础

一般概念认为动作电位复极储备延缓引发EAD，但结合非线性动力学概念可进一步清晰的认识参与EADs形成的主要离子流基础及细胞内Ca循环的作用。

ICa.L表现有3种重要的动态特性：①反映电压依赖性激活和失活动力学过程的快速变化成分；②ICa.L稳态激活曲线和稳态失活曲线重叠部分的窗电流成分；③在较高膜电位水平未完全失活的ICa.L成分。其中Ca窗电流在EAD形成中起着重要的作用。定量电生理理论研究显示，Ca窗电流有助于形成平台期电位的准平衡状态，使平台期电位保持足够长时间；而ICa.L的稳态激活曲线和稳态失活曲线及其斜率对准平衡状态的稳定起重要作用，曲线的轻度移动可改变Ca窗电流的强度及准平衡状态的稳定性，平台期不稳定的准平衡状态（p状态）可引起ICa.L的自发性激活，有助于EAD的形成。

心肌细胞Na通道产生快Na电流（INa-T）和INa-L，前者产生非常强大的瞬间峰电流，形成动作电位的上升支，产生细胞兴奋和传导兴奋。而后者在动作电位平台期呈丛状开放，为缓慢的时间依赖性失活（时间常数约为600毫秒），因此是调节心室复极频率适应性的重要电流。在3型LQT综合征和心力衰竭状态下INa-L异常增大。INa-L的作用与ICa.L的窗电流相似，有助于在平台期的准平衡状态形成并诱发EAD。INa-L另一重要的特点是心室壁分布的不均一，中层肌M细胞分布有较内、外膜侧心肌细胞更大的INa-L和较小的IKs，任何延缓心室复极的状态不仅可延长INa-L失活时间，而且可增加心室壁复极异质性，增大发生EAD和触发激动的可能性。因此，阻断INa-L亦可作为长QT综合征和尖端扭转型室速的药物治疗靶点。

延迟整流K电流包括慢激活成分（IKs）和快激活成分（IKr），基因突变导致IKs和IKr减小可引起1型和2型长QT综合征（LQT1和LQT2），但是这两种成分的作用却明显不同。由于IKr的激活和失活快速，很快达到电流的准稳态，可对抗稳态内向电流的活动，从而阻止平台期准平衡状态的形成，因此可以认为减小IKr有助于准平衡状态形成而导致EADs。与之相比，IKs的激活时间明显长于IKr，在膜电位为-20mV左右时可能超过2秒。IKs是重要的复极储备电流，正常的IKs可使平台期电位准平衡状态消失，完成正常的复极化过程。而IKs减小使膜电位复极化缓慢，形成平台期准平衡电位并易发生膜电位的震荡。但是，通过计算机仿真研究发现如缺乏IKs，则因不能复极进入致EAD发生的膜电位区域，因此即便阻断其他外向电流（如IKr）或增大内向电流，均不足以诱发EAD的发生。另有研究还发现，阻断IKs和IKr虽然可明显延长APD，但并非必然引起EAD，非线性动力学研究认为如升高准平衡电位（p点）的水平，可超出发生膜电位震荡的窗电位；或者复极早期缓慢致膜电位过高，不能进入膜电位震荡的吸引域范围，尽管动作电位复极延长，但是均未满足诱发EADs的必要条件。

瞬时外向K电流（Ito）为复极早期的电流，计算机仿真和实验研究发现，由于Ito可使膜电位快速复极至发生震荡的吸引域状态，因此适度的Ito电流强度及其失活动力学过程对EAD的发生有重要的作用，Zhao等发现若部分阻断心房肌细胞较大的Ito，可能促进EAD发生，而完全阻断Ito，则可抑制EAD的发生。

内向整流K电流（IK1）具有稳定细胞静息电位和加速动作电位3相复极的双重作用，这与其内向整流特性相关，因此电流在平台期很小，几乎不参与形成2相EADs，但减小IK1可促进3相EADs发生。根据计算机仿真定量电生理霍普夫分歧分析认为，细胞外低K可使准平衡状态s态向膜电位更负的方向移动，引起触发电位更低和幅度更高的3相EADs，因此认为低血钾是易诱发3相EAD的重要原因。

心肌细胞兴奋过程中Ca2+触发-Ca2+释放，促使Na+-Ca2+交换体（NCX）产生内向电流，可参与诱发动作电位后除极的发生。INCX随膜电位的去极化减小，因此INCX一般不增强EAD的除极幅度，除非细胞内Ca增加，以维持细胞膜对INCX的驱动力。INCX的作用主要是维持准平衡电位状态，促使s-点向更负的膜电位方向移动，与阻断IK1作用相似，有助于3相EAD的发生。但单独INCX并不能诱发EAD。

细胞内Ca循环在EAD形成中作用复杂，细胞内Ca和膜电位的双向偶联调节能够促进或抑制EADs的形成，其作用包括增大INCX以促进EADs发生；通过调节多种离子通道电流（如ICa.L、IKs）影响复极储备，促进电位的准平衡状态形成；Ca瞬变介导的Ca依赖性ICa.L失活可影响准平衡态电位和膜电位震荡吸引域的稳定性；以及Ca调蛋白激酶（CaMKIICaMKⅡ）介导的信号转导系统可通过调节Ca循环和离子通道电流影响EAD的形成等。

EAD是发生于复极2相或3相的膜电位除极活动，因此被称为2相EAD或3相EAD。两者产生的非线性动力学机制是一样的，但参与形成的电流有所不同。

2相EAD发生于复极平台期。心室壁中层肌细胞（M细胞）分布有较内、外膜侧心肌细胞更大的INa-L、INCX和更小的IKs，虽然阻断IKs、IKr或增大INa-L可延长各层心肌细胞的APD，并可能发生EADs，但是否引起心律失常还与跨壁复极异质性有关。IKr阻断剂（如dl-Solalol）可增强跨壁复极离散（TDR）。而IKs阻断剂（如amimilide）可引起跨心室壁APD均匀延长而减小TDR，在此基础上如交感神经兴奋可明显缩短内、外膜侧心肌细胞APD，亦可明显增大TDR。EADs的跨壁传导依赖于TDR的明显增大，形成EAD诱导触发激动的易损窗，从而诱发尖端扭转型室速的发生。ICa.L是形成2相EADs的重要电流，Madhvani等研究发现阻断ICa.L，轻度右移ICa.L稳态激活曲线（V1／2自-5mV至0mV），可显著减小Ca窗电流，并明显抑制H2O2致EADs的作用。因此干预L型Ca通道可作为抑制EAD及心律失常发生的重要靶点。

3相EAD产生于较低膜电位（-50～-70mV），研究认为与激活Ca依赖的非选择性内向电流（INa（Ca））有关，从而抵消3相的完全复极过程。此外，细胞内Ca瞬变持续时间过长，引起INCX和其他Ca激活的内向电流，从而产生较强的去极化电流，因此易产生触发激动。APD明显缩短时也可能发生3相EADs，Chua等研究发现电除颤后APD缩短，可再次发生心室颤动，其发生机制与缩短动作电位时程，致细胞内Ca瞬变长于复极化有关。当2相EADs伴随有3相EADs同时发生时，可进一步增大动作电位的复极异质性，产生长APD区域和短APD区域之间更大的电位梯度，有利于EAD触发激动的扩布和尖端扭转型室速的发生。

三　早期后除极的混沌活动与心律失常的发生

室性心动过速（VT）和心室颤动（VF）可由落入致心律失常易损窗的EAD触发激动所引起。如前所述，EADs是因动作电位复极过程内向与外向电流离子通道异常开放导致复极缓慢所引起，经计算机仿真理论研究和单个心肌细胞实验观察证实EAD的不规律活动具有动力学混沌特性。

动作电位是否伴EADs发生与刺激周长（PCL）或刺激频率有关。研究发现1mmol／L H2O2可通过增加心肌细胞INa-L和ICa-L，在一定刺激条件下促进EADs发生（图1-6-4A上）。当PCL为2秒时未诱发EAD，APD基本不变；当PCL为6秒时，每次动作电位均伴有EAD发生，但APD亦基本保持相同；而当PCL为3秒和4秒时，可随机的发生EAD，并且动作电位的时程变异明显。以APD为PCL的函数作图呈现有分歧特点（图1-6-4A下），符合APDn+1=f（DIn）关系，即APDs受到前一次舒张间期（或称初始条件）的影响，证实EADs活动为混沌状态，引起APDs逐跳的不规律变化，易诱发心律失常，提示短时心电图QT变异较单纯QT延长更具预测尖端扭转型室速发生的作用。计算机仿真研究的结果与实验结果一致（如图1-6-4B上、下）。进一步应该回答的问题是混沌状态的EADs怎样诱发心律失常。

单个心肌细胞通过细胞间电偶联使电活动趋于一致，并且可高效有序的扩布传导。EADs发生后也是如此，动作电位伴有EADs和不伴有EADs的相邻细胞之间，其电活动可表现有空间和时间上的混沌特征，这种动作电位混沌活动的局部区域可趋于同步化，表现为动作电位呈异质性分布的岛。EAD介导的触发激动向周围没有发生EAD、完全复极的区域扩布，从而引起新的EAD介导的期前兴奋和触发激动，由此形成了时间和空间上不断动态变换的多个异位兴奋灶，并在扩布方向上形成APD梯度。当此区域范围内的APD梯度超过一定程度，可引起局部传导阻滞和功能性折返激动，引起多形性室速或室颤，这是目前对室速、室颤发生机制的一种重要解释。

关注QT间期延长的同时也关注动作电位的形态是非常重要的。药物或心脏病引起心电图QT间期延长及TdP是心肌细胞APD延长和EADs触发激动的结果，但TdP的发生并不是简单的与APD延长成比例，比如胺碘酮、阿奇霉素等可明显延长APD，但并不引起EADs或TdP，而抗心绞痛药物苄普地尔仅轻度延长APD即可引起EADs和TdP。近来研究发现，药物或心脏疾病如左心室肥厚、心率衰竭引起三角形动作电位（即自APD30至APD90延长，动作电位呈现为三角形态）延长，这种电位状态可加快ICa.L和INa.L自失活状态被再次激活，以及INCX的参与，有助于EADs和局部混沌状态的形成，可明显增加TdP发生和致命性心律失常的危险；但仅有动作电位平台期延长则表现出抗心律失常而无致心律失常的作用。因此关注动作电位复极形态尤其是是否有三相复极延缓对预测EADs及触发激动发生有重要的作用。

（杨　琳）

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