機(jī)械門控陽離子通道Piezo1 與骨形成

楊楠 殷俊輝 張長青

生理狀態(tài)下，骨骼不斷進(jìn)行生長與破壞，兩者維持動態(tài)平衡，此即為骨穩(wěn)態(tài)。骨穩(wěn)態(tài)受到機(jī)械力刺激的調(diào)控，這一現(xiàn)象早被發(fā)現(xiàn)，臨床常見的受傷制動后骨質(zhì)疏松或航天員在失重環(huán)境下發(fā)生骨質(zhì)疏松就是典型例子，稱為廢用性骨質(zhì)疏松，但其具體機(jī)制尚未闡明。人和小鼠的長骨中，機(jī)械門控陽離子通道Piezo1 在成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、骨細(xì)胞的細(xì)胞膜上均有表達(dá)，由于能夠直接響應(yīng)機(jī)械力的特性，Piezo1 在成骨受力調(diào)控過程中起到的作用受到了廣泛的關(guān)注，學(xué)者們在體外、動物模型和臨床層面都進(jìn)行了研究，結(jié)果提示Piezo1是骨受機(jī)械力刺激的關(guān)鍵感受器，它展示出成為新的臨床治療靶點(diǎn)的潛力。

1 力與成骨

1892 年，德國醫(yī)生Wolff 提出了著名的“沃爾夫定律”，指出骨骼的生長和重塑是對所受應(yīng)力的響應(yīng)，這在運(yùn)動員中尤為常見，例如網(wǎng)球運(yùn)動員的慣用手骨密度明顯大于非慣用手[1]，棒球、籃球、體操等受高沖擊力項目的運(yùn)動員較跳水、游泳、劃船等項目的運(yùn)動員骨密度更大[2]。相反，低負(fù)荷狀態(tài)下人體的骨量會快速降低，且負(fù)重部位（如下肢）較不負(fù)重部位（如上肢）骨量丟失更快。有研究顯示，臥床患者在傷后6 周內(nèi)，脛骨遠(yuǎn)端和髖部骨密度下降3%以上[3]；脊髓損傷截癱患者在受傷后的第1 年，癱瘓部位每月?lián)p失2%～4%的骨量[4]；外傷后單側(cè)肢體制動和中風(fēng)偏癱患者患側(cè)骨骼出現(xiàn)明顯的骨量下降，而健側(cè)則不受影響[5]；微重力的航天工作環(huán)境也是典型的低負(fù)荷環(huán)境，航天員的脊柱骨密度每月下降0.9%，髖部骨密度每月下降1.4%～1.5%[6]。

骨是一種高度動態(tài)的結(jié)締組織，成骨細(xì)胞起到形成新骨的作用，而破骨細(xì)胞則負(fù)責(zé)吸收清除舊骨。骨細(xì)胞在骨穩(wěn)態(tài)的維持上也十分重要[7]。成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞都參與機(jī)械力對骨穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。這些細(xì)胞感受機(jī)械力刺激的結(jié)構(gòu)包括整合素、離子通道、接合素、G 蛋白偶聯(lián)受體、初級纖毛等[8]。

2 力學(xué)感受器Piezo1 的發(fā)現(xiàn)

2010 年，Coste 等[9]在小鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系中發(fā)現(xiàn)了機(jī)械力敏感的陽離子通道蛋白Piezo1/2，其長度為2 100～4 700 aa，包括38 個跨膜結(jié)構(gòu)域。其中Piezo1 廣泛分布于血管、紅細(xì)胞、泌尿系統(tǒng)、骨骼中，并參與細(xì)胞遷移[10]。Piezo1 以三聚體的形式在細(xì)胞膜上形成離子通道，靜息狀態(tài)下3 個單體圍繞中心的通道向周圍伸出3 個螺旋結(jié)構(gòu)為主的臂。Piezo1 通道的側(cè)面向膜內(nèi)凹陷，構(gòu)成1 個穹頂形結(jié)構(gòu)[11]。細(xì)胞膜張力增大時，Piezo1的結(jié)構(gòu)可以響應(yīng)機(jī)械力的刺激進(jìn)行改變，從穹頂形結(jié)構(gòu)伸展為1 個平面結(jié)構(gòu)[12]。

3 Piezo1 與骨穩(wěn)態(tài)

由先天的Piezo1基因突變引起的骨骼表型差異已有報道。對英國Biobank 數(shù)據(jù)庫47 萬個樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行薈萃分析顯示，Piezo1 在人群中的基因多態(tài)性與骨密度相關(guān)；Piezo1基因單核苷酸多態(tài)性（SNP） rs62048221 等效基因T 拷貝可使攜帶者的跟骨骨密度降低0.003 5 g/cm2[13]。Piezo1基因突變可能導(dǎo)致腰椎間盤退行性變及頭骨骨板較薄等[14]。而Piezo1基因嚴(yán)重變異的病例可出現(xiàn)骨骼受累表型，包括嬰兒期多次骨折、胸腰椎脊柱側(cè)彎、身材矮小和面部骨發(fā)育不全[15]。

Piezo1 在骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞中均有表達(dá)[6]，與Lcn2、Dkk3、Obscn、Tnnt1、Hpgd、Cox8b、Art1等基因和Wnt、磷脂酰肌醇3-激酶（PIK3）/蛋白激酶B（Akt）、Notch 等信號通路密切相關(guān)[16]，參與了成骨細(xì)胞系及骨膜細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等介導(dǎo)的骨生長和重塑過程。Piezo1 影響骨的機(jī)制為影響骨形成、調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞分化、調(diào)控成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞參與成骨等。

3.1 Piezo1 影響骨形成

軟骨成骨和骨膜成骨是哺乳動物形成骨的重要途徑，其過程需要Piezo1 參與。研究顯示，對小鼠軟骨細(xì)胞特異性敲除Piezo1基因，結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松和頻發(fā)的自發(fā)性骨折[17]。受機(jī)械負(fù)荷后，全骨膜細(xì)胞（WPC）和骨髓源性巨噬細(xì)胞（BMDM）上的Piezo1 表達(dá)上調(diào)，并介導(dǎo)CD68+F4/80-骨髓細(xì)胞分化為CD68+F4/80+巨噬細(xì)胞，分泌激活轉(zhuǎn)化生長因子（TGF）-1，從而促進(jìn)骨膜成骨過程[18]。

3.2 Piezo1 調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞分化

Piezo1 受靜水壓的調(diào)控，從而影響間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞的過程。研究顯示，升高靜水壓或使用Piezo1 激活劑處理體外培養(yǎng)的間充質(zhì)干細(xì)胞，結(jié)果細(xì)胞骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）-2 表達(dá)上調(diào)，促使其分化為成骨細(xì)胞，抑制其分化為脂肪細(xì)胞，而Piezo1 抑制劑則起到相反的效果[19]。體內(nèi)實(shí)驗研究顯示，骨小動脈周細(xì)胞龕中骨連接素陽性的間充質(zhì)干細(xì)胞可分化為成骨細(xì)胞，這些細(xì)胞被證實(shí)可通過Piezo1 感受動脈管壁傳導(dǎo)機(jī)械力刺激而促進(jìn)成骨，敲除其中的Piezo1基因可抑制間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞，而靜脈周的間充質(zhì)干細(xì)胞則不受Piezo1基因敲除的影響，可能是靜脈管壁較薄而傳遞機(jī)械力能力較弱的緣故[20]。

3.3 Piezo1 調(diào)控成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞參與成骨

敲除骨組織中的Piezo1基因會導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。實(shí)驗研究顯示，特異性地敲除小鼠成骨細(xì)胞中的Piezo1基因，小鼠出生8 周后出現(xiàn)了顯著的發(fā)育遲緩，四肢長骨骨密度、骨體積、皮質(zhì)骨厚度、骨小梁數(shù)量、骨小梁厚度均降低，而骨小梁間距增加，脛骨中成骨細(xì)胞分化標(biāo)志蛋白Ocn、Ⅰ型膠原1 及血清中Ocn、Ⅰ型前膠原蛋白N 端前肽（PINP）水平顯著下調(diào)，但不承重的顱骨并沒有明顯變化[21]。Li 等[22]也發(fā)現(xiàn)，Piezo1基因敲除后，小鼠發(fā)育過程中骨膜和皮質(zhì)的礦化表面積減少，單位面積骨形成率也減少，常發(fā)生自發(fā)性骨折，力學(xué)測試發(fā)現(xiàn)骨的剛度和極限力降低，但楊氏模量和最終應(yīng)力沒有明顯變化，皮質(zhì)骨的礦物質(zhì)密度也沒有變化。Wang 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，敲除骨細(xì)胞中的Piezo1基因，小鼠也出現(xiàn)類似的進(jìn)行性骨質(zhì)疏松，骨硬度和骨小梁數(shù)量降低。

Piezo1基因敲除可降低骨骼對機(jī)械力刺激的敏感性。實(shí)驗研究顯示，Piezo1基因敲除小鼠即使增加負(fù)荷和運(yùn)動量，骨量上升仍少于野生型小鼠[23]；使用尾懸吊模型降低Piezo1基因敲除小鼠的負(fù)重，結(jié)果并沒有出現(xiàn)更嚴(yán)重的骨量丟失[21]。這些實(shí)驗結(jié)果表明Piezo1是成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞感受機(jī)械力刺激并作出響應(yīng)的關(guān)鍵基因。

Piezo1 在成骨細(xì)胞系中的表達(dá)可能主要受液體剪切力的調(diào)控。體外實(shí)驗研究表明，生理范圍內(nèi)的震蕩可以上調(diào)成骨細(xì)胞系MC3T3-E1 的Piezo1表達(dá)水平，激活鈣離子內(nèi)流，刺激鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶，并激活A(yù)kt/糖原合成酶激酶（GSK）-3/-連環(huán)蛋白信號通路，上調(diào)Runx-2 表達(dá)[24]。另一項研究發(fā)現(xiàn)，流體剪切力可以通過骨細(xì)胞上的Piezo1 通道激活Notch3 信號通路，上調(diào)骨保護(hù)蛋白（OPG）表達(dá)，并下調(diào)核因子-B 受體活化因子配體(RANKL)表達(dá)，從而可能抑制破骨細(xì)胞的生成[25]。骨細(xì)胞受拉伸時的機(jī)械力刺激信號可被Piezo1 感知，激活PIK3/Akt 信號通路，下調(diào)骨細(xì)胞中骨硬化蛋白的表達(dá)[26]。

3.4 Piezo1 與破骨

Piezo1 可能參與調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的活性。假體周圍體液流動產(chǎn)生的液體剪切力可能促進(jìn)了破骨細(xì)胞的活性，導(dǎo)致骨吸收。不同振幅和頻率的液體剪切力可能對骨穩(wěn)態(tài)有相反的作用：低頻、高振幅的刺激促進(jìn)骨吸收，而高頻、低振幅的刺激促進(jìn)了骨生長[27]。這也提示Piezo1作為機(jī)械力感受器，對于不同的機(jī)械力刺激存在功能多樣性。值得一提的是，Piezo1基因敲除后，成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞的形態(tài)沒有變化，體外培養(yǎng)的成骨細(xì)胞仍然能夠正常分化，Piezo1基因缺失也不會促進(jìn)骨細(xì)胞凋亡[22]，說明Piezo1基因敲除引起的骨質(zhì)疏松由骨礦化減少、骨吸收增加導(dǎo)致。但Wang 等[21]直接在小鼠的破骨細(xì)胞中敲除Piezo1基因，并未觀察到明顯的表型。

4 Pizeo1 與骨科疾病

許多骨科疾病與力學(xué)刺激相關(guān)。骨折修復(fù)需要一定的負(fù)荷鍛煉，椎間盤退行性變和骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生被認(rèn)為與長期的機(jī)械力刺激相關(guān)。而Piezo1作為重要的機(jī)械力感受器，參與這些過程。

4.1 Piezo1 與骨修復(fù)

Piezo1 參與了機(jī)械力刺激骨折修復(fù)的過程。研究顯示，在小鼠骨折組織細(xì)胞中降低Piezo1 的表達(dá)，小鼠骨折愈合延遲，礦化受損，實(shí)驗組受傷處骨量顯著低于對照組；使用Piezo1 特異性激活劑Yoda1 處理骨折后，小鼠骨折部位的骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）、骨密度顯著增加；小鼠骨折經(jīng)Yoda1 處理7 d 后，骨折部位軟骨增加，14 d 后骨痂吸收和礦化增加，顯示Piezo1 在骨折修復(fù)早期起到了促進(jìn)骨折恢復(fù)的作用[28]。骨折修復(fù)需要成血管過程參與，血管內(nèi)皮細(xì)胞上表達(dá)的Piezo1 可能通過Akt和Notch 信號通路直接參與骨折修復(fù)過程。內(nèi)皮細(xì)胞Piezo1基因缺失導(dǎo)致血管化過程中鈣蛋白水解酶活性下調(diào)，從而抑制成骨細(xì)胞成熟和骨化。此外，Piezo1基因敲除也導(dǎo)致PI3K/Akt、Notch 等其他介導(dǎo)骨折愈合的信號通路下調(diào)，從而使骨折愈合延遲[29]。

低強(qiáng)度脈沖超聲促進(jìn)骨折愈合的方法在臨床已有應(yīng)用。Zhang 等[30]報道，30 mW 的超聲脈沖刺激可以激活成骨細(xì)胞前體細(xì)胞表面以Piezo1 為主的各種離子通道，增加鈣離子內(nèi)流，并激活Erk1/2磷酸化和細(xì)胞骨架聚合，最終促進(jìn)成骨細(xì)胞前體細(xì)胞增殖和遷移。實(shí)驗研究顯示，使用120 Hz 的壓電微震動（PMVS）治療卵巢切除小鼠骨質(zhì)疏松，4 周后小鼠骨強(qiáng)度明顯改善，成骨細(xì)胞數(shù)量增加，破骨細(xì)胞減少，并激活了Wnt 信號通路和mRNA-29a 表達(dá)[31]。有研究發(fā)現(xiàn)，利用鈦納米管的表面效應(yīng)可以促進(jìn)損傷骨的修復(fù)，治療過程中損傷骨組織Piezo1 表達(dá)顯著升高，通過Yap 信號通路起到了促進(jìn)骨折愈合的作用[32]。

4.2 Piezo1 與椎間盤退行性變

Piezo1 在髓核細(xì)胞中有表達(dá)。椎間盤退行性變患者髓核硬度（彈性模量）增高，病變部位Piezo1表達(dá)上調(diào)[33]。Wang 等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在硬度較大的基質(zhì)上培養(yǎng)髓核細(xì)胞，會上調(diào)Piezo1 表達(dá)，增加細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平，引起細(xì)胞形態(tài)變化，敲低或使用GsMTx4 阻斷Piezo1基因可抑制髓核細(xì)胞上述變化；動物實(shí)驗也發(fā)現(xiàn)，敲低髓核細(xì)胞的Piezo1基因可緩解椎間盤退行性變。研究顯示，Piezo1 可通過鈣離子和核因子（NF）-B 信號激活髓核細(xì)胞NOD 樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白（NLRP）3炎癥小體，并上調(diào)含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase）-1 及衰老相關(guān)蛋白如p53、p16 和炎癥因子如腫瘤壞死因子（TNF）-、白細(xì)胞介素（IL）-6、IL-1表達(dá)[35-36]，這可能引起細(xì)胞的線粒體功能障礙并影響了細(xì)胞自噬，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子和活性氧增加，最終改變細(xì)胞形態(tài)，抑制細(xì)胞外基質(zhì)合成。

4.3 Piezo1 與骨關(guān)節(jié)炎

有研究證實(shí)，Pizeo1 高表達(dá)與骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展有關(guān)。骨關(guān)節(jié)炎動物模型研究顯示，炎癥因子IL-1能刺激軟骨細(xì)胞表達(dá)Piezo1，使細(xì)胞內(nèi)的基礎(chǔ)鈣離子升高，引起肌動蛋白分解。更重要的是，胞內(nèi)鈣離子升高又會刺激炎癥通路，表達(dá)更多的骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)炎癥因子，從而形成前饋機(jī)制，引起骨關(guān)節(jié)炎不斷進(jìn)展。使用Piezo1 阻斷劑GsMTx4 可以消除這種影響，減緩骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展[37]。這為骨關(guān)節(jié)炎治療提供了新的潛在靶點(diǎn)。

4.4 Piezo1 與青少年骨骼生長

青春期骨骼生長停止可能與體質(zhì)量增加引起的Piezo1 激活有關(guān)，較大的負(fù)荷可激活Piezo1基因，上調(diào)激酶FAM20C 表達(dá)，并促進(jìn)牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白(DMP)-1 分泌。DMP-1 抑制血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）信號通路，導(dǎo)致骨骼成骨和成血管能力降低，骨骼生長隨之停止[38]。

5 結(jié)語

機(jī)械門控陽離子通道Piezo1 廣泛分布于全身各種組織中，是細(xì)胞感受機(jī)械力刺激的重要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之一。骨受機(jī)械力的調(diào)控過程較為復(fù)雜，不但成骨與破骨需要維持平衡，而且骨骼的結(jié)構(gòu)形態(tài)需要適應(yīng)力的刺激。Piezo1 作為基礎(chǔ)的力學(xué)感受器，為骨中各類細(xì)胞提供了機(jī)械力刺激的信號輸入，而不同細(xì)胞根據(jù)機(jī)械力刺激所作出的反應(yīng)具有特異性：在椎間盤和關(guān)節(jié)軟骨中，這種力學(xué)信號與炎癥通路關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致椎間盤退行性變和骨關(guān)節(jié)炎，而在骨中則促進(jìn)了成骨過程，維持骨量。因此，Piezo1 具有廣泛的臨床應(yīng)用潛力。此外，由Piezo1相關(guān)研究作為切入點(diǎn)，對全身不同力學(xué)特征的骨骼進(jìn)行深入研究也頗具前景。