Er endret regulering av Na+ årsak til svekket kontraktilitet i myokard ved hjertesvikt?

Fredrik Swift, Ivar Sjaastad, Ole M. Sejersted Om forfatterne
Artikkel

Andelen pasienter som overlever et akutt hjerteinfarkt øker takket være nye og mer effektive behandlingsmetoder. Dette er én årsak til at antall hjertesviktpasienter er økende. Ved hjertesvikt klarer ikke hjertet å forsyne det metaboliserende vev i kroppen med nok oksygenert blod fordi hjertets kontraktilitet er svekket (1).

Kontraktilitet er et komplekst begrep, men forenklet er kontraktiliteten et mål på hvor raskt og i hvilken grad hjertet kontraherer. Ved hjertesvikt er kontraktiliteten redusert. Dette medfører redusert kontraksjonshastighet i myokard og derfor langsommere trykkutvikling i systolen (1). Hjertets kontraksjon utløses av den såkalte eksitasjons-kontraksjons-koblingen, som er en samlebetegnelse for alle leddene i prosessen som kobler den elektriske aktiviteten (aksjonspotensialet) til cellens kontraksjon. Eksitasjonen, kontraksjonen og koblingen mellom dem er i stor grad kontrollert av ionestrømmer over cellemembranen. I denne artikkelen vil vi beskrive betydningen av ulike Na+-strømmer for eksitasjons-kontraksjons-koblingen i normale og sviktende hjerter.

Ionenes rolle i kontraksjonen

I interstitiet er konsentrasjonen av Na+ ([Na+]o) ca. 145 mmol/l, mens konsentrasjonen i cytosol ([Na+]i) er 5 – 15 mmol/l (2). Konsentrasjonsgradienten for Na+ over cellemembranen er drivkraft for mange transportprosesser. I tillegg er cellen negativt ladet (membranpotensial), noe som også utgjør en drivkraft. Den kjemiske og den elektriske drivkraften, dvs. konsentrasjonsgradienten og membranpotensialet, danner til sammen en elektrokjemisk gradient (3). For Na+ er begge rettet inn i cellen.

I den initiale fasen (fase 0) av aksjonspotensialet (fig 1) strømmer Na+ inn i cellen via Na+-kanaler, slik at cellen depolariserer (2). Denne Na+-strømmen (INa) er meget rask, og depolariserer alle cellene i ventriklene omtrent samtidig. Denne depolariseringsbølgen i myokard ses som QRS-komplekset i EKG. Depolariseringen gjør at spenningsstyrte L-type Ca2+-kanaler åpner seg (fase 1) slik at Ca2+ strømmer inn i cytosol. Dette kalsiumet stimulerer og åpner ryanodinreseptorer, eller Ca2+-frisettingskanaler, som er lokalisert i det sarkoplasmatiske retikulum. Det sarkoplasmatiske retikulum er cellens indre lager av Ca2+, og Ca2+ strømmer fra det sarkoplasmatiske retikulum til cytosol gjennom ryanodinreseptorene. Prosessen kalles kalsiumindusert kalsiumfrigjøring (CICR, calcium induced calcium release) (2). Den totale innadrettede Ca2+-strømmen gjennom L-type Ca2+-kanaler (ICa,L) bidrar til å danne platåfasen (fase 2) i aksjonspotensialet, men strømmen er for liten til å kunne reflekteres i EKG (ST-intervallet).

Figur 1  Transportproteinenes rolle i hjertesyklusen. a) Aksjonspotensial fra human venstre ventrikkel-kardiomyocytt og skjematisk elektrokardiogram. Aksjonspotensialets fem faser er indikert med tall (fase 0 – 4). b) Proteiner som styrer ionestrømmene i hjertets kontraksjonsfase. De forskjellige proteinene har økt aktivitet i forskjellige faser av aksjonspotensialet. Disse fasene er indikert med blå skrift nær de aktuelle proteinene. Se tekst for detaljer. Forkortelser: NKA: Na+/K+-ATPase, Na+: Na+-kanal, norm NCX: Na+/Ca2+-ionebytter i normal modus, rev NCX: Na+/Ca2+-ionebytter i revers modus, Ca2+: L  -type Ca2+-kanal, RyR: ryanodinreseptor, SERCA2: Ca2+-ATPase i sarkoplasmatisk retikulum, SR-lumen: lumen i sarkoplasmatisk retikulum

Når konsentrasjonen av Ca2+ øker i cytosol, vil Ca2+ binde seg til proteiner i cellens kontraktile apparat, og cellen kontraherer (2). Etter at Ca2+ har utløst kontraksjonen, må det fjernes fra cytosol. Like mye Ca2+ som ble frisatt fra det sarkoplasmatiske retikulum, blir tatt opp igjen i denne organellen via en ionepumpe (SERCA2), et protein som bruker metabolsk energi i form av adenosintrifosfat (ATP). Den mengden Ca2+ som strømmet inn gjennom L-type Ca2+-kanaler, må fjernes fra cellen før neste slag. Dette skjer ved hjelp av en Na+/Ca2+-ionebytter som er lokalisert i cellemembranen (2).

Na+/Ca2+-ionebytteren utnytter både den kjemiske Na+-gradienten og den elektriske gradienten (membranpotensialet) som drivkraft, og bytter tre Na+ mot ett Ca2+ over sarkolemma (4). Det er imidlertid bare ett Na+ som utnytter den elektriske gradienten, fordi de to andre er nøytralisert av de to ladningene på Ca2+ som transporteres i motsatt retning. Na+/Ca2+-ionebytteren kan fungere i begge retninger, men under relaksasjonen av cellen bytter den Ca2+ ut mot Na+ inn (fase 3 – 4). Cytosol får altså tilført enda flere Na+ i denne fasen. For å forhindre en opphopning av Na+ i cytosol og nedbrytning av Na+-gradienten bruker cellen et annet transportprotein, Na+/K+-ATPasen.

Na+/K+-ATPasen spalter ett ATP-molekyl for å pumpe to K+ inn i cellen og tre Na+ ut av cellen (5). Transporten skjer altså mot både den elektriske gradienten og den kjemiske gradienten for Na+. Transporten av Na+ er delvis elektrisk nøytralisert av K+, slik at det bare er ett Na+ som har både elektrisk og kjemisk «oppoverbakke». I fase tre av aksjonspotensialet strømmer K+ ut av cellen gjennom K+-kanaler for å repolarisere cellen, men disse kanalene vil ikke bli omtalt i denne artikkelen.

Bevegelse av ioner over cellemembranen kan føre til diffusjonsgradienter inne i cellen, blant annet fordi diffusjon av ioner inne i cellen er hindret av en rekke små organeller og av proteiner. Konsentrasjonen av ioner like under cellemembranen kan derfor være forskjellig fra konsentrasjonen i resten av cytosol i visse faser av aksjonspotensialet (6). Den dynamiske kontrollen av Na+ og Ca2+ like under cellemembranen er derfor viktig å forstå for å kunne si noe om betydningen av Na+ for cellens kontraktilitet. Ett viktig spørsmål er også om intracellulært Na+-nivå, eller cellens evne til å kontrollere Na+, er endret ved hjertesvikt. Hvilken betydning kan i så fall dette ha for hjertets kontraktile egenskaper?

Kontroll av intracellulært Na+

Natrium slipper inn i cellen når den er i aktivitet: gjennom Na+-kanaler og Na+/Ca2+-ionebytteren i normal modus, og i tillegg gjennom en Na+/H+-ionebytter som omtales senere. Na+/K+-ATPasen transporterer Na+ ut av cellen og holder [Na+]i under kontroll. Endring av Na+/K+-ATPasens egenskaper kan forstyrre kontrollen av [Na+]i og dermed påvirke cellens kontraktilitet via Na+/Ca2+-ionebytteren. Er dette en årsak til dårlig kontraktilitet i det sviktende hjertet? Vi vil i det følgende kort si noe om de forskjellige membranproteinene som deltar i dette komplekse samspillet.

Na+-kanaler

En Na+-kanal (fig 2a) (7 – 9) danner en selektiv pore som kun lar Na+ passere inn i cellen (3). Na+-kanalen er spenningsstyrt, det vil si at den styres av membranpotensialet. På denne måten kan kanalen åpnes og lukkes som funksjon av membranpotensialet. Når en depolariserende bølge sprer seg gjennom hjertet og åpner Na+-kanalene, vil Na+ strømme inn i cellen og starte aksjonspotensialet. Etter at aksjonspotensialet er startet, inaktiveres Na+-strømmen spontant. En variant av langt QT-syndrom skyldes ufullstendig inaktivering av Na+-kanaler og disponerer for maligne arytmier (1).

Figur 2  Transportproteinenes struktur. a) Na+-kanalen. Transmembrant protein bestående av fire like domener (domene 1 – 4). Hvert domene består av seks transmembrane segmenter (segment 1 – 6). Segment 4 gir kanalen følsomhet for membranpotensialet. Selve poren i kanalen dannes av sløyfen mellom segment 5 og segment 6 i de fire domenene. Na+-kanalene finnes i sarkolemma og blokkeres blant annet av antiarytmika klasse I. Figur modifisert fra Sperelakis (3). b) Na+/Ca2+-ionebytteren. Protein bestående av ni transmembrane segmenter og en intracellulær løkke med seter for regulering, blant annet av [Na+]i og [Ca2+]i. Na+/Ca2+-ionebytteren finnes i hele sarkolemma, også i t-rørene. Na+/Ca2+-ionebytteren kan hemmes av et stort antall farmaka, men ingen er særlig potente eller selektive. Figur modifisert fra Philipson & Nicoll (7). c) Na+/K+-ATPasen. Proteinet består av to subenheter: en katalytisk alfa-subenhet, som inneholder et fosforyleringssete samt bindingssteder for Na+, K+, ATP og for glykosider (ouabain, digitalis, etc.), og en beta-subenhet, som sørger for riktig konformasjon og distribusjon av alfa-subenheten i membranen. Na+/K+-ATPasen finnes i hele sarkolemma, men er kompartementalisert. Na+/K+-ATPasen blokkeres av ouabain, digitalis og andre glykosider. Figur modifisert fra Blanco og medarbeidere (8). Til venstre vises en 3D-rekonstruksjon av proteinet (fra Rice og medarbeidere (9))

Na+-kanaler har også en langsom form for inaktivering (2). Hvis cellens hvilemembranpotensial langsomt blir mindre negativt (depolariserer), vil Na+-kanalene inaktiveres uten å åpne seg først. De kan ikke åpnes igjen hvis ikke membranpotensialet igjen blir mer negativt. Ved iskemi og ved hyperkalemi vil cellene være depolarisert (10). Dette forklarer hvorfor iskemisk myokard raskt stopper å kontrahere.

Med økende hjertefrekvens vil mer Na+ strømme inn i cellen. Derfor øker [Na+]i med hjertefrekvensen. Den elektrokjemiske gradienten for Na+ blir da mindre. Dette gjør at Na+/Ca2+-ionebytteren ikke så effektivt reduserer intracellulær Ca2+-konsentrasjon ([Ca2+]i) i diastolen. Dette er en av forklaringene på at kontraktiliteten i hjertet øker med økende hjertefrekvens (2).

Na+/H+-ionebytteren

Na+/H+-ionebytteren bidrar i reguleringen av [Na+]i, men hovedfunksjonen er å regulere pH i cellen (2). Den er elektronøytral (bytter ett Na+ mot ett H+), slik at det bare er de kjemiske gradientene for Na+ og H+ som påvirker dens funksjon, ikke den elektriske. Ved acidose byttes H+ ut av cytosol slik at intracellulær pH ikke blir så lav. Det gir økt innstrømming av Na+ i cellen. Dette går bra hvis cellens kapasitet til å pumpe Na+ ut igjen er bevart. Ved iskemi er imidlertid Na+/K+-ATPasen hemmet (11), slik at Na+/H+-ionebytteren vil kunne forårsake en betydelig intracellulær akkumulering av Na+. Under reperfusjon vil pH ekstracellulært raskt normaliseres, fordi blodet som nå strømmer gjennom kapillærsengen, har en normal pH. Dette vil akselerere Na+/H+-ionebytteren ytterligere og forårsake enda kraftigere intracellulær opphopning av Na+ (2). Hvis ikke Na+/K+-pumpen reaktiveres raskt, kan dette forårsake reperfusjonsskade av cellen. Høy [Na+]i i kombinasjon med en depolarisert cellemembran vil få Na+/Ca2+-ionebytteren til å reversere. Cellen blir raskt fylt med Ca2+ og går i kontraktur og eventuelt senere i nekrose.

Na+/Ca2+-ionebytteren

Na+/Ca2+-ionebytteren (fig 2b) ble først påvist i hjertet i 1968 (12). Ionebytterens retning er avhengig av tre forhold: membranpotensialet og Na+- og Ca2+-konsentrasjonsgradientene (4). Ionebytterens likevektspotensial avhenger av balansen mellom disse. Hvis det aktuelle membranpotensialet er likt ionebytterens likevektspotensial, vil like mange ioner passere ut som inn.

Når membranpotensialet er mer negativt enn ionebytterens likevektspotensial, blir Ca2+ ført ut av cellen gjennom ionebytteren i normal modus (4). Dette skjer i tiden mellom aksjonspotensialene, altså i diastolen. I normal modus tømmer ionebytteren cytosol for Ca2+ under relaksasjonen og holder konsentrasjonen av Ca2+ lav i cytosol, slik at cellen er klar til å kontrahere ved et nytt Ca2+-signal.

Under aksjonspotensialet blir membranpotensialet mer positivt enn ionebytterens likevektspotensial. Ionebytteren bytter da Ca2+ inn i cellen og Na+ ut (4). Strømmen av Ca2+ inn i cellen kan øke innholdet av Ca2+ i det sarkoplasmatiske retikulum, fungere alene som et signal for kalsiumindusert kalsiumfrigjøring eller virke sammen med ICa,L for å aktivere kalsiumindusert kalsiumfrigjøring (2, 4). Gjennom en hjertesyklus vil normal modus dominere slik at cellen ikke akkumulerer Ca2+.

Varigheten av diastolen i forhold til varigheten av aksjonspotensialet har betydning for [Ca2+]i. Kort diastole vil disponere for intracellulær akkumulering av Ca2+, fordi den tiden ionebytteren har til rådighet i normal modus, vil være liten. Dette kan også bidra til å forklare hvorfor kontraktiliteten i hjertet øker med økende hjertefrekvens. Det forklarer også hvorfor den første kontraksjonen etter en pause kan være sterkt svekket.

Na+/K+-ATPasen

Cellens eksitabilitet er avhengig av at konsentrasjonen av Na+ og K+ intra- og ekstracellulært er forskjellige: [Na+]i = 5 – 15 mmol/l, [Na+]= 145 mmol/l, [K+]i = 140 mmol/l, [K+]o = 5 mmol/l (2). Disse konsentrasjonsforskjellene mellom cytosol og interstitiet opprettholdes av Na+/K+-ATPasen (fig 2c), som er den eneste mekanismen som alltid pumper Na+ ut av cellen, mot konsentrasjonsgradienten.

Na+/K+-ATPasens aktivitet blir regulert av [Na+]i, [K+]o og av tilgangen på ATP. Normalt vil [K+]o være så høy at K+ ikke begrenser pumpens aktivitet (5). Heller ikke tilgangen på ATP vil normalt begrense pumpeaktiviteten. Pumpen er derfor innrettet på å regulere sin aktivitet i forhold til [Na+]i. Det betyr at en liten økning i Na+-strømmen inn i cellen vil øke konsentrasjonen av Na+ i cellen inntil pumpehastigheten igjen tilsvarer den innadrettede Na+-strømmen. I hjertet er det mange Na+/K+-pumper i forhold til behovet (1 200 versus 3 Na+-kanaler/µm²) (2), slik at kontrollen med [Na+]i er meget god. Allikevel vil en reduksjon i antall funksjonelle Na+/K+-ATPaser kunne påvirke [Na+]i, og dermed påvirke cellekontraksjonen.

Ved iskemi reduseres Na+/K+-pumpens aktivitet på grunn av lav pH (2), og dermed greier ikke pumpen å fjerne tilstrekkelig Na+ fra cytosol. Redusert tilgang på ATP kan også delvis forklare den reduserte pumpehastigheten ved iskemi (2).

Diffusjonen av subsarkolemmalt Na+ er begrenset

Na+/Ca2+-ionebytteren, Na+/K+-ATPasen og Na+-kanalene har til felles at de har bindingsseter for Na+ inn mot cytosol. Spørsmålet er om de «ser» den samme pool, eller konsentrasjon, av Na+. Studier (13) viser at området rett under sarkolemma kan ha andre konsentrasjoner av Na+ enn resten av cellen. Området har vært omtalt som «fuzzy space» i over et tiår (6), men det er fortsatt uklart hva som er årsaken til den trege diffusjonen i dette avgrensede området. Den begrensede diffusjonen av Na+ vil ha konsekvenser for samspillet mellom proteiner som regulerer Na+-konsentrasjonen i cellen, ved at de «ser» ulik Na+-konsentrasjon.

I et system hvor diffusjonen av Na+ er begrenset innenfor et område, vil to proteiner som sitter tett sammen i cellemembranen, kunne samarbeide om samme pool av ioner, mens to mer distanserte proteiner arbeider uavhengig av hverandre (fig 3). Studier av interaksjonen mellom Na+/Ca2+-ionebytteren, Na+/K+-ATPasen og Na+-kanaler antyder at Na+/K+-ATPasen blir forsynt med Na+, som slipper inn i cellen via nærliggende Na+-kanaler og ionebyttere. For eksempel er Na+/Ca2+-ionebytteren og Na+/K+-ATPasen funnet samlokaliserte i sarkolemma (14).

Figur 3  Transportproteinenes samarbeid. a) Hvis transportproteinene i cellemembranen befinner seg langt fra hverandre, vil deres aktivitet bli regulert uavhengig av hverandre på grunn av intracellulære diffusjonsgradienter. De forskjellige proteinene «ser» forskjellige Na+-konsentrasjoner. b) Hvis transportproteinene i cellemembranen er sterkt samlokalisert i grupper, vil aktiviteten av proteinene i en slik gruppe reguleres av samme pool av Na+

Endret regulering av Na+ ved hjertesvikt?

Ved hjertesvikt skjer det en endring i ekspresjonen av og egenskapene til Na+/K+-ATPasen (15, 16), Na+/Ca2+-ionebytteren (17, 18) og Na+-kanalene (19). Endringene er sannsynligvis kompensatoriske, men kan også bidra til utvikling av hjertesvikten.

Både dyreeksperimentelle (15) og humane (20) studier viser at Na+/K+-ATPasens kapasitet er redusert ved hjertesvikt. En reduksjon i Na+/K+-ATPasens kapasitet gir tregere kontroll av intracellulært Na+, og det har konsekvenser for reguleringen av intracellulært Ca2+ og dermed for kontroll av kontraksjonen.

I motsetning til Na+/K+-ATPaseaktiviteten er Na+/Ca2+-ionebytteraktiviteten betydelig økt (~100 %) i sviktende hjerteceller. Økningen i ionebytteraktivitet skyldes en økning i mengde ionebytterprotein og at ionebytterens hastighet øker (17). En økning i mengden protein kan gjøre at Na+/Ca2+-ionebytterne sitter nærmere hverandre i cellemembranen. Dette kan gi større grad av samlokalisering med Na+/K+-ATPasen og kan bedre samarbeidet mellom de to proteinene. Vi vet at Na+/Ca2+-ionebytteren bidrar mer i relaksasjonen og i kontraksjonen (21, 22) av hjertecellene ved hjertesvikt (23). Nye studier (24) antyder at den økte tettheten av Na+/Ca2+-ionebyttere i cellemembranen er nødvendig for å opprettholde en normal Ca2+-transport ut av hypertrofierte celler. På grunn av volumøkningen må disse cellene transportere ut mer Ca2+ for å gi en adekvat relaksasjon.

Det er vist at en type Na+-kanaler som inaktiveres langsomt, har økt betydning ved hjertesvikt (2, 25). Denne strømmen forlenger aksjonspotensialet og gir økt innstrømming av Na+ i cellen. Det er vist at konsentrasjonen av Na+ inne i cellen er økt ved hypertrofi (26) og ved hjertesvikt (2, 27, 28). En lavere konsentrasjonsgradient for Na+ endrer drivkraften for Na+/Ca2+-ionebytteren, slik at også diastolisk [Ca2+]i øker (29). Det bidrar til økt stivhet av ventriklene og dermed dårligere diastolisk fylling. I reversert modus vil drivkraften øke: Mer Ca2+ går inn i cellen under den initiale fasen av aksjonspotensialet. Det kan være en viktig kompensasjonsmekanisme for å opprettholde kontraksjonskraften i det sviktende myokard. Den intracellulære Ca2+-homøostasen er på denne måten endret, men det komplekse samspillet mellom de involverte proteinene gjør at vi foreløpig ikke kan si så mye om konsekvensene for cellefunksjonen, verken i normalt eller i sviktende myokard.

Intracellulært Na+ som et terapeutisk angrepspunkt

Som nevnt er antallet funksjonelle Na+/K+-pumper avgjørende for hvor god kontroll ionepumpen har over [Na+]i. Dette har vært utnyttet terapeutisk i over 200 år (30) ved å bruke digitalis i behandling av hjertesvikt. Digitalis er en spesifikk hemmer av Na+/K+-pumpen, og blokkerer den ved å binde seg til alfa-subenheten (fig 4). I terapeutisk nivå regner vi med at digitalis blokkerer 10 – 15 % av ionepumpene (1), og konsekvensen er at [Na+]i øker. For at Na+/Ca2+-ionebytteren på ny skal komme i likevekt, må også Ca2+ akkumuleres intracellulært, hvilket øker cellens kontraktilitet. Et problem er at digitalis lett forårsaker sene etterdepolarisasjoner, på grunn av økt Na+/Ca2+-ionebytteraktivitet (2, 31), dermed øker risikoen for arytmi.

Figur 4  Intracellulær Na+-konsentrasjon påvirker cellens kontraktilitet. Figuren viser to av effektene av stimulering av beta-adrenerge reseptorer. Effekten på Na+/K+-ATPasen vil modifisere den dominerende effekten på Ca2+-strømmen (ICa,L)

En annen måte å hemme Na+/K+-ATPasen på er å bruke beta-blokkere. Beta-blokkere binder seg til adrenerge beta-reseptorer i cellemembranen og hindrer beta-adrenerge agonister i å binde seg. Stimulering av beta-adrenerge reseptorer gir en fosforylering av Na+/K+-ATPasen som er formidlet via proteinkinase A. Denne fosforyleringen gir økt pumpehastighet (5). Beta-blokkere reduserer fosforyleringsgraden av Na+/K+-ATPasen, og reduserer dermed pumpehastigheten. Beta-blokkere kan også hemme Na+/K+-ATPasen ved å binde seg direkte til pumpen (32). Begge de nevnte virkningsmekanismene for beta-blokkere gir økt [Na+]i, og kan dermed bidra til at bortfallet av de andre effektene av beta-adrenerg stimulering blir noe modifisert.

Konklusjon

Det er samspillet mellom transportmekanismene for ulike ioner som definerer cellens kontraktile egenskaper. Dirigenten for dette samspillet er intracellulært Na+. Ved hjertesvikt er [Na+]i økt, og det endrer hjertets kontraktile egenskaper, ved at Ca2+-homøostasen endres. Bedre forståelse av reguleringen av [Na+]i er derfor viktig for å kunne optimalisere behandlingen av hjertesvikt.

Anbefalte artikler