Piezo1在肺部疾病的研究進展

周能 張實 李涵 劉恩秀 褚衍彪

力學信號的傳導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)則充當著力學信號轉換器。在細胞層面通過感知包括剪切力、牽張力、基質硬度在內的各種力學刺激將力學信號轉化為生物信號或電信號，進而引起細胞生物學改變。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或醫(yī)學獎，再次將SAC帶入視野。Piezos自2010年發(fā)現(xiàn)以來，就被認為是最重要的機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，可以通過改變細胞內Ca2+濃度影響細胞各類功能蛋白的表達和活性，最后導致細胞功能的變化。這些蛋白又會參與細胞增殖、遷移、死亡、基因轉錄等特定的細胞過程[1-2]。在既往研究中，Piezo1的功能探索主要聚焦于血管發(fā)育及血壓調節(jié)等方面。而動物實驗證明Piezo1在肺組織中高度表達[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制也需要進一步了解和探索。

Piezo1蛋白結構及激活

Piezos是由Coste等人首次在神經母細胞瘤細胞系Neuro2A中發(fā)現(xiàn)，當Fam38A基因受到干擾時，由穩(wěn)定機械激活引起的內向電流受到顯著抑制，由此推測Fam38A基因編碼一種機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、血壓調節(jié)、血管重塑等功能；Piezo2主要分布在神經元中，與本體、皮膚等感覺相關。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，可以對外界機械刺激做出反應。該蛋白由2500～2800個氨基酸構成，其跨膜區(qū)域高達26～40個，是目前已知最大的跨膜蛋白[3]。Piezo1的分子結構，主要由中心離子孔道及其外圍形成三聚體螺旋槳結構。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，可以作為一個力學傳感器調節(jié)陽離子門控，從而響應機械刺激。而“梁”(Beam)發(fā)揮類似杠桿的原理將機械刺激傳導到中心離子孔道[8]。中心離子孔道頂部形成的“帽狀物”結構為細胞外C末端結構域(CED)，CED位于最后兩個被稱為外螺旋(OH)和內螺旋(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Piezo1通道受到外部機械力刺激時，其構象發(fā)生可逆性的扁平變化[10]，繼而通過“葉片”及“梁”等結構形成的杠桿狀裝置，將遠端葉片形成的構象，改變轉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，可以直接對質膜畸變做出反應[12]。并且在血管發(fā)育、血壓調節(jié)、血管重塑、細胞黏附等方面，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)育的關鍵內皮細胞力學感受器，Piezo1促進血管發(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，當位于平滑肌細胞質膜上的Piezo1激活后，胞質內Ca2+及谷氨酰胺轉胺酶活性的增高導致高血壓患者小動脈重塑[14]。并且Piezo1的激活可以通過誘導內皮細胞釋放腎上腺髓質素，促進cAMP、NO的合成從而調節(jié)血壓和血管張力[17]。同時，Piezo1的激活與缺失也會導致應力纖維組織和細胞取向性生長的改變[16]。而有趣的是，位于內皮細胞的Piezo1分子被血管血液層流激活后，可以起到保護動脈粥樣硬化的作用[18]，血液湍流激活內皮細胞的Piezo1通道，則可以介導內皮炎癥的發(fā)生[19]，這證明了不同類型機械力刺激及環(huán)境作用下，激活的Piezo1可能產生的作用不一。如在腸道循環(huán)中，內皮細胞Piezo1誘導ATP增加，通過嘌呤受體(PAY2)/Gq/G11引起NO的釋放，繼而介導腸系膜循環(huán)血流依賴性血管擴張[15]；而由鍛煉時引起的腸系膜內皮細胞Piezo1的增加，會使內皮細胞去極化；并且去極化會通過縫隙連接傳遞到平滑肌細胞引起血管收縮[20]。Piezo分子的特性及功能可能在機械刺激及細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展

肺長期處于呼吸力學與肺血流動力學的刺激中，肺內細胞通過感受血流剪切力、靜脈壓及循環(huán)拉伸引起的變化，參與肺內一系列生理功能和病理生理過程。同時Piezo1在肺內大量表達[3]，在各種生物力學轉導過程中發(fā)揮的作用正在逐步探索中。

一、Piezo1與肺水腫

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

二、Piezo1與通氣相關肺損傷(VILI)

在呼吸衰竭的患者中，低潮氣量機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-毛細血管屏障破壞通常導致呼吸機相關肺損傷的產生[25]。實驗發(fā)現(xiàn)在小鼠內皮細胞特異性敲除Piezo1模型中，大容量機械通氣下的小鼠，肺血管通透性顯著增加，并且在人源性肺內皮細胞中敲除Piezo1并暴露于循環(huán)拉伸環(huán)境中，也會增加細胞滲透性。Piezo1表達上調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介導的Y685和Y658位點VE-cadherin磷酸化，進而阻止內皮粘附連接蛋白內化，并維持內皮屏障在機械伸拉刺激反應中的穩(wěn)定性，最終起到維持內皮細胞連接的完整性及控制其通透性的作用。同時在高容量機械通氣時，抑制Piezo1的表達會引起肺水腫，也證明Piezo1在肺過度膨脹過程中保護內皮屏障的作用[6]。隨后，Jiang等人[26]利用體內、體外實驗也得到了類似的結果，機械刺激引起的肺內皮細胞Piezo1激活，可以通過calpain增加脂多糖(LPS)誘導的肺血管高通透性。在長期的機械通氣過程中，肺泡感受到的膨脹力傳遞到內皮細胞，會導致內皮質膜上張力的增加，從而誘導Piezo1的激活起到保護肺內皮屏障的功能。因此，內皮細胞Piezo1的激活或者Piezo1信號通路的增強，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皮細胞的損傷，肺泡表面活性物質代謝功能障礙及肺泡-毛細血管滲透壓增高。肺泡上皮細胞由Ⅰ型肺泡上皮(ATI)和分泌表面活性劑II型(ATII)細胞組成。肺泡表面活性物質主要由ATII細胞生成后儲存在Ca2+依賴的板層體(LBs)內，再進行細胞外分泌，該過程對于維持肺功能至關重要[27]。而肺泡的機械變形，是引起表面活性物質分泌的最主要因素[28]，位于ATI細胞中的小窩蛋白則承擔著相應傳感器的作用。因此，各種原因導致的肺過度膨脹會使位于ATI細胞小窩蛋白中的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細胞上的嘌呤能受體(P2Y2)，繼而分泌表面活性物質[7]。由此，Piezo1對于肺泡表面活性物質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表達增加及在ATII中高表達；并且在ARDS期間，Piezo1通過增加鈣內流介導ATII細胞凋亡，該過程可能于bcl-2途徑相關[4]。綜上，Piezo1在ARDS疾病中起到一定的作用，在ATI型細胞中充當著力學轉換器的角色，同時影響著ATI和ATII型細胞肺泡表面活性物質分泌的功能；而在ATII型細胞中，其影響著該細胞的凋亡，具體的機制還需要進一步研究。

四、Piezo1與肺動脈高壓

肺動脈高壓的主要病理機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)肺動脈內皮細胞中可以通過增加內皮細胞Ca2+濃度、促進NO的生成，引起肺動脈舒張。而在慢性缺氧性誘導的肺動脈高壓小鼠模型中，內皮特異性敲除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胞層面Piezo1的表達及功能。然而，在肺血管中，不僅只有內皮細胞可以受到機械力的影響，平行于血管的血流，可能對內皮細胞直接產生剪切應力刺激，但垂直于管壁的膨脹拉伸力，則可以作用于內皮及平滑肌細胞。同時有研究報道SACs在感知血管不同細胞層中的剪切應力或流動介導的膜拉伸方面會產生不同作用，這些作用在控制血管張力方面發(fā)揮協(xié)調作用[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，進一步驗證，平滑肌細胞Piezo1的激活可以引起細胞內鈣釋放，并促進肺動脈平滑肌細胞的過度收縮和增殖[32]。這也進一步說明Piezo1可能在不同類型細胞或不同機械力影響下，作用不一。在肺動脈高壓模型中，內皮細胞Piezo1激活引起血管舒張，對該疾病存在潛在保護作用，而平滑肌中Piezo1所介導的Ca2+激活，可能促進血管收縮和增殖，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制中Piezo1分子的作用可能需要綜合其在各層細胞中的功能，而最終哪種作用占據(jù)主導仍在探索中。

五、Piezo1與肺癌

機械敏感型離子通道在腫瘤的發(fā)生、生長、侵襲過程中至關重要[33]。首先，實體腫瘤與正常組織存在的基質硬度差異，可以通過機械敏感型離子通道產生一系列病理影響。其次，在腫瘤轉移過程中，腫瘤細胞的脫落、血管逃逸以及進出血管等行為，會產生各種機械刺激，引起力學信號的改變。因此，力學信號的改變，不僅可以誘導癌癥的發(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，在上皮細胞粘附中起關鍵作用。其缺失會導致細胞錨定獨立生長和肺上皮細胞遷移/侵襲增加[36]。而在對肺癌細胞進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。在非小細胞肺癌中的肺腺癌患者中，病患生存率與Piezo1蛋白mRNA的表達呈正相關，并且在Piezo1分子對非小細胞肺癌患者預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。同時在非小細胞肺癌細胞中，敲除Piezo1或Piezo2可顯著促進細胞體外遷移和體內腫瘤生長[5]。揭示了PIEZO通道在非小細胞肺癌中具有抑制腫瘤細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，還發(fā)現(xiàn)了Piezos分子作為預測非小細胞肺癌預后的功能。

展 望

Piezo1在血管發(fā)育、血管重塑、血壓調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+等運輸進入細胞，其中優(yōu)先透過Ca2+[3]。由于Ca2+依賴的NO產生導致血管松弛，而Na+進入后的細胞去極化會導致血管收縮[20]，其引起的最終表型變化，取決于非特異性離子進入的平衡。Piezo1可以通過檢測各種機械應力，參與維持人體器官正常結構的生物過程。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制產生機械拉伸，其中肺內皮細胞在肺膨脹過程中直接受到機械力的作用，肺泡和氣道也會被反復拉伸，并不斷受到空氣和周圍組織產生的機械壓力的影響。而肺泡的周期性膨脹，也會使得肺上皮和肺內皮細胞均暴露在重復的機械拉伸下[37]。目前Piezos介導肺膨脹的確切作用仍在研究中，它們可能對肺上皮和內皮的拉伸適應起著重要作用。同時，機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)反復的過程，成為增加肺損傷的重要因素。由此，在肺內環(huán)境中，機械刺激存在于大部分細胞的生理和病理變化中，此時，機械敏感型離子通道的進一步研究可以為多種肺部疾病導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控作用，但其具體的分子機制尚未被證明。同時Piezo1基因的功能獲得性突變，會導致常染色體隱性先天性淋巴發(fā)育不良，那么Piezo1在肺淋巴生物學中的又起著何種作用？在肺部疾病中，關于機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)了其存在的進一步研究價值。