機(jī)械敏感離子通道Piezo1/2蛋白在消化系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展*

劉才嫄 宋 軍 侯曉華

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院消化內(nèi)科(430022)

機(jī)械敏感離子通道可將機(jī)械力信號(hào)快速轉(zhuǎn)換成電化學(xué)信號(hào)，參與機(jī)械感覺(jué)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的許多生理過(guò)程。Piezo1/2蛋白是一種非選擇性機(jī)械敏感離子通道，參與多個(gè)與機(jī)械力相關(guān)臟器的不同生理功能和病理改變過(guò)程。Piezo1/2在全胃腸道、肝臟、胰腺中均有表達(dá)，能通過(guò)感知機(jī)械刺激來(lái)維持消化系統(tǒng)的正常生理功能。本文就機(jī)械應(yīng)力刺激下Piezo1/2蛋白在消化系統(tǒng)疾病發(fā)生、發(fā)展中的作用作一綜述，從而為不同消化道疾病的發(fā)病機(jī)制和臨床治療提供新的思路。

一、機(jī)械敏感離子通道

機(jī)械敏感離子通道是由跨膜蛋白組成的離子轉(zhuǎn)導(dǎo)孔道，在機(jī)械力刺激下激活，可快速有效地將刺激轉(zhuǎn)換為電、滲透壓和(或)化學(xué)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)，在活細(xì)胞的機(jī)械感覺(jué)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中起重要作用。機(jī)械敏感離子通道的開(kāi)放概率隨機(jī)械刺激強(qiáng)度的增加而增加。當(dāng)通道開(kāi)放時(shí)，帶電離子沿電化學(xué)梯度被動(dòng)擴(kuò)散產(chǎn)生膜電流，多數(shù)通道對(duì)可穿過(guò)孔的特定離子具有選擇性[1]。機(jī)械敏感離子通道參與植物、真菌和細(xì)菌的滲透壓調(diào)節(jié)以及哺乳動(dòng)物中胚胎發(fā)育、觸摸、疼痛、本體感覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、血管張力和血流的調(diào)節(jié)、肺的生長(zhǎng)和損傷、骨和肌肉的穩(wěn)態(tài)以及代謝等過(guò)程[2]。

2010年，Coste等[3]首次在膠質(zhì)瘤Neuro2A細(xì)胞株中篩選鑒定出Piezo1機(jī)械敏感離子通道蛋白，并通過(guò)序列同源性發(fā)現(xiàn)其亞型Piezo2。兩種蛋白的生理和生物特性相似，為四聚體(共120～160個(gè)預(yù)計(jì)的跨膜片段)，且代表了迄今為止確定的最大的質(zhì)膜離子通道復(fù)合物之一，可直接感應(yīng)機(jī)械力并將環(huán)境機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)引發(fā)的下游反應(yīng)，參與觸覺(jué)、疼痛、本體感受、血管發(fā)育和血壓調(diào)節(jié)等多種機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程[3-5]。

Piezo1在多種感知剪切力的組織中表達(dá)，如血管內(nèi)皮、肺、皮膚和膀胱，參與血管發(fā)育、動(dòng)脈重塑和血壓調(diào)節(jié)、上皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)、紅細(xì)胞體積調(diào)節(jié)、神經(jīng)干細(xì)胞分化等病理生理過(guò)程。Piezo2在膀胱、結(jié)腸、肺、Merkel細(xì)胞以及感覺(jué)三叉神經(jīng)和背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元中高表達(dá)，參與肺通氣、感應(yīng)輕觸覺(jué)、本體感覺(jué)、內(nèi)臟感覺(jué)傳遞等。人Piezo蛋白突變與遺傳性干細(xì)胞增多癥、家族性貧血、廣泛性淋巴發(fā)育不良等有關(guān)[6-7]。

二、Piezo1/2蛋白在消化系統(tǒng)機(jī)械敏感轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用

1. 消化系統(tǒng)機(jī)械敏感性：機(jī)械刺激對(duì)消化系統(tǒng)正常功能的維持至關(guān)重要，消化系統(tǒng)在消化、吸收等生理過(guò)程中不斷接受各種形式的機(jī)械刺激，如食物滲透壓、胃腸道蠕動(dòng)等。胃腸道多種細(xì)胞對(duì)機(jī)械刺激信號(hào)敏感，如腸嗜鉻細(xì)胞(EC細(xì)胞)、平滑肌細(xì)胞、內(nèi)源或外源腸初級(jí)傳入神經(jīng)元和腸神經(jīng)系統(tǒng)(ENS)(主要包括黏膜下神經(jīng)叢和肌間神經(jīng)叢)，對(duì)機(jī)械刺激信號(hào)的感受主要依賴于初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)末梢的機(jī)械感受器，通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)方式將機(jī)械力信息轉(zhuǎn)換為生物電信號(hào)，向中樞傳遞并被中樞感知，從而產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)臟感覺(jué)。機(jī)械敏感性異常與胃腸道癥狀產(chǎn)生密切相關(guān)，如胃膨脹與胃動(dòng)力和飽脹感有關(guān)，結(jié)腸內(nèi)異常機(jī)械敏感性會(huì)導(dǎo)致排便障礙[8]。

2. Piezo1/2蛋白在消化系統(tǒng)中的表達(dá)和功能：Piezo1/2機(jī)械敏感離子通道在整個(gè)消化系統(tǒng)中均可見(jiàn)表達(dá)[4]，并具有獨(dú)特的生物物理特性，如非選擇性陽(yáng)離子滲透性，Piezo1以快速激活和慢至中等的失活為特征[3-4,9]，Piezo2以快速激活和失活為特征[3-4]。Piezo1/2可能在感知胃腸道機(jī)械刺激以及維持胃腸道正常生理功能中起重要作用。

①胃腸道上皮細(xì)胞中Piezo1/2蛋白的表達(dá)和功能：胃腸道上皮細(xì)胞具有機(jī)械敏感性，是與外部環(huán)境相互作用的重要的第一道屏障，機(jī)械力對(duì)維持胃腸道上皮細(xì)胞的正常功能非常重要。Piezo1在胃腸道上皮細(xì)胞膜上表達(dá)，是細(xì)胞擁擠和遷移的感受器[10-11]。當(dāng)發(fā)生上皮細(xì)胞擁擠和細(xì)胞骨架收縮時(shí)，Piezo1被激活以維持正常的單層上皮細(xì)胞數(shù)量。將斑馬魚(yú)Piezo1基因沉默后，阻礙了由細(xì)胞擁擠誘導(dǎo)的細(xì)胞擠出過(guò)程，從而破壞上皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致上皮細(xì)胞團(tuán)塊的形成[10]。在人胃黏膜上皮細(xì)胞GES-1中敲低Piezo1后，可抑制胃癌細(xì)胞的遷移和侵襲[11]。藥理學(xué)上，Piezo通道可被機(jī)械敏感通道阻滯劑Gd3+和釕紅以及GsMTx4特異性阻斷[4,12-13]。此外，EC細(xì)胞通過(guò)感受機(jī)械力刺激釋放5-羥色胺(5-HT)，對(duì)正常胃腸道分泌、感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等功能起有重要作用。Wang等[14]通過(guò)免疫組化法發(fā)現(xiàn)Piezo2在人和小鼠小腸EC細(xì)胞中特異性表達(dá)，通過(guò)構(gòu)建TPH1陽(yáng)性且表達(dá)CFP的轉(zhuǎn)基因小鼠模型，發(fā)現(xiàn)Piezo2特異性定位于CFP陽(yáng)性的EC細(xì)胞內(nèi)，在介導(dǎo)機(jī)械刺激作用下的5-HT分泌中起有重要作用。

②ENS中Piezo1/2蛋白的表達(dá)和功能：ENS可調(diào)控各種消化道功能，尤其是內(nèi)臟機(jī)械信號(hào)的感受、傳遞和處理過(guò)程。Mazzuoli-Weber等[15]發(fā)現(xiàn)，Piezo1(20%～70%)在豚鼠、小鼠和人腸肌層和黏膜下層神經(jīng)叢的神經(jīng)細(xì)胞體和神經(jīng)纖維中均表達(dá)，黏膜下神經(jīng)叢(50%～80%)的表達(dá)高于肌間神經(jīng)叢(15%～35%)；表達(dá)Piezo1的腸肌層神經(jīng)元同時(shí)也表達(dá)一氧化氮合酶(60%～100%)，少數(shù)表達(dá)膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶，表達(dá)Piezo1的黏膜下叢神經(jīng)元共表達(dá)血管活性腸肽(40%～90%)。而Piezo2在腸神經(jīng)元細(xì)胞體中的表達(dá)非常低，軸突中少量表達(dá)。給予Piezo1抑制劑GsMTx4后，腸神經(jīng)元的機(jī)械敏感反應(yīng)不受影響，表明Piezo1不參與腸神經(jīng)元的機(jī)械敏感反應(yīng)，在腸神經(jīng)元的機(jī)械敏感性中可能不起主要作用。故Piezo1/2在ENS功能調(diào)控中的作用需進(jìn)一步明確。

③其他：有研究[16]顯示，Piezo1蛋白在小鼠胰腺腺泡細(xì)胞中豐富表達(dá)；人肝內(nèi)皮細(xì)胞中亦可見(jiàn)Piezo1表達(dá)[17]。

三、Piezo1/2蛋白在消化系統(tǒng)疾病發(fā)生中的作用

1. 腸易激綜合征(IBS)：內(nèi)臟高敏感可能是IBS主要的發(fā)病機(jī)制，包括機(jī)械和化學(xué)高敏感，機(jī)械高敏感被認(rèn)為是IBS患者腹痛的最主要機(jī)制之一。

研究表明Piezo2與輕觸感覺(jué)和炎癥性異常疼痛有關(guān)[18]。李娟等[19]發(fā)現(xiàn)Piezo1在人直腸組織中無(wú)表達(dá)，而Piezo2蛋白在直腸黏膜上皮細(xì)胞中豐富表達(dá)，定位于黏膜上皮細(xì)胞的細(xì)胞膜，提示Piezo2可能參與了直腸感覺(jué)過(guò)程。Wang等[14]發(fā)現(xiàn)Piezo2 mRNA在人空腸和小鼠全小腸黏膜中表達(dá)，通過(guò)改良后的Ussing chamber給予小鼠空腸黏膜瞬時(shí)靜水壓力刺激，黏膜面給予Piezo2阻滯劑Gd3+和釕紅，以及Piezo特異阻滯劑D-GsMtx4后，5-HT釋放受到明顯抑制。說(shuō)明Piezo2在介導(dǎo)小鼠小腸上皮5-HT分泌中有重要作用。Bai等[20]發(fā)現(xiàn)Piezo1和Piezo2在小鼠腸上皮細(xì)胞中表達(dá)，結(jié)腸中的表達(dá)高于小腸，且內(nèi)臟感覺(jué)閾值與Piezo2表達(dá)呈負(fù)相關(guān)。說(shuō)明Piezo2可能為內(nèi)臟高敏感的潛在生物學(xué)標(biāo)志物。Yang等[18]通過(guò)鞘內(nèi)注射Piezo2 shRNA降低腰骶部背根神經(jīng)節(jié)中Piezo2表達(dá)，對(duì)照組大鼠對(duì)非傷害性刺激的內(nèi)臟感覺(jué)明顯改善，而內(nèi)臟高敏感模型大鼠對(duì)傷害性和非傷害性刺激的內(nèi)臟感覺(jué)均明顯改善。表明Piezo2可介導(dǎo)不同形式的內(nèi)臟刺激，在內(nèi)臟感覺(jué)調(diào)控中起有重要作用，但具體機(jī)制需行進(jìn)一步闡明。

2. 結(jié)腸炎：EC細(xì)胞合成人體95%的5-HT，且可在機(jī)械或化學(xué)刺激下釋放5-HT。而5-HT對(duì)胃腸道運(yùn)動(dòng)、分泌、內(nèi)臟感覺(jué)等生理功能具有重要影響，5-HT異常參與胃腸道疾病如功能性胃腸病、炎癥性腸病(IBD)的發(fā)生、發(fā)展。研究表明，5-HT可促進(jìn)腸道炎癥的發(fā)生[21]。特異性敲除腸上皮Piezo1后，小鼠血清5-HT含量下降，可抑制DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎的發(fā)生，提示Piezo1可能是治療結(jié)腸炎的新靶點(diǎn)[22]。

此外，腸道菌群可能通過(guò)Peizo1參與5-HT的代謝。最新研究表明Piezo1是糞便中單鏈RNA(ssRNA)的感受器，ssRNA可作為Piezo1的配體促進(jìn)5-HT合成，而結(jié)腸內(nèi)給予ssRNA降解酶RNase A可降低外周5-HT水平，提示糞便ssRNA-Piezo1軸可能是腸道疾病治療的潛在靶點(diǎn)[22]。

3. 胰腺炎：胰腺炎與機(jī)械力過(guò)度損傷明顯相關(guān)，如胰腺手術(shù)中對(duì)胰腺的操作、腹部鈍挫傷、膽管與胰管交界處結(jié)石的堵塞、ERCP術(shù)中胰管的反復(fù)顯影和過(guò)度擴(kuò)張等，均可誘發(fā)胰腺炎的發(fā)生。Piezo1在胰腺腺泡內(nèi)有表達(dá)，可感知胰管內(nèi)靜態(tài)力、剪應(yīng)力以及膜的拉伸力。Romac等[16]建立了模擬臨床操作胰腺的小鼠模型來(lái)探討胰腺體內(nèi)壓力變化對(duì)胰腺功能的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)向胰管中灌注緩沖鹽溶液(pH 7.6)增加胰管壓力后，胰腺重量明顯增加，血清淀粉酶水平和髓過(guò)氧化物酶濃度增加，說(shuō)明胰管內(nèi)壓力升高可誘發(fā)急性胰腺炎。在壓力刺激前給予小鼠模型腹腔注射GsMTx4，阻滯Piezo1可改善所有胰腺炎癥狀，特異性敲除胰腺腺泡細(xì)胞內(nèi)Piezo1可減輕小鼠胰腺炎。而通過(guò)向胰管內(nèi)灌注Piezo1激動(dòng)劑Yoda1，可導(dǎo)致急性胰腺炎的相關(guān)指標(biāo)顯著上升。由此可見(jiàn)，Piezo1參與了胰腺炎的發(fā)生。因此，腹部創(chuàng)傷、胰管阻塞、胰腺造影或胰腺外科手術(shù)對(duì)腺體的壓力可能通過(guò)Piezo1來(lái)介導(dǎo)胰腺炎的發(fā)生，阻滯Piezo1可能避免臨床胰腺手術(shù)或ERCP誘發(fā)的胰腺炎，為今后臨床使用Piezo1抑制劑預(yù)防胰腺炎提供了理論依據(jù)。

4. 胃腸道腫瘤：機(jī)械敏感離子通道在癌細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞中可感知所處環(huán)境的機(jī)械刺激，并對(duì)機(jī)械刺激作出反應(yīng)，包括細(xì)胞遷移、增殖、組織浸潤(rùn)、或(肌)成纖維細(xì)胞存在下的腫瘤纖維化。機(jī)械敏感離子通道可通過(guò)局部鈣內(nèi)流來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移，從而阻斷腫瘤轉(zhuǎn)移過(guò)程[23]。Piezo1是非選擇性機(jī)械敏感離子通道，其表達(dá)異常與多種組織類型的腫瘤發(fā)生相關(guān)，如乳腺癌、肺癌等。Li等[24]的研究發(fā)現(xiàn)乳腺癌MCF-7細(xì)胞中Piezo1 mRNA高表達(dá)，且高表達(dá)Piezo1 mRNA的乳腺癌患者的死亡風(fēng)險(xiǎn)比更高，生存期更短。但Piezo1在非小細(xì)胞肺癌腫瘤組織中表達(dá)下調(diào)[25]。

Yang等[11]發(fā)現(xiàn)在胃癌細(xì)胞株SGC-7901和BGC-823中，Piezo1通過(guò)與三葉因子家族1(TFF1)相互作用促進(jìn)胃癌細(xì)胞遷移，提示Piezo1可能成為針對(duì)胃癌侵襲和轉(zhuǎn)移的治療靶點(diǎn)。Zhang等[26]發(fā)現(xiàn)Piezo1在胃癌細(xì)胞株和原發(fā)性胃癌腫瘤樣本中的表達(dá)增加，且高表達(dá)者的遠(yuǎn)期預(yù)后較差。通過(guò)兩個(gè)胃癌數(shù)據(jù)集的基因集富集分析(GSEA)顯示，在Piezo1高表達(dá)病例中，MYC癌基因、常見(jiàn)癌基因和CCND1顯著富集，說(shuō)明Piezo1為胃癌發(fā)生的潛在癌基因。采用siRNA方法敲除胃癌細(xì)胞中Piezo1表達(dá)后，致癌作用受到明顯抑制，且對(duì)腫瘤藥物順鉑或5-FU的敏感性明顯提高。此外，低表達(dá)Piezo1還可導(dǎo)致胃癌細(xì)胞骨架重組，在細(xì)胞遷移和侵襲中發(fā)揮作用。因此，Piezo1在胃癌發(fā)展中發(fā)揮重要作用，為胃癌的治療策略提供了靶點(diǎn)。

Sun等[27]的研究發(fā)現(xiàn)，低分化結(jié)腸腺癌組織中Piezo1表達(dá)高于高分化結(jié)腸腺癌和低分化結(jié)腸腺癌鄰近正常組織；生存分析顯示Piezo1高表達(dá)組的總體存活率更低。此外，Pieoz1表達(dá)與血管侵襲顯著相關(guān)。對(duì)HCT116和SW480結(jié)腸癌細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞活力、遷移功能的分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)Piezo1可促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞凋亡和遷移。因此，Piezo1與結(jié)腸癌細(xì)胞的生存能力、凋亡、遷移有關(guān)，而Piezo1-MCU-HIF-1α-VEGF信號(hào)通路可能為其中的分子機(jī)制。此外，Spier等[28]在結(jié)直腸腺瘤性息肉病患者中發(fā)現(xiàn)存在Piezo1突變，提示Piezo1可能與結(jié)腸息肉的發(fā)生有關(guān)。

5. 肝纖維化：肝竇內(nèi)皮細(xì)胞(LSEC)是特定的內(nèi)皮細(xì)胞，不斷暴露于由門靜脈從胃腸道帶來(lái)的抗原中，在肝臟免疫調(diào)節(jié)中起重要作用，LSEC免疫功能失調(diào)會(huì)引起肝臟的慢性炎癥和纖維化[29]。LSEC能調(diào)節(jié)肝星狀細(xì)胞(HSC)的表型變化，從而影響HSC分泌纖維化的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)。由于排列于血竇的LSEC直接與血流接觸，因此暴露于剪切應(yīng)力和血壓的變化中，感知機(jī)械力作用后LSEC的變化可能迅速改變HSC表型并促進(jìn)纖維化發(fā)生。Piezo1蛋白表達(dá)于LSEC細(xì)胞膜上，被剪切應(yīng)力激活后可觸發(fā)鈣流入細(xì)胞。Hilscher等[30]通過(guò)周期性拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)現(xiàn)在機(jī)械力作用下，整合素可能通過(guò)肌球蛋白激活Piezo1陽(yáng)離子通道，Piezo1與Notch1受體相互作用，通過(guò)產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄因子Hes1和Hey1來(lái)激活Notch靶基因。在肝細(xì)胞或LSEC中，Notch通路的激活可誘導(dǎo)HSC活化，并促進(jìn)LSEC分泌趨化因子CXCL1，CXCL1的釋放可募集中性粒細(xì)胞，后者促進(jìn)微血栓形成以及門靜脈高壓和肝纖維化。因此，機(jī)械刺激作用于LSEC可導(dǎo)致潛在的HSC激活以及中性粒細(xì)胞募集，干預(yù)Piezo1有可能恢復(fù)HSC表型，減輕門靜脈高壓和肝纖維化，為肝纖維化提供了一種新的治療策略。

四、總結(jié)和展望

機(jī)械敏感通道蛋白作為一類在生物體內(nèi)廣泛分布的離子通道蛋白，其結(jié)構(gòu)異常和功能障礙與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密相關(guān)。Piezo1/2在胃腸道、胰腺、肝臟等消化器官中均有表達(dá)，參與包括IBS、腸道炎癥、胃腸道腫瘤、胰腺炎以及肝纖維化在內(nèi)的消化系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展，此外，Piezo1/2可能在腸道通透性改變、腸道菌群代謝等過(guò)程中發(fā)揮重要作用，但具體功能和機(jī)制需行更多研究來(lái)明確。對(duì)Piezo1/2在消化系統(tǒng)疾病發(fā)生中的作用進(jìn)行深入研究，可能為相關(guān)消化系統(tǒng)疾病的治療提供新的方向。