机械敏感性离子通道Piezo1在轮回系统疾病中的研究进展_细胞_瓣膜

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机器敏感性离子通道Piezo1

在循环系统疾病中的研究进展

Research progress on Piezo1 ion channel in circulatory diseases

陈翠 申锷

作者单位：200030 上海市胸科医院 上海交通大学医学院附属胸科医院超声科

通信作者：申锷，电子信箱：shene2008@163.com

机器传导在循环系统发育、生理和疾病状态中起着关键浸染。
机器敏感性离子通道是机器传导系统的主要部分。
Piezo1离子通道是一种真正的机器敏感性非选择性阳离子通道，卖力感想熏染细胞膜受到的机器力刺激如剪应力、牵张力，介导多种细胞的阳离子电流和Ca2+旗子暗记，如内皮细胞、红细胞、平滑肌细胞、上皮细胞、成骨细胞和心脏成纤维细胞，将机器刺激转化为电旗子暗记或化学旗子暗记[1]。
Piezo1参与心脏、血管、淋巴系统的生理和病理生理，包括淋巴管发育、血管张力、动脉重构和心脏构造发育等。
在此，我们对Piezol在心脏、血管、淋巴系统中的浸染进行综述如下。

Piezo1、Piezo2离子通道是Piezo通道家族的两种亚型，由Ardem Patapoutian团队首次创造于小鼠神经母细胞瘤细胞系中，二者均表达于细胞膜上，分别由PIEZO1基因(family with sequence similarity 38A，Fam38A)、PIEZO2基因(family with sequence similarity 38B，Fam38B)编码，47%的PIEZO2基因序列与PIEZO1基因相同[2]。
人PIEZO1基因、PIEZO2基因位于16号染色体的16q24.3区和18号染色体的18p11.22-p11.21区[3]。
2015年，Ge等[4]首次解析了小鼠Piezo1蛋白构造，人Piezo1蛋白与小鼠的高度同源。
人Piezo1蛋白是多重跨膜蛋白，由2 521个氨基酸组成，质量约300 KDa，有38个跨膜α-螺旋，包括外侧9组重复的四个螺旋，以及构成中央孔的两个螺旋[5](图1)。
三个Piezo1蛋白组成一个离子通道，质量约1 MDa。
Piezo1离子通道形似有三个旋臂的风扇，中间形成向内凹陷的中央孔，孔上方有一个细胞外C末端构造域。
旋臂呈弧形波折，其外部区域高于中央孔区域，形成颠倒的钟形凹陷，细胞膜受到机器力刺激后凹陷展平[6]，中央孔增大，使离子通过。
人Piezo1离子通道许可通过的离子包括一价离子(如碱离子、K+、Na+、Cs+)、二价离子(Ba2+、Ca2+、Mg2+、Mn2+)以及有机阳离子(四甲基铵、四乙基铵)[3]。
机器敏感性是Piezo1离子通道的固有特性，不须要其他蛋白质或第二信使参与旗子暗记转导[7]。

Piezo1感想熏染机器力刺激后开放引起Ca2+内流，调节成纤维细胞增殖、内皮樊篱完全性、心肌细胞肥大、阻力动脉重构

图1 机器敏感性离子通道Piezo1的构造和功能

目前，研究表明Piezo1是多种生理过程不可或缺的部分，参与血管发育与功能、红细胞变形、内皮细胞稳态、轴突成长、尿渗透压调节等[3]。
Piezo1通道构造与功能非常可导致多种病理发生，如淋巴水肿，主动脉瓣二叶瓣、胚胎血管重塑毛病等。

心房颤动(atrial fibrillation, AF)是老龄化群体中发病率逐渐上升的一种室上性心律失落常，主要表现之一是持续性心房扩展。
随着AF病程延长，心房组织会发生明显的电重构和构造重构。
心房肌细胞电重构的特点是动作电位及有效折返期缩短，并对心率变革的适应性减弱。
心肌纤维化是AF干系性构造重构的显著特色之一，由心肌成纤维细胞过度增殖引起，亦可导致心肌电位传导减慢。
由于牵拉刺激增强了对AF勾引的敏感性，机器过载可能促进AF的发生与坚持。
此外，快速牵拉心房组织会诱发局部动作电位、舒张期去极化电位变革，引起额外的紧缩。
在这种\"大众机器－电反馈\公众过程中，心房细胞通过牵拉激活的离子通道(stretch activated channel，SAC)感知机器刺激并转化为电生理干系旗子暗记[8]。
SAC也在民气房成纤维细胞中发挥浸染，为明晰了AF时的SAC的详细功能，成纤维细胞与直接感想熏染机器力的离子通道Piezo1则成为了代表性研究工具。

抑制大电导钙激活钾通道BKca电流可减轻成纤维细胞增殖程度[9]。
Jakob等[8]研究创造正凡人和持续性AF患者的心房成纤维细胞均可表达Piezo1和BKca离子通道。
对正常成纤维细胞胞膜施加瞬时牵拉刺激可使Piezo1通道激活，在牵拉刺激消逝后极短的韶光内，即可记录到BKca通道的电流，但移除细胞外Ca2+或降落Piezo1活性均可引起BKca通道活性减低，进一步研究表明细胞膜受牵拉刺激后激活Piezo1通道，引起Ca2+内流并浓聚在BKca通道附近，激活BKca通道。
与正凡人比较，持续性AF患者心房成纤维细胞中的Piezo1活性和mRNA表达水平均增高，BKCa的表达水平虽无明显差异，但通道活性却低落。
表明AF患者成纤维细胞上Piezo1调节BKca通道活性的办法与正凡人不同(表1)。

表1 Piezo1在循环系统疾病中的浸染

注：TAVI：导管主动脉瓣置换；BNP：B型利钠肽；VSMC：血管平滑肌细胞

心脏是胚胎发育过程中最先形成并发挥功能的器官，心脏瓣膜发育非常会导致不同程度的先天性心脏病。
心脏流出道构造迅速发育并重构、形成包括主动脉瓣在内的各种心血管构造。
遗传调节是影响瓣膜发育的主要机制，环境成分也参与心脏瓣膜发育的调节，如房室管中血流搏动产生的机器刺激。
心脏细胞通过机器敏感离子通道感想熏染机器刺激，并转化为细胞内旗子暗记，触发下贱反应。
目前已经明确机器敏感离子通道TRPV4和TRPP2协同促进房室管中Kruppel样转录因子2(Krüppel-like family of transcription factors 2，klf2a)的表达，匆匆使瓣膜形成。
Piezo1通道能够有效感知血流产生的剪应力，由此推测Piezo1与流出道构造发育、重构干系。

只管哺乳动物和斑马鱼心脏在生理方面存在差异，但流出道的早期发育高度同等。
斑马鱼心脏是单心房、单心室构造，含有三组瓣膜：流入道瓣膜、房室瓣、流出道瓣膜。
个中流出道瓣膜形成与内皮细胞折叠、内皮细胞层周围的平滑肌细胞形成有关。
Piezo通道是内皮细胞精确折叠的必要条件之一。
Piezo1通道将机器力转化为流出道瓣膜的细胞内旗子暗记，通过调节内皮细胞Klf2a表达、平滑肌细胞Yap1定位，以及平滑肌细胞特异性标志物Elnb、Fn1表达，影响瓣膜发育及平滑肌细胞特色形成[10]。

Faucherre等[11]的研究也证明了Piezo1对斑马鱼心脏流出道及流出道瓣膜形成的必要性。
研究职员在斑马鱼房室通道、流出道内皮细胞中创造了PIEZO1同源物-PIEZO1b。
PIEZO1b缺失落会导致斑马鱼流出道瓣膜发育毛病。
PIEZO1b突变胚胎的左室流出道内径变窄，而给予外源性PIEZO1RNA可挽救该毛病。
此外，研究团队在49名伶仃性主动脉瓣二叶瓣(bicuspid aortic valve，BAV)患者的基因序列中创造了3个危害Piezo1蛋白功能的PIEZO1基因突变体：p.Y2022H、p.K2502R和p.S217L。
复现此类突变可引起斑马鱼流出道瓣膜长度/宽度比减低，使瓣膜发育非常。

Piezo1不仅与瓣膜先天发育有关，也与后天病变干系。
主动脉瓣狭窄(aortic stenosis，AS)是一种日益增多的退行性、炎症性病变。
Baratchi等[12]研究表明AS介导增强单核细胞的炎症标志物表达水平、粘附能力及吞噬活性，促进主动脉瓣炎症进展。
经导管主动脉瓣置换(transcatheter aortic valve implantation，TAVI)术后，AS患者主动脉瓣剪切力可显著降落，单核细胞膜上的Piezo1含量下调，单核细胞的粘附能力也减低，提示Piezo1可能是一个潜在的治疗靶点。

心肌细胞肥大是心肌细胞对生理或病理性刺激的早期适应性反应，也是多种心血管疾病发病及去世亡的独立危险因子，长期持续刺激会勾引心脏发生不可逆的失落代偿性改变[13]。
多种刺激可勾引心肌细胞肥大，机器应力过载是最主要的一个刺激成分。
机器应力勾引心脏肥大与细胞内Ca2+稳态密切干系，Ca2+稳态失落衡可激活并促进心肌细胞肥大干系因子转录[14]。
瞬时受体电位通道(transient receptor potential channels，TRPC )、L型Ca2+通道(L-type calcium channel, LTCC)已被证明与病理性心脏肥大干系[15]。

鉴于Piezo1离子通道可敏锐地感知机器刺激并介导Ca2+内流，Zhang等[15]推测Piezo1离子通道参与机器负荷勾引心肌肥大的过程。
研究创造，心脏压力过负荷引起心肌细胞T小管和闰盘上Piezo1水平显著升高。
主动脉弓缩窄术后，与敲除PIEZO1基因的小鼠比较，未敲除基因的小鼠心脏体积明显增大、左室壁明显增厚，心肌纤维化程度、纤维化干系因子表达水平明显增加。
Piezo1离子通道感知主动脉弓缩窄导致的心肌细胞膜受力变革，不仅提高Piezo1表达水平，还通过Ca2+内流激活钙蛋白酶和钙调磷酸酶，促进肥大干系因子转录，勾引心肌细胞肥大。
敲除Piezo1基因后，Ca2+内流量减少，可延缓心脏肥大进程。
表明Piezo1通道在心肌肥大进程中起主要浸染(表1)。

心力衰竭是多种心脏疾病发展的终极转归，预后不佳。
心室重构是心衰发展的基本机制，过度的心肌纤维化是其主要病理改变。
心力衰竭时，B型利钠肽(B-type natriuretic peptide，BNP)代偿性增多，通过利尿利钠、扩展血管、抑制胶原天生、抑制心肌纤维化等浸染调节心室功能、压力负荷以及心室重构。
心脏成纤维细胞受牵拉刺激后BNP的表达基因NPPB含量增加[16]，但其详细机制尚不清楚。
Ploeg等[17]研究创造成年大鼠接管Piezo1激动剂Yoda1处理后，BNP表达量增加，细胞外基质重构基因显著上调；沉默PIEZO1基因后，纵然对心脏成纤维细胞施加牵拉刺激，BNP表达水平仍会低落。
BNP可能起局部自分泌因子或旁分泌因子的浸染，调节心脏成纤维细胞的激活和心肌组织重构。
牵拉刺激还可引起心肌成纤维细胞Tgfb1、Tnc、Ctgf和Acta2基因表达，这些基因都与肌成纤维细胞分解和心脏重构有关。
激活Piezo1可刺激Tnc基因表达；沉默Piezo1可上调未受牵拉的细胞中Ctgf基因表达水平，以及受牵拉细胞中Tnc和Acta2基因表达水平。
证明Piezo1介导牵拉刺激引起心脏成纤维细胞表达BNP以及其它重构基因(表1)。

哺乳动物胚胎的血管发育受血液流动产生的应力影响。
正常小鼠心脏在胚胎发育第8.5天后开始搏动，将血液泵入新生的内皮网格，在第9.5天，剪切力驱动内皮细胞重构，成熟为大血管[18]。
手术结扎小鼠胚胎的左弓形动脉阻挡正常血液流动后，左弓形动脉会发生退化，而右侧的动脉扩展。
虽然在成熟的血管内皮细胞中创造了可被牵张力和剪切力激活的离子通道，但胚胎发育过程中起浸染的机器敏感性通道直到Ranade等[19]研究后才确定，该研究创造胚胎小鼠的血管内皮细胞表达Piezo1通道。
在PIEZO1gt/gt(PIEZO1基因捕获)小鼠胚胎发育第9.5天，心率、血流均正常，背主动脉和心脏静脉也正常涌现，表明在胚胎初始阶段，缺少Piezo1不影响血管天生。
但随后胚胎迅速表现出生长缓慢的征象，在第10.5天涌现心包积液，并且大部分胚胎去世于中期阶段，即第14.5天前，表明缺少Piezo1引起小鼠胚胎中期血管重构毛病，进而导致去世亡。
此外，纵然在剪切力浸染下，缺少Piezo1也可引起内皮细胞应力纤维和细胞定位毛病，表明Piezo1固有的机器敏感性与调节细胞形态干系，突出了哺乳动物胚胎发育过程中Piezo1在血管发育中的必要浸染(表1) 。

慢性高血压过程中，阻力动脉发生向心性重构，其管壁不增厚，但平滑肌细胞分布发生改变。
小动脉内压力增高时，管壁发生强直性紧缩，即肌源性反应，以担保血压颠簸剧烈时血流量坚持在恒定水平。
研究认为平滑肌细胞膜上的SACs开放是肌源性反应的触发机制。
机器敏感性离子通道Piezo1在小动脉平滑肌细胞中高表达，Piezo1通道开放与肌源性反应的干系性也就成为了研究的工具。

Retailleau等[20]选择性敲除PIEZO1基因后，细胞不再表现牵张敏感通道的活性，表明Piezo1在动脉平滑肌细胞的机器力转导中起关键浸染。
细丝蛋白A(filamin A，FlnA)抑制Piezo1通道开放，高血压状态或FlnA缺失落可使Piezo1通道开放量增多，引起小鼠尾动脉内径和动脉壁厚度增加。
而敲除小鼠PIEZO1基因或长期利用转谷氨酰胺酶(transglutaminase，TG)抑制剂胱胺后，纵然FlnA仍缺失落，增厚的动脉壁也可被逆转变薄，由此推断Piezo1可能参与平滑肌细胞中Ca2+依赖的TG活化。
表明在高血压或FlnA缺失落情形下，平滑肌Piezo1在抵抗阻力动脉重构的过程中起关键浸染。

近半数心血管疾病患者也遭受了严重的高血压并发症，这些并发症每每是血栓性的。
高血压状态下，血栓形成前的最紧张特色是血小板的非常激活[21]。
血小板细胞通过感知血流动力非常，并内化这些旗子暗记自我激活。
离子通道，如Piezo1，是血小板激活过程中最快，最有效的效应器之一，通过掌握膜内外的离子流动来调节血小板生理反应。
高血压时，血小板细胞膜上Piezo1离子通道表达水平及活性均增高，改进了血小板对VCAM1和纤连蛋白的粘附，从而活化整合素。
研究表明Piezo1通过PI3k/AKT旗子暗记通路，抑制血小板中线粒体的功能及细胞凋亡，促进血小板聚拢；而抑制Piezo1通道活性可明显减弱血小板的高反应性，提高血小板中的线粒体功能及细胞凋亡，从而可有效地抑制动脉血栓形成，减小高血压小鼠中风后的梗去世面积[22]。

动脉粥样硬化(atherosclerosis，AS)是一种多成分炎症性疾病，可促进多种心血管疾病发生与发展，如心肌梗去世、缺血性心脏病和卒中。
研究创造粥样斑块多见于波折动脉及分支动脉处，此处的湍流剪切力促进AS的发生和发展。
Shinge等[23]研究表明湍流状态下，血管内皮细胞Piezo1感知血流剪切力，介导上调血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)有丝分裂原基因(如血小板衍生成长因子、内皮素1和血管内皮成长因子)表达，并下调VSMCs迁移抑制因子纤溶酶原激活物抑制剂1、细胞成长迁移抑制因子(如一氧化氮、转化成长因子β)表达水平及功能，匆匆使VSMC迁移到内膜，产生胶原，促进纤维帽和脂质核心的形成。
此外，Piezo1在炎症细胞如单核细胞、巨噬细胞和T细胞中表达并发挥浸染[24]。
Piezo1激活内皮细胞表达粘附分子、促进细胞附着，激活单核细胞和巨噬细胞启动匆匆炎旗子暗记通路，表达不同的细胞因子和趋化因子[24]，促进AS形成。
而Piezo1缺失落时，纵然存在机器力刺激，巨噬细胞和单核细胞也不表达炎症细胞因子、趋化因子以及转录因子和缺氧勾引因子。
证明Piezo1的存在对动脉硬化形成是必要的(表1)。

肺泡上皮细胞和血管单层内皮细胞组成毛细血管-肺泡樊篱，肺内液体的稳态取决于内皮樊篱的完全性。
内皮粘附连接(adhere junctions，AJs)由与β-连环蛋白、α-连环蛋白和p120-连环蛋白干系的跨膜粘附蛋白VE-连环蛋白组成，是蛋白质和液体交流的紧张细胞旁路，毁坏AJs可使VE-连环蛋白的同型相互浸染减少，从而增加内皮的通透性。
肺毛细血管压力升高也可毁坏内皮樊篱，导致富蛋白质的血浆渗漏，引起肺水肿。
研究表明[25]，Piezo1可感知由左房压升高或主动脉缩窄引起的肺毛细血管压力升高，通道开放使Ca2+内流，活化Ca2+依赖性钙调蛋白酶，降解粘连蛋白VE-钙粘蛋白、β-连环蛋白和p120-连环蛋白，破坏AJs，增加肺血管通透性；而敲除内皮细胞的PIEZO1基因或抑制钙蛋白酶均可保护粘连蛋白及内皮粘附连接免于毁坏，并且肃清内皮樊篱泄露和肺水肿征象(表1)。

淋巴系统掌握组织液平衡、免疫细胞运输和脂质接管。
淋巴管瓣膜开放与关闭确保了淋巴液单向流动，瓣膜功能非常或构造畸形可明显危害液体引流、免疫反应以及肠道对脂质的接管。
类似于血液流动可通过Piezo1掌握血管及瓣膜发育，淋巴液流动也可通过Piezo1掌握淋巴管瓣膜发育。
Choi等[26]创造淋巴管内皮细胞中的Piezo1可感知振荡剪切应力(oscillatory shear stress，OSS)，并将旗子暗记整合到掌握淋巴管瓣膜发育、掩护瓣膜的基因程序中，敲除Piezo1基因可有效地抑制这一过程。
利用Yoda1激活Piezo1不仅可加速淋巴瓣膜的形成，也可触发体外培养的LEC中一些淋巴瓣膜基因的上调。
无OSS浸染时，异位过表达Piezo1可上调淋巴管瓣膜基因表达水平。
利用泛内皮Cre驱动器(Cdh5[PAC]-CreERT2)或淋巴特异性Cre驱动器(Prox1-CreERT2)在特定时间敲除PIEZO1均可抑制新生小鼠淋巴瓣膜形成。
此外，敲除成年小鼠淋巴管中的PIEZO1可导致大量淋巴管瓣膜退化。
证明Piezo1是掌握淋巴瓣膜发育和掩护瓣膜的主要因子(表1)。

全身性淋巴发育不良是由淋巴引流非常引起的罕见病，特色性表现为均匀且广泛扩散的淋巴水肿、淋巴管扩展、乳糜胸、积液。
目前创造四种基因变异，PIEZO1基因功能缺失落性变异[27]是个中一种。
变异的基因即能以复合杂合子形式存在，也能以纯合子形式存在；该变异即可引起胎儿去世亡，也可导致新生儿去世亡[26]。
新生儿期幸存下来的个体水肿可完备消退，但可在儿童期复发。
与功能得到性变异比较，PIEZO1功能缺失落性变异引起的胎儿淋巴水肿在出生后并发症更少。
Datkhaeva等[28]还不雅观察到携带相同PIEZO1基因变异的兄弟姐妹间表现出不同的严重程度，表明个体间存在不同的遗传润色或受到了环境的影响。

Piezo1的创造使对力感想熏染器的研究实现了从零到一的打破。
只管已经有许多研究探索了它在循环系统中的浸染及主要性，但对付实现从一到一百的完备理解仍旧只是冰山一角。
虽然目前有一些研究表明Piezo1与循环系统疾病干系，但其在详细疾病中的浸染阶段、旗子暗记通路、分子机制尚未完备明确。
此外，Piezo1在细胞与组织中广泛表达并不代表其功能具有对应的普遍主要性，目前所认识到的浸染，是不是真正引起干系疾病的关键浸染也须要进一步深入研究。