钾离子敏感性肌无力机制新解：安徒生 - 陶威尔综合征相关研究

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Potassium-sensitive loss of muscle force in the setting of reduced inward rectifier K+ current: Implications for Andersen–Tawil syndrome

本文聚焦安徒生 - 陶威尔综合征（ATS）。研究利用小鼠模型和计算模拟，发现内向整流钾离子电流（IKir）减少会导致钾离子敏感性肌无力，且表型与 IKir降低程度有关。KCNQ 通道激动剂瑞替加滨对预防肌无力有一定效果，为 ATS 治疗提供新思路。

　　

研究背景

安徒生 - 陶威尔综合征（ATS）是一种罕见的家族性疾病，主要表现为周期性瘫痪、室性心律失常和骨骼畸形三联征，具有常染色体显性遗传特点，但外显率存在差异。约 60% 的 ATS 家族存在编码内向整流钾离子通道（Kir）Kir2.1 亚基的 KCNJ2 基因突变，该突变会导致 Kir 电流显著降低，进而引发一系列症状。

在 ATS 患者中，骨骼肌症状较为常见，75% 的患者会反复出现肌无力发作，且症状可在数小时至数天内自行缓解。部分患者还会逐渐发展为永久性肌病，严重影响生活质量。与其他周期性瘫痪类似，ATS 患者肌无力发作的诱因尚不明确，尤其是血钾（K⁺）变化与肌无力发作的关系存在争议。既往研究中，关于 ATS 患者在肌无力发作时血钾水平的报道不一，有的认为是高钾，有的认为是低钾，这给临床治疗带来了很大困扰。由于通过临床实验进行血钾激发试验可能会诱发致命性心律失常，因此难以通过临床试验确定血钾变化与 ATS 肌无力发作的关系。

实验模型与方法

为了解决这一问题，研究人员构建了两种小鼠模型来模拟 ATS 患者骨骼肌受累的情况。一种是通过条件性敲除 Kcnj2 基因构建的基因敲除小鼠模型，另一种是利用 Ba²⁺急性阻断 Kir 通道构建的药理模型。在基因敲除小鼠模型中，研究人员将含有 loxP 位点的 Kcnj2 基因小鼠与表达 Cre 重组酶的小鼠杂交，该 Cre 重组酶由骨骼肌特异性启动子驱动，从而实现骨骼肌中 Kir2.1 的条件性敲除（cKO）。对于药理模型，研究人员利用 Ba²⁺对 Kir 电流具有高度阻断作用的特性，通过在体外实验中使用不同浓度的 Ba²⁺处理肌肉，模拟 ATS 患者体内 Kir 电流降低的情况。

同时，研究人员还采用了多种实验方法对模型进行研究。通过免疫印迹法检测 Kir2.1 蛋白的表达水平，利用电压钳技术测量离子电流，进行离体等长收缩实验评估肌肉收缩力，使用微电极穿刺技术测量静息膜电位（V_rest），并运用计算模拟方法构建肌肉纤维兴奋性模型，从多个角度深入探究 Kir 电流减少与钾离子敏感性肌无力之间的关系。

实验结果

在 Kir2.1 条件性敲除小鼠模型中，免疫印迹结果显示，杂合子（Kir2.1^cKO/+）小鼠比目鱼肌中 Kir2.1 蛋白表达降低，纯合子（Kir2.1^cKO/cKO）小鼠中则检测不到该蛋白。功能检测发现，Kir2.1^cKO/+和 Kir2.1^cKO/cKO小鼠的 Kir 电流密度显著降低，分别为野生型（WT）的 68% 和 28%。这表明通过基因敲除有效降低了 Kir2.1 的表达和功能。

离体等长收缩实验表明，在基线 4.7 mM K⁺条件下，Kir2.1 cKO 小鼠比目鱼肌的峰值力相较于 WT 小鼠有所降低，且存在基因剂量效应，即 Kir2.1^cKO/+小鼠峰值力为 WT 的 83%，Kir2.1^cKO/cKO小鼠为 WT 的 71%。当对小鼠进行高钾（10 mM）挑战时，Kir2.1^cKO/cKO小鼠比目鱼肌的峰值力显著下降，降至不到基线的一半；而低钾（2 mM）挑战时，Kir2.1^cKO/cKO小鼠比目鱼肌的峰值力却出现轻度增加。这一结果表明，Kir2.1 cKO 小鼠的肌肉对高钾更为敏感，且与 WT 小鼠在低钾条件下的反应不同。

进一步研究发现，高钾挑战会使 Kir2.1^cKO/cKO小鼠肌肉的 V_rest发生更大程度的去极化，超过 WT 小鼠。当 V_rest超过 -60 mV 时，肌肉纤维的兴奋性和收缩性会急剧下降。在 10 mM K⁺条件下，约 60% 的 Kir2.1^cKO/cKO小鼠纤维 V_rest去极化至 -60 mV 或更去极化状态，而 WT 小鼠中只有约 30%。这说明高钾诱导的 V_rest去极化与 Kir2.1^cKO/cKO小鼠肌肉收缩力的严重下降密切相关。

在 Ba²⁺阻断模型中，研究人员发现 Ba²⁺对 Kir 电流具有显著的阻断作用，即使是 1 μM 的 Ba²⁺也能明显降低内向（负向）Kir 电流，50 μM 时该电流基本被完全阻断。通过调整 Ba²⁺浓度，研究人员模拟了不同程度的 Kir 电流降低情况。结果显示，当 Kir 电流降低约 80%（30 μM Ba²⁺处理）时，高钾挑战会导致肌肉收缩力下降，而低钾挑战时肌肉收缩力无明显变化；当 Kir 电流降低约 93%（50 μM Ba²⁺处理）时，无论是高钾还是低钾挑战，都会导致肌肉收缩力显著下降。这一结果与 Kir2.1^cKO/cKO小鼠模型的结果相互印证，进一步表明 Kir 电流降低程度与钾离子敏感性肌无力的关系。

研究人员还对 KCNQ 通道激动剂瑞替加滨进行了测试，观察其对 Kir 电流缺陷肌肉的保护作用。实验结果表明，瑞替加滨在预防低钾诱导的肌无力方面效果显著，能完全阻止 50 μM Ba²⁺处理的小鼠在低钾挑战时的肌肉收缩力下降；而在预防高钾诱导的肌无力方面，瑞替加滨的效果相对较弱，只能部分减轻肌肉收缩力的下降。这说明瑞替加滨对不同钾离子浓度诱导的肌无力具有不同的保护效果。

研究人员通过计算模拟构建了肌肉纤维兴奋性模型，进一步探究 Kir 电流降低与钾离子敏感性肌无力的关系。模型结果显示，随着 Kir 电流（I_Kir）降低程度的不同，肌肉纤维对高钾和低钾的反应也有所不同。当 I_Kir降低程度较小时，如模拟 KCNJ2 单倍体不足（I_Kir缩放为 0.5）时，模型显示纤维兴奋性得以保留；当 I_Kir降低程度较大，模拟 Kir2.1^cKO/cKO纤维（I_Kir缩放为 0.28）时，高钾挑战会导致 V_rest过度去极化至 -58 mV，进而使动作电位（AP）生成失败，肌肉收缩力下降；而在低钾挑战时，仍能保持正常的 AP 生成和肌肉收缩力。当 I_Kir严重降低（缩放为 0.07，模拟 50 μM Ba²⁺阻断实验）时，无论是高钾还是低钾挑战，都会导致 V_rest大幅去极化至 -50 mV，AP 生成失败，肌肉出现无力症状。

通过构建 V_rest与细胞外钾离子浓度（[K⁺]_O）的相图，研究人员直观地展示了不同 I_Kir降低程度下，肌肉纤维在不同 [K⁺]_O条件下的状态。当 I_Kir相对值≥0.35 时，肌肉收缩力在 2.0 - 7.5 mM 的 [K⁺]_O范围内保持正常；当 I_Kir相对值在 0.20 - 0.35 之间时，肌肉对高钾敏感，易出现收缩力下降；当 I_Kir相对值在 0.06 - 0.20 之间时，肌肉对高钾和低钾均敏感；当 I_Kir相对值≤0.06 时，肌肉在任何 [K⁺]_O条件下都处于去极化、不可兴奋和麻痹状态。这一模型结果与实验结果高度吻合，为理解钾离子敏感性肌无力的机制提供了有力的理论支持。

研究结论与意义

本研究通过基因敲除和药理阻断两种小鼠模型，结合计算模拟方法，深入探究了 ATS 患者中 Kir 电流减少与钾离子敏感性肌无力之间的关系。研究结果表明，Kir 电流减少是导致钾离子敏感性肌无力的关键因素，且肌无力的表型与 Kir 电流降低的程度密切相关。当 Kir 电流中度降低（10 - 30% of WT）时，肌肉对高钾敏感，易出现肌无力；当 Kir 电流严重降低（<10% of WT）时，肌肉对高钾或低钾均敏感，都会出现肌无力症状。

这一研究成果对于理解 ATS 的发病机制具有重要意义。以往对于 ATS 患者血钾变化与肌无力发作关系的争议，通过本研究得到了一定程度的解答。同时，研究还发现 KCNQ 通道激动剂瑞替加滨对预防低钾诱导的肌无力具有显著效果，对高钾诱导的肌无力也有一定的缓解作用，这为 ATS 的治疗提供了新的潜在药物和治疗思路。虽然小鼠模型不能完全模拟人类疾病的所有特征，但本研究为进一步研究 ATS 的发病机制和开发更有效的治疗方法奠定了坚实的基础，未来有望在此基础上开展更多针对 ATS 的临床研究和治疗干预。