세포외 K+이 내피세포 의존성 이완과 혈관 내피세포내 Ca2+농도에 미치는 영향

Abstract

In resistant arteries, the increase of extracellular K^+ concentration ([K^+]_o) relaxes the vascular smooth muscle. The relaxation is known as one of the most important mechanisms to control vascular tone in resistant arteries. Although it is well-known that endothelial cells play an important role in the control of vascular tone, there is no report on the effect of extracellular K^+ on endothelial cells. In this study, we attempted to examine whether extracellular K^+ could modulate endothelium-dependent relaxation and intracellular Ca^2+ concentration ([Ca^2+]_i). Mouse aorta with the endothelium was contracted by the application of norepinephrine(NE, 10μM) or prostaglandin F_2α(PGF_2α, 3μM) while inducing near complete relaxation by the application 3μM acetylcholine(ACh). The relaxation was completely inhibited by the increase of [K^+]_o from 6 mM to 12 mM. The inhibitory effect of extracellular K^+ was concentration-dependent. In mouse aorta without the endothelium or treated with N^G -nitro-L-arginine(30 μM), NO synthesis blocker, there was no change in the magnitude of contraction induced by either NE or PGF_2α . The increase of [K^+]o induced the contraction of mouse aorta when the concentration was higher than 18 mM, but there was no change of the vascular tone when the concentration was lower than 12 mM. In cultured mouse aorta endothelial cells and human umbilical endothelial cells, [Ca^2+]_i increased by the application of ACh(10 μM) or adenosine 5'-triphosphate(1 uM). The increase of [Ca^2+]i was inhibited by the increase of [K^+]o from 6 mM to 12 mM. The inhibitory effect of extracellular K^+ was concentration-dependent. Ouabain, Na^+ -K^+ pump blocker, inhibited endothelium-dependent relaxation. Although ouabain inhibits endothelium-dependent relaxation, the inhibition of endothelium-dependent relaxation by extracellular K^+ was reversed by ouabain. These data indicate that extracellular K^+ can modulate [Ca^2+]_i in the endothelial cells and inhibit endothelium-dependent relaxation. The initial mechanism of the inhibition may be due to the activation of Na^+ -K^+ pump. As the [K^+]_o can easily be changed within several mM range, this study may be able to contribute to understand the mechanisms of hemodynamic regulation and vascular contractility.;저항혈관에서는 세포외 K^+이 혈관 평활근의 수축력에 큰 영향을 미치는데, 수 mM 범위 내의 세포외 K^+ 농도 증가에 의하여 세포내 Ca^2+이 감소하고 혈관 평활근이 이완하는 것은 이미 잘 알려져 있다. 혈관 내피세포가 혈관 평활근의 수축력에 큰 영향을 미침에도 불구하고 세포외 K^+이 혈관 내피세포에 미치는 영향에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 그러므로 본 연구에서는 세포외 K^+이 내피세포 의존성 이완과 세포내 Ca^2+ 농도에 미치는 영향을 알아보기 위해서 혈관 평활근의 수축력과 혈관 내피세포내의 Ca^2+ 변화를 측정하였다. 이때 혈관은 쥐의 대동맥을, 혈관 내피세포는 일차 배양 기법을 이용하여 분리한 쥐의 대동맥 혈관 내피세포와 인간 제대정맥 내피세포(human umbilical vein endothelial cell, HUVEC)를 사용하였다. 혈관 내피세포를 제거하기 위하여 쥐의 대동맥 안팎을 뒤집은 후 밖으로 나온 혈관 내면을 솜뭉치로 부드럽게 문지르는 방법을 사용하였다. 연구결과 쥐의 대동맥에 10 μM norepinephrine(NE) 혹은 3 μM prostaglandin F_2α(PGF_2α)를 투여하면 수축이 일어났고 수축이 안정 상태에 이르렀을 때 3μM acetylcholine(ACh)을 투여하면 혈관 내피세포가 있는 대동맥에서는 이완이 일어났다(내피세포 의존성 이완). ACh에 의한 이완이 최대로 일어났을 때 세포외 K^+ 농도를 정상 6 mM에서 12 mM로 증가시키면 이완된 혈관이 다시 수축되었으며 그 수축 정도는 세포외 K^+ 농도에 비례하였다. 한편 혈관 내피세포를 제거하거나 nitric oxide(NO) 생성 억제제인 N^G -nitro-L-arginine(30μM)을 투여한 경우에는 ACh에 의한 이완이 일어나지 않았으며, 세포외 K^+ 농도를 6 mM에서 12 mM로 변화시켜도 NE 혹은 PGF_2α에 의한 수축력에는 유의한 변화가 없었다. 또한 세포외 K^+ 농도를 점차 증가시키는 경우 18 mM 이상 증가시키면 혈관 평활근이 수축하기 시작하였지만 12 mM 이하의 농도에서는 수축력이 증가하지 않았다. 배양한 쥐의 대동맥 혈관 내피세포에서는 ACh(10 μM) 혹은 adenosine 5'-triphosphate(1 μM) 투여에 의하여 세포내 Ca^2+이 증가하였다. 세포내 Ca^2+ 증가가 정점에 이른 다음 세포외 K^+ 농도를 6 mM에서 12 mM로 증가시키면 세포내 Ca^2+이 감소하였고 다시 6 mM로 감소시키면 세포내 Ca^2+이 증가하였다. 세포외 K^+ 증가에 의한 세포내 Ca^2+ 억제 효과는 HUVEC에서도 관찰되었다. Na^+ -K^+ 펌프 억제제인 ouabain이 농도 의존적으로 내피세포 의존성 이완을 억제함에도 불구하고 세포외 K^+ 농도 증가에 의한 내피세포 의존성 이완의 억제효과는 ouabain에 의하여 역전되었다. 결론적으로 세포외 K^+의 증가는 혈관 내피세포내 Ca^2+ 증가를 억제하여 내피세포 의존성 이완을 억제하였다. Na^+ -K^+ 펌프의 활성화가 그 기전의 첫 단계로 생각되지만 궁극적인 기전에 대해서는 아직 많은 연구가 더 필요하다. 세포외 K^+ 농도는 수 mM 범위 내에서 쉽게 변화할 수 있으므로 본 연구가 혈역학 조절과 혈관 평활근 수축 기전을 이해하는데 기여하는 바가 크다고 생각된다.