Piezo1在肺部疾病的研究进展
时间：2022-12-06 19:05:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
周能 张实 李涵 刘恩秀 褚衍彪
力学信号的传导普遍存在于正常组织发育的生理过程及疾病发生发展的病理过程中，而牵拉激活离子通道(SAC)则充当着力学信号转换器。在细胞层面通过感知包括剪切力、牵张力、基质硬度在内的各种力学刺激将力学信号转化为生物信号或电信号，进而引起细胞生物学改变。2021年，Ardem Patapoutian实验室因触觉感受器Piezo1分子的研究而获得诺贝尔生理学或医学奖，再次将SAC带入视野。Piezos自2010年发现以来，就被认为是最重要的机械传感离子通道家族之一。因其同时作为一类非选择性Ca2+通道，可以通过改变细胞内Ca2+浓度影响细胞各类功能蛋白的表达和活性，最后导致细胞功能的变化。这些蛋白又会参与细胞增殖、迁移、死亡、基因转录等特定的细胞过程[1-2]。在既往研究中，Piezo1的功能探索主要聚焦于血管发育及血压调节等方面。而动物实验证明Piezo1在肺组织中高度表达[3]，其在肺损伤、急性呼吸窘迫综合征(ARDS)、肺水肿及肺动脉高压等肺部疾病中的功能，正在逐步探究中[4-7]，同时piezos在肺脏疾病中的作用和机制也需要进一步了解和探索。
Piezos是由Coste等人首次在神经母细胞瘤细胞系Neuro2A中发现，当Fam38A基因受到干扰时，由稳定机械激活引起的内向电流受到显著抑制，由此推测Fam38A基因编码一种机械力激活的阳离子通道，并将其命名为Piezo1，随后通过序列同源特性发现，由Fam38B基因编码的Piezo2[3]。Piezo1主要分布在肾脏、肺、皮肤等器官，参与血管发育、血压调节、血管重塑等功能；
Piezo2主要分布在神经元中，与本体、皮肤等感觉相关。Piezos通道非选择性渗透Na+、K+、Ca2+、Mg2+。
Piezo1(分子量：286 Kda)是一类跨膜蛋白，可以对外界机械刺激做出反应。该蛋白由2500～2800个氨基酸构成，其跨膜区域高达26～40个，是目前已知最大的跨膜蛋白[3]。Piezo1的分子结构，主要由中心离子孔道及其外围形成三聚体螺旋桨结构。其外围主要由三个弯曲的“叶片”(Blade)、“梁”(Beam)和“锚定区”(Anchor)组成。Piezo1的“叶片”区域高度灵活，可以作为一个力学传感器调节阳离子门控，从而响应机械刺激。而“梁”(Beam)发挥类似杠杆的原理将机械刺激传导到中心离子孔道[8]。中心离子孔道顶部形成的“帽状物”结构为细胞外C末端结构域(CED)，CED位于最后两个被称为外螺旋(OH)和内螺旋(IH)的跨膜区(TMs)之间。由这三者组成的区域 (OH - CED - IH)可能一起形成渗透途径[9]。当Piezo1通道受到外部机械力刺激时，其构象发生可逆性的扁平变化[10]，继而通过“叶片”及“梁”等结构形成的杠杆状装置，将远端叶片形成的构象，改变转化为中央离子孔道开放孔径大小的改变，从而允许阳离子渗透达到膜去极化的作用[11]。
Piezo1作为一类固有的非选择性机械敏感离子通道，不需要第二信使或其他信号激活，可以直接对质膜畸变做出反应[12]。并且在血管发育、血压调节、血管重塑、细胞黏附等方面，起着重要作用[13-15]。Piezo1的基因突变也参与了遗传性人类疾病的形成[16]。作为早期血管发育的关键内皮细胞力学感受器，Piezo1促进血管发育，并维持健康的血管系统[16]。Piezo1在血流出现后由作用于血管内皮上的剪切力激活。在小鼠妊娠中期敲除Piezo1会引起胚胎死亡，其死亡率多发生与循环系统发育对应的E9.5-10.5期间，而在敲除Piezo1小鼠和正常小鼠早期(E9)仍可出现正常心脏搏动及血流量，表明Piezo1并不参与血管的发生阶段[13,16]，而是在血管出现血流后通过感知血流剪切力，从而参加血管的生成。在调节血压及血管舒张方面，Piezo1被发现在高血压患者的小直径血管中，大量表达，当位于平滑肌细胞质膜上的Piezo1激活后，胞质内Ca2+及谷氨酰胺转胺酶活性的增高导致高血压患者小动脉重塑[14]。并且Piezo1的激活可以通过诱导内皮细胞释放肾上腺髓质素，促进cAMP、NO的合成从而调节血压和血管张力[17]。同时，Piezo1的激活与缺失也会导致应力纤维组织和细胞取向性生长的改变[16]。而有趣的是，位于内皮细胞的Piezo1分子被血管血液层流激活后，可以起到保护动脉粥样硬化的作用[18]，血液湍流激活内皮细胞的Piezo1通道，则可以介导内皮炎症的发生[19]，这证明了不同类型机械力刺激及环境作用下，激活的Piezo1可能产生的作用不一。如在肠道循环中，内皮细胞Piezo1诱导ATP增加，通过嘌呤受体(PAY2)/Gq/G11引起NO的释放，继而介导肠系膜循环血流依赖性血管扩张[15]；
而由锻炼时引起的肠系膜内皮细胞Piezo1的增加，会使内皮细胞去极化；
并且去极化会通过缝隙连接传递到平滑肌细胞引起血管收缩[20]。Piezo分子的特性及功能可能在机械刺激及细胞的不同类型中出现不同的表现。
肺长期处于呼吸力学与肺血流动力学的刺激中，肺内细胞通过感受血流剪切力、静脉压及循环拉伸引起的变化，参与肺内一系列生理功能和病理生理过程。同时Piezo1在肺内大量表达[3]，在各种生物力学转导过程中发挥的作用正在逐步探索中。
一、Piezo1与肺水肿
肺内皮屏障的破坏，会引起流经肺毛细血管的液体和血浆蛋白流量增加，从而导致肺水肿。粘附连接(AJs)蛋白(VE-cadherin、β-catenin、α-catenin、p120-catenin)作为内皮细胞最重要的连接方式在维持肺内皮屏障完整性方面，起着重要作用，其破坏可直接导致肺液稳态的失衡[21]。Piezo1可以被肺微血管内皮细胞(ECs)受到的肺泡压力而产生的拉伸刺激[22]激活。在肺血管压力增高的小鼠模型中，特异性敲除内皮细胞Piezo1分子可以减少内皮黏附连接(AJ)蛋白的降解，同时消除由肺内皮屏障渗漏和肺微血管压力升高引起的水肿[23]。肺水肿的发生依赖于肺内皮屏障的完整性的破坏[24]，抑制内皮细胞Piezo1的表达，可以增加黏附连接蛋白的水平从而维持内皮的完整性，这不失为肺水肿的一个潜在治疗方向。
二、Piezo1与通气相关肺损伤(VILI)
在呼吸衰竭的患者中，低潮气量机械通气治疗是最主要和必要的支持措施。由于给与肺损伤患者低潮气量通气治疗时，也会产生通气分布不均的影响。部分肺区域过度膨胀引起的肺泡-毛细血管屏障破坏通常导致呼吸机相关肺损伤的产生[25]。实验发现在小鼠内皮细胞特异性敲除Piezo1模型中，大容量机械通气下的小鼠，肺血管通透性显著增加，并且在人源性肺内皮细胞中敲除Piezo1并暴露于循环拉伸环境中，也会增加细胞渗透性。Piezo1表达上调后会激活其下游分子calpain(半胱氨酸蛋白酶)切割Src激酶，抑制Scr介导的Y685和Y658位点VE-cadherin磷酸化，进而阻止内皮粘附连接蛋白内化，并维持内皮屏障在机械伸拉刺激反应中的稳定性，最终起到维持内皮细胞连接的完整性及控制其通透性的作用。同时在高容量机械通气时，抑制Piezo1的表达会引起肺水肿，也证明Piezo1在肺过度膨胀过程中保护内皮屏障的作用[6]。随后，Jiang等人[26]利用体内、体外实验也得到了类似的结果，机械刺激引起的肺内皮细胞Piezo1激活，可以通过calpain增加脂多糖(LPS)诱导的肺血管高通透性。在长期的机械通气过程中，肺泡感受到的膨胀力传递到内皮细胞，会导致内皮质膜上张力的增加，从而诱导Piezo1的激活起到保护肺内皮屏障的功能。因此，内皮细胞Piezo1的激活或者Piezo1信号通路的增强，可能是VILI的有效治疗策略。
三、Piezo1与急性呼吸窘迫综合征(ARDS)
急性呼吸窘迫综合征(ARDS)主要病理变化为肺泡上皮和内皮细胞的损伤，肺泡表面活性物质代谢功能障碍及肺泡-毛细血管渗透压增高。肺泡上皮细胞由Ⅰ型肺泡上皮(ATI)和分泌表面活性剂II型(ATII)细胞组成。肺泡表面活性物质主要由ATII细胞生成后储存在Ca2+依赖的板层体(LBs)内，再进行细胞外分泌，该过程对于维持肺功能至关重要[27]。而肺泡的机械变形，是引起表面活性物质分泌的最主要因素[28]，位于ATI细胞中的小窝蛋白则承担着相应传感器的作用。因此，各种原因导致的肺过度膨胀会使位于ATI细胞小窝蛋白中的Piezo1激活，随后增加的Ca2+通过pannexin半通道触发ATI细胞释放ATP。然而，此过程增加的Ca2+还可以通过缝隙链接作用于ATII细胞，引起LBs胞外分泌信号；
同时ATI胞外分泌的ATP会作用于ATII细胞上的嘌呤能受体(P2Y2)，继而分泌表面活性物质[7]。由此，Piezo1对于肺泡表面活性物质的生成从多种途径起着重要作用。而在ARDS的动物模型中，Liang等人发现Piezo1表达增加及在ATII中高表达；
并且在ARDS期间，Piezo1通过增加钙内流介导ATII细胞凋亡，该过程可能于bcl-2途径相关[4]。综上，Piezo1在ARDS疾病中起到一定的作用，在ATI型细胞中充当着力学转换器的角色，同时影响着ATI和ATII型细胞肺泡表面活性物质分泌的功能；
而在ATII型细胞中，其影响着该细胞的凋亡，具体的机制还需要进一步研究。
四、Piezo1与肺动脉高压
肺动脉高压的主要病理机制是肺动脉收缩和血管重塑。早期的研究发现SACs的阻滞可以显著抑制肌源性血管收缩[29]，表明Piezo1作为SACs的重要组成部分，可能参与肺血管的调节。为了验证Piezo1在肺循环中的作用，Lhomme等人[30]研究发现肺动脉内皮细胞中可以通过增加内皮细胞Ca2+浓度、促进NO的生成，引起肺动脉舒张。而在慢性缺氧性诱导的肺动脉高压小鼠模型中，内皮特异性敲除Piezo1在肺动脉高压的发病作用中，几乎无影响。但该实验并未探究在不同细胞层面Piezo1的表达及功能。然而，在肺血管中，不仅只有内皮细胞可以受到机械力的影响，平行于血管的血流，可能对内皮细胞直接产生剪切应力刺激，但垂直于管壁的膨胀拉伸力，则可以作用于内皮及平滑肌细胞。同时有研究报道SACs在感知血管不同细胞层中的剪切应力或流动介导的膜拉伸方面会产生不同作用，这些作用在控制血管张力方面发挥协调作用[31]。最新的实验也发现在特发性肺动脉高压患者的肺动脉平滑肌中Piezo1高表达，进一步验证，平滑肌细胞Piezo1的激活可以引起细胞内钙释放，并促进肺动脉平滑肌细胞的过度收缩和增殖[32]。这也进一步说明Piezo1可能在不同类型细胞或不同机械力影响下，作用不一。在肺动脉高压模型中，内皮细胞Piezo1激活引起血管舒张，对该疾病存在潜在保护作用，而平滑肌中Piezo1所介导的Ca2+激活，可能促进血管收缩和增殖，从而引起血管收缩和血管重塑等病理变化。在肺动脉高压的致病机制中Piezo1分子的作用可能需要综合其在各层细胞中的功能，而最终哪种作用占据主导仍在探索中。
五、Piezo1与肺癌
机械敏感型离子通道在肿瘤的发生、生长、侵袭过程中至关重要[33]。首先，实体肿瘤与正常组织存在的基质硬度差异，可以通过机械敏感型离子通道产生一系列病理影响。其次，在肿瘤转移过程中，肿瘤细胞的脱落、血管逃逸以及进出血管等行为，会产生各种机械刺激，引起力学信号的改变。因此，力学信号的改变，不仅可以诱导癌症的发生，在肿瘤的病理形成过程中也起着一定的作用。随后的研究证明Piezo1参与多种肿瘤细胞癌变、凋亡及增殖过程[34-35]。其中，在Piezo1分子与肺癌的研究中，McHugh等发现该分子是整合素亲和的激活剂，在上皮细胞粘附中起关键作用。其缺失会导致细胞锚定独立生长和肺上皮细胞迁移/侵袭增加[36]。而在对肺癌细胞进行的下一代测序分析发现Piezos的功能与肺癌的发展有关。在非小细胞肺癌中的肺腺癌患者中，病患生存率与Piezo1蛋白mRNA的表达呈正相关，并且在Piezo1分子对非小细胞肺癌患者预后作用的研究中显示女性患者对比男性患者、早期患者对比晚期患者更为敏感。同时在非小细胞肺癌细胞中，敲除Piezo1或Piezo2可显著促进细胞体外迁移和体内肿瘤生长[5]。揭示了PIEZO通道在非小细胞肺癌中具有抑制肿瘤细胞迁移增长的重要功能。不仅为肺癌的发展提供新的靶标，还发现了Piezos分子作为预测非小细胞肺癌预后的功能。
Piezo1在血管发育、血管重塑、血压调控及心脏血管疾病中发挥着重要的作用[13-14,17]。作为一种机械敏感型离子通道蛋白，Piezo1允许非特异性阳离子Na+、K+、Mg2+、Ca2+等运输进入细胞，其中优先透过Ca2+[3]。由于Ca2+依赖的NO产生导致血管松弛，而Na+进入后的细胞去极化会导致血管收缩[20]，其引起的最终表型变化，取决于非特异性离子进入的平衡。Piezo1可以通过检测各种机械应力，参与维持人体器官正常结构的生物过程。目前研究主要集中在心血管、骨骼肌、肾脏等器官中。在肺中的探究正在逐步增加。呼吸系统疾病往往通过一系列病理生理机制产生机械拉伸，其中肺内皮细胞在肺膨胀过程中直接受到机械力的作用，肺泡和气道也会被反复拉伸，并不断受到空气和周围组织产生的机械压力的影响。而肺泡的周期性膨胀，也会使得肺上皮和肺内皮细胞均暴露在重复的机械拉伸下[37]。目前Piezos介导肺膨胀的确切作用仍在研究中，它们可能对肺上皮和内皮的拉伸适应起着重要作用。同时，机械通气作为呼吸系统常见的无创治疗方法，可能由于潮汐性恶性充气和循环反复的过程，成为增加肺损伤的重要因素。由此，在肺内环境中，机械刺激存在于大部分细胞的生理和病理变化中，此时，机械敏感型离子通道的进一步研究可以为多种肺部疾病导致的肺部损伤提供新的思路。而Piezo1在ARDS、肺动脉高压及肺癌等疾病的发生发展中也均被证明起到某种程度的调控作用，但其具体的分子机制尚未被证明。同时Piezo1基因的功能获得性突变，会导致常染色体隐性先天性淋巴发育不良，那么Piezo1在肺淋巴生物学中的又起着何种作用？在肺部疾病中，关于机械敏感型离子通道的作用影响目前还大多处于空白阶段，但是通过Piezo1近期的报道发现了其存在的进一步研究价值。
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