周能 張實 李涵 劉恩秀 褚衍彪

力學(xué)信號的傳導(dǎo)普遍存在于正常組織發(fā)育的生理過程及疾病發(fā)生發(fā)展的病理過程中，而牽拉激活離子通道(SAC)則充當(dāng)著力學(xué)信號轉(zhuǎn)換器。在細(xì)胞層面通過感知包括剪切力、牽張力、基質(zhì)硬度在內(nèi)的各種力學(xué)刺激將力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為生物信號或電信號，進(jìn)而引起細(xì)胞生物學(xué)改變。2021年，Ardem Patapoutian實驗室因觸覺感受器Piezo1分子的研究而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，再次將SAC帶入視野。Piezos自2010年發(fā)現(xiàn)以來，就被認(rèn)為是最重要的機(jī)械傳感離子通道家族之一。因其同時作為一類非選擇性Ca2+通道，可以通過改變細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度影響細(xì)胞各類功能蛋白的表達(dá)和活性，最后導(dǎo)致細(xì)胞功能的變化。這些蛋白又會參與細(xì)胞增殖、遷移、死亡、基因轉(zhuǎn)錄等特定的細(xì)胞過程[1-2]。在既往研究中，Piezo1的功能探索主要聚焦于血管發(fā)育及血壓調(diào)節(jié)等方面。而動物實驗證明Piezo1在肺組織中高度表達(dá)[3]，其在肺損傷、急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)、肺水腫及肺動脈高壓等肺部疾病中的功能，正在逐步探究中[4-7]，同時piezos在肺臟疾病中的作用和機(jī)制也需要進(jìn)一步了解和探索。

Piezo1蛋白結(jié)構(gòu)及激活

Piezos是由Coste等人首次在神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系Neuro2A中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fam38A基因受到干擾時，由穩(wěn)定機(jī)械激活引起的內(nèi)向電流受到顯著抑制，由此推測Fam38A基因編碼一種機(jī)械力激活的陽離子通道，并將其命名為Piezo1，隨后通過序列同源特性發(fā)現(xiàn)，由Fam38B基因編碼的Piezo2[3]。Piezo1主要分布在腎臟、肺、皮膚等器官，參與血管發(fā)育、血壓調(diào)節(jié)、血管重塑等功能；Piezo2主要分布在神經(jīng)元中，與本體、皮膚等感覺相關(guān)。Piezos通道非選擇性滲透Na+、K+、Ca2+、Mg2+。 Piezo1(分子量：286 Kda)是一類跨膜蛋白，可以對外界機(jī)械刺激做出反應(yīng)。該蛋白由2500～2800個氨基酸構(gòu)成，其跨膜區(qū)域高達(dá)26～40個，是目前已知最大的跨膜蛋白[3]。Piezo1的分子結(jié)構(gòu)，主要由中心離子孔道及其外圍形成三聚體螺旋槳結(jié)構(gòu)。其外圍主要由三個彎曲的“葉片”(Blade)、“梁”(Beam)和“錨定區(qū)”(Anchor)組成。Piezo1的“葉片”區(qū)域高度靈活，可以作為一個力學(xué)傳感器調(diào)節(jié)陽離子門控，從而響應(yīng)機(jī)械刺激。而“梁”(Beam)發(fā)揮類似杠桿的原理將機(jī)械刺激傳導(dǎo)到中心離子孔道[8]。中心離子孔道頂部形成的“帽狀物”結(jié)構(gòu)為細(xì)胞外C末端結(jié)構(gòu)域(CED)，CED位于最后兩個被稱為外螺旋(OH)和內(nèi)螺旋(IH)的跨膜區(qū)(TMs)之間。由這三者組成的區(qū)域 (OH - CED - IH)可能一起形成滲透途徑[9]。當(dāng)Piezo1通道受到外部機(jī)械力刺激時，其構(gòu)象發(fā)生可逆性的扁平變化[10]，繼而通過“葉片”及“梁”等結(jié)構(gòu)形成的杠桿狀裝置，將遠(yuǎn)端葉片形成的構(gòu)象，改變轉(zhuǎn)化為中央離子孔道開放孔徑大小的改變，從而允許陽離子滲透達(dá)到膜去極化的作用[11]。

Piezo1蛋白主要功能

Piezo1作為一類固有的非選擇性機(jī)械敏感離子通道，不需要第二信使或其他信號激活，可以直接對質(zhì)膜畸變做出反應(yīng)[12]。并且在血管發(fā)育、血壓調(diào)節(jié)、血管重塑、細(xì)胞黏附等方面，起著重要作用[13-15]。Piezo1的基因突變也參與了遺傳性人類疾病的形成[16]。作為早期血管發(fā)育的關(guān)鍵內(nèi)皮細(xì)胞力學(xué)感受器，Piezo1促進(jìn)血管發(fā)育，并維持健康的血管系統(tǒng)[16]。Piezo1在血流出現(xiàn)后由作用于血管內(nèi)皮上的剪切力激活。在小鼠妊娠中期敲除Piezo1會引起胚胎死亡，其死亡率多發(fā)生與循環(huán)系統(tǒng)發(fā)育對應(yīng)的E9.5-10.5期間，而在敲除Piezo1小鼠和正常小鼠早期(E9)仍可出現(xiàn)正常心臟搏動及血流量，表明Piezo1并不參與血管的發(fā)生階段[13,16]，而是在血管出現(xiàn)血流后通過感知血流剪切力，從而參加血管的生成。在調(diào)節(jié)血壓及血管舒張方面，Piezo1被發(fā)現(xiàn)在高血壓患者的小直徑血管中，大量表達(dá)，當(dāng)位于平滑肌細(xì)胞質(zhì)膜上的Piezo1激活后，胞質(zhì)內(nèi)Ca2+及谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶活性的增高導(dǎo)致高血壓患者小動脈重塑[14]。并且Piezo1的激活可以通過誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞釋放腎上腺髓質(zhì)素，促進(jìn)cAMP、NO的合成從而調(diào)節(jié)血壓和血管張力[17]。同時，Piezo1的激活與缺失也會導(dǎo)致應(yīng)力纖維組織和細(xì)胞取向性生長的改變[16]。而有趣的是，位于內(nèi)皮細(xì)胞的Piezo1分子被血管血液層流激活后，可以起到保護(hù)動脈粥樣硬化的作用[18]，血液湍流激活內(nèi)皮細(xì)胞的Piezo1通道，則可以介導(dǎo)內(nèi)皮炎癥的發(fā)生[19]，這證明了不同類型機(jī)械力刺激及環(huán)境作用下，激活的Piezo1可能產(chǎn)生的作用不一。如在腸道循環(huán)中，內(nèi)皮細(xì)胞Piezo1誘導(dǎo)ATP增加，通過嘌呤受體(PAY2)/Gq/G11引起NO的釋放，繼而介導(dǎo)腸系膜循環(huán)血流依賴性血管擴(kuò)張[15]；而由鍛煉時引起的腸系膜內(nèi)皮細(xì)胞Piezo1的增加，會使內(nèi)皮細(xì)胞去極化；并且去極化會通過縫隙連接傳遞到平滑肌細(xì)胞引起血管收縮[20]。Piezo分子的特性及功能可能在機(jī)械刺激及細(xì)胞的不同類型中出現(xiàn)不同的表現(xiàn)。

Piezo1在肺部疾病中的研究進(jìn)展

肺長期處于呼吸力學(xué)與肺血流動力學(xué)的刺激中，肺內(nèi)細(xì)胞通過感受血流剪切力、靜脈壓及循環(huán)拉伸引起的變化，參與肺內(nèi)一系列生理功能和病理生理過程。同時Piezo1在肺內(nèi)大量表達(dá)[3]，在各種生物力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮的作用正在逐步探索中。

一、Piezo1與肺水腫

肺內(nèi)皮屏障的破壞，會引起流經(jīng)肺毛細(xì)血管的液體和血漿蛋白流量增加，從而導(dǎo)致肺水腫。粘附連接(AJs)蛋白(VE-cadherin、β-catenin、α-catenin、p120-catenin)作為內(nèi)皮細(xì)胞最重要的連接方式在維持肺內(nèi)皮屏障完整性方面，起著重要作用，其破壞可直接導(dǎo)致肺液穩(wěn)態(tài)的失衡[21]。Piezo1可以被肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)受到的肺泡壓力而產(chǎn)生的拉伸刺激[22]激活。在肺血管壓力增高的小鼠模型中，特異性敲除內(nèi)皮細(xì)胞Piezo1分子可以減少內(nèi)皮黏附連接(AJ)蛋白的降解，同時消除由肺內(nèi)皮屏障滲漏和肺微血管壓力升高引起的水腫[23]。肺水腫的發(fā)生依賴于肺內(nèi)皮屏障的完整性的破壞[24]，抑制內(nèi)皮細(xì)胞Piezo1的表達(dá)，可以增加黏附連接蛋白的水平從而維持內(nèi)皮的完整性，這不失為肺水腫的一個潛在治療方向。

二、Piezo1與通氣相關(guān)肺損傷(VILI)

在呼吸衰竭的患者中，低潮氣量機(jī)械通氣治療是最主要和必要的支持措施。由于給與肺損傷患者低潮氣量通氣治療時，也會產(chǎn)生通氣分布不均的影響。部分肺區(qū)域過度膨脹引起的肺泡-毛細(xì)血管屏障破壞通常導(dǎo)致呼吸機(jī)相關(guān)肺損傷的產(chǎn)生[25]。實驗發(fā)現(xiàn)在小鼠內(nèi)皮細(xì)胞特異性敲除Piezo1模型中，大容量機(jī)械通氣下的小鼠，肺血管通透性顯著增加，并且在人源性肺內(nèi)皮細(xì)胞中敲除Piezo1并暴露于循環(huán)拉伸環(huán)境中，也會增加細(xì)胞滲透性。Piezo1表達(dá)上調(diào)后會激活其下游分子calpain(半胱氨酸蛋白酶)切割Src激酶，抑制Scr介導(dǎo)的Y685和Y658位點VE-cadherin磷酸化，進(jìn)而阻止內(nèi)皮粘附連接蛋白內(nèi)化，并維持內(nèi)皮屏障在機(jī)械伸拉刺激反應(yīng)中的穩(wěn)定性，最終起到維持內(nèi)皮細(xì)胞連接的完整性及控制其通透性的作用。同時在高容量機(jī)械通氣時，抑制Piezo1的表達(dá)會引起肺水腫，也證明Piezo1在肺過度膨脹過程中保護(hù)內(nèi)皮屏障的作用[6]。隨后，Jiang等人[26]利用體內(nèi)、體外實驗也得到了類似的結(jié)果，機(jī)械刺激引起的肺內(nèi)皮細(xì)胞Piezo1激活，可以通過calpain增加脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的肺血管高通透性。在長期的機(jī)械通氣過程中，肺泡感受到的膨脹力傳遞到內(nèi)皮細(xì)胞，會導(dǎo)致內(nèi)皮質(zhì)膜上張力的增加，從而誘導(dǎo)Piezo1的激活起到保護(hù)肺內(nèi)皮屏障的功能。因此，內(nèi)皮細(xì)胞Piezo1的激活或者Piezo1信號通路的增強(qiáng)，可能是VILI的有效治療策略。

三、Piezo1與急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)

急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)主要病理變化為肺泡上皮和內(nèi)皮細(xì)胞的損傷，肺泡表面活性物質(zhì)代謝功能障礙及肺泡-毛細(xì)血管滲透壓增高。肺泡上皮細(xì)胞由Ⅰ型肺泡上皮(ATI)和分泌表面活性劑II型(ATII)細(xì)胞組成。肺泡表面活性物質(zhì)主要由ATII細(xì)胞生成后儲存在Ca2+依賴的板層體(LBs)內(nèi)，再進(jìn)行細(xì)胞外分泌，該過程對于維持肺功能至關(guān)重要[27]。而肺泡的機(jī)械變形，是引起表面活性物質(zhì)分泌的最主要因素[28]，位于ATI細(xì)胞中的小窩蛋白則承擔(dān)著相應(yīng)傳感器的作用。因此，各種原因?qū)е碌姆芜^度膨脹會使位于ATI細(xì)胞小窩蛋白中的Piezo1激活，隨后增加的Ca2+通過pannexin半通道觸發(fā)ATI細(xì)胞釋放ATP。然而，此過程增加的Ca2+還可以通過縫隙鏈接作用于ATII細(xì)胞，引起LBs胞外分泌信號；同時ATI胞外分泌的ATP會作用于ATII細(xì)胞上的嘌呤能受體(P2Y2)，繼而分泌表面活性物質(zhì)[7]。由此，Piezo1對于肺泡表面活性物質(zhì)的生成從多種途徑起著重要作用。而在ARDS的動物模型中，Liang等人發(fā)現(xiàn)Piezo1表達(dá)增加及在ATII中高表達(dá)；并且在ARDS期間，Piezo1通過增加鈣內(nèi)流介導(dǎo)ATII細(xì)胞凋亡，該過程可能于bcl-2途徑相關(guān)[4]。綜上，Piezo1在ARDS疾病中起到一定的作用，在ATI型細(xì)胞中充當(dāng)著力學(xué)轉(zhuǎn)換器的角色，同時影響著ATI和ATII型細(xì)胞肺泡表面活性物質(zhì)分泌的功能；而在ATII型細(xì)胞中，其影響著該細(xì)胞的凋亡，具體的機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

四、Piezo1與肺動脈高壓

肺動脈高壓的主要病理機(jī)制是肺動脈收縮和血管重塑。早期的研究發(fā)現(xiàn)SACs的阻滯可以顯著抑制肌源性血管收縮[29]，表明Piezo1作為SACs的重要組成部分，可能參與肺血管的調(diào)節(jié)。為了驗證Piezo1在肺循環(huán)中的作用，Lhomme等人[30]研究發(fā)現(xiàn)肺動脈內(nèi)皮細(xì)胞中可以通過增加內(nèi)皮細(xì)胞Ca2+濃度、促進(jìn)NO的生成，引起肺動脈舒張。而在慢性缺氧性誘導(dǎo)的肺動脈高壓小鼠模型中，內(nèi)皮特異性敲除Piezo1在肺動脈高壓的發(fā)病作用中，幾乎無影響。但該實驗并未探究在不同細(xì)胞層面Piezo1的表達(dá)及功能。然而，在肺血管中，不僅只有內(nèi)皮細(xì)胞可以受到機(jī)械力的影響，平行于血管的血流，可能對內(nèi)皮細(xì)胞直接產(chǎn)生剪切應(yīng)力刺激，但垂直于管壁的膨脹拉伸力，則可以作用于內(nèi)皮及平滑肌細(xì)胞。同時有研究報道SACs在感知血管不同細(xì)胞層中的剪切應(yīng)力或流動介導(dǎo)的膜拉伸方面會產(chǎn)生不同作用，這些作用在控制血管張力方面發(fā)揮協(xié)調(diào)作用[31]。最新的實驗也發(fā)現(xiàn)在特發(fā)性肺動脈高壓患者的肺動脈平滑肌中Piezo1高表達(dá)，進(jìn)一步驗證，平滑肌細(xì)胞Piezo1的激活可以引起細(xì)胞內(nèi)鈣釋放，并促進(jìn)肺動脈平滑肌細(xì)胞的過度收縮和增殖[32]。這也進(jìn)一步說明Piezo1可能在不同類型細(xì)胞或不同機(jī)械力影響下，作用不一。在肺動脈高壓模型中，內(nèi)皮細(xì)胞Piezo1激活引起血管舒張，對該疾病存在潛在保護(hù)作用，而平滑肌中Piezo1所介導(dǎo)的Ca2+激活，可能促進(jìn)血管收縮和增殖，從而引起血管收縮和血管重塑等病理變化。在肺動脈高壓的致病機(jī)制中Piezo1分子的作用可能需要綜合其在各層細(xì)胞中的功能，而最終哪種作用占據(jù)主導(dǎo)仍在探索中。

五、Piezo1與肺癌

機(jī)械敏感型離子通道在腫瘤的發(fā)生、生長、侵襲過程中至關(guān)重要[33]。首先，實體腫瘤與正常組織存在的基質(zhì)硬度差異，可以通過機(jī)械敏感型離子通道產(chǎn)生一系列病理影響。其次，在腫瘤轉(zhuǎn)移過程中，腫瘤細(xì)胞的脫落、血管逃逸以及進(jìn)出血管等行為，會產(chǎn)生各種機(jī)械刺激，引起力學(xué)信號的改變。因此，力學(xué)信號的改變，不僅可以誘導(dǎo)癌癥的發(fā)生，在腫瘤的病理形成過程中也起著一定的作用。隨后的研究證明Piezo1參與多種腫瘤細(xì)胞癌變、凋亡及增殖過程[34-35]。其中，在Piezo1分子與肺癌的研究中，McHugh等發(fā)現(xiàn)該分子是整合素親和的激活劑，在上皮細(xì)胞粘附中起關(guān)鍵作用。其缺失會導(dǎo)致細(xì)胞錨定獨立生長和肺上皮細(xì)胞遷移/侵襲增加[36]。而在對肺癌細(xì)胞進(jìn)行的下一代測序分析發(fā)現(xiàn)Piezos的功能與肺癌的發(fā)展有關(guān)。在非小細(xì)胞肺癌中的肺腺癌患者中，病患生存率與Piezo1蛋白mRNA的表達(dá)呈正相關(guān)，并且在Piezo1分子對非小細(xì)胞肺癌患者預(yù)后作用的研究中顯示女性患者對比男性患者、早期患者對比晚期患者更為敏感。同時在非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞中，敲除Piezo1或Piezo2可顯著促進(jìn)細(xì)胞體外遷移和體內(nèi)腫瘤生長[5]。揭示了PIEZO通道在非小細(xì)胞肺癌中具有抑制腫瘤細(xì)胞遷移增長的重要功能。不僅為肺癌的發(fā)展提供新的靶標(biāo)，還發(fā)現(xiàn)了Piezos分子作為預(yù)測非小細(xì)胞肺癌預(yù)后的功能。

展 望

Piezo1在血管發(fā)育、血管重塑、血壓調(diào)控及心臟血管疾病中發(fā)揮著重要的作用[13-14,17]。作為一種機(jī)械敏感型離子通道蛋白，Piezo1允許非特異性陽離子Na+、K+、Mg2+、Ca2+等運輸進(jìn)入細(xì)胞，其中優(yōu)先透過Ca2+[3]。由于Ca2+依賴的NO產(chǎn)生導(dǎo)致血管松弛，而Na+進(jìn)入后的細(xì)胞去極化會導(dǎo)致血管收縮[20]，其引起的最終表型變化，取決于非特異性離子進(jìn)入的平衡。Piezo1可以通過檢測各種機(jī)械應(yīng)力，參與維持人體器官正常結(jié)構(gòu)的生物過程。目前研究主要集中在心血管、骨骼肌、腎臟等器官中。在肺中的探究正在逐步增加。呼吸系統(tǒng)疾病往往通過一系列病理生理機(jī)制產(chǎn)生機(jī)械拉伸，其中肺內(nèi)皮細(xì)胞在肺膨脹過程中直接受到機(jī)械力的作用，肺泡和氣道也會被反復(fù)拉伸，并不斷受到空氣和周圍組織產(chǎn)生的機(jī)械壓力的影響。而肺泡的周期性膨脹，也會使得肺上皮和肺內(nèi)皮細(xì)胞均暴露在重復(fù)的機(jī)械拉伸下[37]。目前Piezos介導(dǎo)肺膨脹的確切作用仍在研究中，它們可能對肺上皮和內(nèi)皮的拉伸適應(yīng)起著重要作用。同時，機(jī)械通氣作為呼吸系統(tǒng)常見的無創(chuàng)治療方法，可能由于潮汐性惡性充氣和循環(huán)反復(fù)的過程，成為增加肺損傷的重要因素。由此，在肺內(nèi)環(huán)境中，機(jī)械刺激存在于大部分細(xì)胞的生理和病理變化中，此時，機(jī)械敏感型離子通道的進(jìn)一步研究可以為多種肺部疾病導(dǎo)致的肺部損傷提供新的思路。而Piezo1在ARDS、肺動脈高壓及肺癌等疾病的發(fā)生發(fā)展中也均被證明起到某種程度的調(diào)控作用，但其具體的分子機(jī)制尚未被證明。同時Piezo1基因的功能獲得性突變，會導(dǎo)致常染色體隱性先天性淋巴發(fā)育不良，那么Piezo1在肺淋巴生物學(xué)中的又起著何種作用？在肺部疾病中，關(guān)于機(jī)械敏感型離子通道的作用影響目前還大多處于空白階段，但是通過Piezo1近期的報道發(fā)現(xiàn)了其存在的進(jìn)一步研究價值。