심근 수축에 있어서 Calcium 이온의 기원에 관한 약리학적 연구

The Pharmacological Studies on the Origin of Calcium ion in Myocardial Contraction

Na-Ca 교환은 calcium 이온을, 세포 내외의 Na 이온 농도차에 의해서 형성되는 원동력의 방향에 따라, 세포내로(역방향 Na-Ca 교환), 혹은 세포밖으로(정방향 Na-Ca 교환) 이동시킨다. 그러므로 Na-Ca 교환은 심근 수축 운동의 조절 기전의 하나로 받아 들여지고 있다. 그러나, 세포내의 Na 이온 농도는 항상 세포외의 농도보다 낮으므로, 역방향 Na-Ca 교환의 존재와 아울러 이의 심근 수축에 있어서의 역할 가능성에 대해 많은 연구자들이 회의를 가지고 있는 것이 사실이다. 그러므로 본 연구는 흰쥐의 좌심방을 이용하여, 역방향 Na-Ca 교환의 존재 여부와 그 역할의 존재 가능성을 추구하여 보고자 하였다. 흰쥐의 좌심방은 전기장 자극(0.5msec, supramaximal voltage)으로 수축을 유발하고, 자극 빈도를 안정시 4Hz에서 0.4, 1, 8Hz로 변동시킬때 그 수축 장력에서 특징적인 역 사다리 효과(negative staircase effect)가 나타내었으나, 이때 $^{45}Ca$ 섭취는 저빈도로 갈수록, 또한 고빈도로 갈수록 증가되는 이원적인 증가를 나타내었다 자극 빈도를 4Hz 에서 0.4Hz로 변동시에는 수축 장력이 특징적인 삼단계 변환, 즉 급격히 증가하는 첫단계에 이어 급격하게 감소하는 이단계와 안정되어지는 삼단계로 나타났다. $^{45}Ca$ 섭취도 장력 변동과 같은 양상으로 처음 30초 동안에 현저하게 증가한 후 감소되었다. Na-Ca 억제 약물인 benzamil은 $10^{-5}M$에서부터 $3{\times}10^{-4}M$까지 용량에 비례하여 특히 초기의 장력증가를 봉쇄하였다. Bay K-8644$(3{\times}10^{-5}M)$ 처치는 자극 빈도 감소에 따른 수축력 증가를 현저하게 항진시켰으며, benzamil처치는 이때에도 억압을 나타내었다. Verapamil $3{\times}10^{-5}M$ 전처치시에는 4Hz 자극시의 수축 운동은 완전히 소실시켰으나, 0.4 혹은 1 Hz로 바꿈에 따라 수축 운동이 재현되었다. 이때 $^{45}Ca$ 섭취는 verapamil을 전처치하지 않은 경우보다 현저하게 항진되었다. 이상의 결과로 보아, 흰쥐의 좌심방에서 자극 빈도 감소후에는, 먼저 역방향 Na-Ca 교환에 의해 calcium이온이 세포내로 유입되어 수축운동의 항진이 유발되고, 이어 Na-Ca 교환이 정방향으로 변환되어 calcium이온을 세포밖으로 유출시킴에 따라 수축 운동이 감소된다고 생각한다.

Na-Ca exchange transports calcium ion either into (reverse mode Na-Ca exchange) or out of the cell (forward mode Na-Ca exchange) according to the direction of driving force produced by the changes in ratio of intra- and extra-cellular Na concentrations. Thus, Na-Ca exchange is regarded as the regulator of myocardial contraction. However, the existence of reverse mode Na-Ca exchange and its role in myocardial contraction is still questioned. Present study was performed to identify the presence of reverse mode Na-Ca exchange and its possible involvement in the regulation of myocardial contraction in rat heart. Using the left atria of rat, contraction was induced by electrical field stimulation (EFS, 0.5 msec duration and supramaximal voltage). Changing of the stimulation frequencies from resting 4 Hz to 0.4, 1 or 8 Hz caused typical negative staircase effect in twitch tension, but $^{45}Ca$ uptake showed bimodal increase. When the stimulation frequency was abruptly changed from 4 Hz to 0.4 Hz the atrial twitch tension showed three phased-enhancement, that is, the initial rapid increase (the first phase) followed by rapid decrease (the second phase) and stabilization (the third phase). $^{45}Ca$ uptake was equivalent to tension, i.e. initial significant increase in first 30 second and then decrease. Benzamil treatment abolished the first phase of increase in a dose dependent manner from $10^{-5}\;to\;3{\times}10^{-4}M.$ Bay k 8644 $(3{\times}10^{-5}M)$ treatment enhanced the inotropy induced by frequency reduction and abolished the second and third phase decreases. Benzamil treatment also suppressed the contraction stimulated by Bay K 8644. Although the contraction at 4 Hz stimulation was completely abolished by verapamil $3{\times}10^{-5}\;M$ pretreatment, the contraction reappeared as soon as the stimulation frequency was changed into 0.4 or 1 Hz and interstingly,$^{45}Ca$ uptake were significantly higher than no treatment. From these results, it is concluded that reduction of stimulation frequency causes calcium influx by the reverse mode Na-Ca exchange, resulting in initial rapid increase of twitch tension. then it turns into forward mode exchange to efflux the calcium, resulting in decrease of the twitch tension in left atria of rat.