机械敏感离子通道Piezo1/2蛋白在消化系统疾病中的研究进展*

刘才嫄 宋 军 侯晓华

华中科技大学同济医学院附属协和医院消化内科(430022)

机械敏感离子通道可将机械力信号快速转换成电化学信号，参与机械感觉转导相关的许多生理过程。Piezo1/2蛋白是一种非选择性机械敏感离子通道，参与多个与机械力相关脏器的不同生理功能和病理改变过程。Piezo1/2在全胃肠道、肝脏、胰腺中均有表达，能通过感知机械刺激来维持消化系统的正常生理功能。本文就机械应力刺激下Piezo1/2蛋白在消化系统疾病发生、发展中的作用作一综述，从而为不同消化道疾病的发病机制和临床治疗提供新的思路。

一、机械敏感离子通道

机械敏感离子通道是由跨膜蛋白组成的离子转导孔道，在机械力刺激下激活，可快速有效地将刺激转换为电、渗透压和(或)化学细胞内信号，在活细胞的机械感觉转导过程中起重要作用。机械敏感离子通道的开放概率随机械刺激强度的增加而增加。当通道开放时，带电离子沿电化学梯度被动扩散产生膜电流，多数通道对可穿过孔的特定离子具有选择性[1]。机械敏感离子通道参与植物、真菌和细菌的渗透压调节以及哺乳动物中胚胎发育、触摸、疼痛、本体感觉、听觉、血管张力和血流的调节、肺的生长和损伤、骨和肌肉的稳态以及代谢等过程[2]。

2010年，Coste等[3]首次在胶质瘤Neuro2A细胞株中筛选鉴定出Piezo1机械敏感离子通道蛋白，并通过序列同源性发现其亚型Piezo2。两种蛋白的生理和生物特性相似，为四聚体(共120～160个预计的跨膜片段)，且代表了迄今为止确定的最大的质膜离子通道复合物之一，可直接感应机械力并将环境机械信号转化为细胞内Ca2+信号引发的下游反应，参与触觉、疼痛、本体感受、血管发育和血压调节等多种机械转导过程[3-5]。

Piezo1在多种感知剪切力的组织中表达，如血管内皮、肺、皮肤和膀胱，参与血管发育、动脉重塑和血压调节、上皮细胞稳态、红细胞体积调节、神经干细胞分化等病理生理过程。Piezo2在膀胱、结肠、肺、Merkel细胞以及感觉三叉神经和背根神经节神经元中高表达，参与肺通气、感应轻触觉、本体感觉、内脏感觉传递等。人Piezo蛋白突变与遗传性干细胞增多症、家族性贫血、广泛性淋巴发育不良等有关[6-7]。

二、Piezo1/2蛋白在消化系统机械敏感转导中的作用

1. 消化系统机械敏感性：机械刺激对消化系统正常功能的维持至关重要，消化系统在消化、吸收等生理过程中不断接受各种形式的机械刺激，如食物渗透压、胃肠道蠕动等。胃肠道多种细胞对机械刺激信号敏感，如肠嗜铬细胞(EC细胞)、平滑肌细胞、内源或外源肠初级传入神经元和肠神经系统(ENS)(主要包括黏膜下神经丛和肌间神经丛)，对机械刺激信号的感受主要依赖于初级感觉神经末梢的机械感受器，通过机械转导方式将机械力信息转换为生物电信号，向中枢传递并被中枢感知，从而产生相应的内脏感觉。机械敏感性异常与胃肠道症状产生密切相关，如胃膨胀与胃动力和饱胀感有关，结肠内异常机械敏感性会导致排便障碍[8]。

2. Piezo1/2蛋白在消化系统中的表达和功能：Piezo1/2机械敏感离子通道在整个消化系统中均可见表达[4]，并具有独特的生物物理特性，如非选择性阳离子渗透性，Piezo1以快速激活和慢至中等的失活为特征[3-4,9]，Piezo2以快速激活和失活为特征[3-4]。Piezo1/2可能在感知胃肠道机械刺激以及维持胃肠道正常生理功能中起重要作用。

①胃肠道上皮细胞中Piezo1/2蛋白的表达和功能：胃肠道上皮细胞具有机械敏感性，是与外部环境相互作用的重要的第一道屏障，机械力对维持胃肠道上皮细胞的正常功能非常重要。Piezo1在胃肠道上皮细胞膜上表达，是细胞拥挤和迁移的感受器[10-11]。当发生上皮细胞拥挤和细胞骨架收缩时，Piezo1被激活以维持正常的单层上皮细胞数量。将斑马鱼Piezo1基因沉默后，阻碍了由细胞拥挤诱导的细胞挤出过程，从而破坏上皮细胞稳态，导致上皮细胞团块的形成[10]。在人胃黏膜上皮细胞GES-1中敲低Piezo1后，可抑制胃癌细胞的迁移和侵袭[11]。药理学上，Piezo通道可被机械敏感通道阻滞剂Gd3+和钌红以及GsMTx4特异性阻断[4,12-13]。此外，EC细胞通过感受机械力刺激释放5-羟色胺(5-HT)，对正常胃肠道分泌、感觉、运动等功能起有重要作用。Wang等[14]通过免疫组化法发现Piezo2在人和小鼠小肠EC细胞中特异性表达，通过构建TPH1阳性且表达CFP的转基因小鼠模型，发现Piezo2特异性定位于CFP阳性的EC细胞内，在介导机械刺激作用下的5-HT分泌中起有重要作用。

②ENS中Piezo1/2蛋白的表达和功能：ENS可调控各种消化道功能，尤其是内脏机械信号的感受、传递和处理过程。Mazzuoli-Weber等[15]发现，Piezo1(20%～70%)在豚鼠、小鼠和人肠肌层和黏膜下层神经丛的神经细胞体和神经纤维中均表达，黏膜下神经丛(50%～80%)的表达高于肌间神经丛(15%～35%)；表达Piezo1的肠肌层神经元同时也表达一氧化氮合酶(60%～100%)，少数表达胆碱乙酰转移酶，表达Piezo1的黏膜下丛神经元共表达血管活性肠肽(40%～90%)。而Piezo2在肠神经元细胞体中的表达非常低，轴突中少量表达。给予Piezo1抑制剂GsMTx4后，肠神经元的机械敏感反应不受影响，表明Piezo1不参与肠神经元的机械敏感反应，在肠神经元的机械敏感性中可能不起主要作用。故Piezo1/2在ENS功能调控中的作用需进一步明确。

③其他：有研究[16]显示，Piezo1蛋白在小鼠胰腺腺泡细胞中丰富表达；人肝内皮细胞中亦可见Piezo1表达[17]。

三、Piezo1/2蛋白在消化系统疾病发生中的作用

1. 肠易激综合征(IBS)：内脏高敏感可能是IBS主要的发病机制，包括机械和化学高敏感，机械高敏感被认为是IBS患者腹痛的最主要机制之一。

研究表明Piezo2与轻触感觉和炎症性异常疼痛有关[18]。李娟等[19]发现Piezo1在人直肠组织中无表达，而Piezo2蛋白在直肠黏膜上皮细胞中丰富表达，定位于黏膜上皮细胞的细胞膜，提示Piezo2可能参与了直肠感觉过程。Wang等[14]发现Piezo2 mRNA在人空肠和小鼠全小肠黏膜中表达，通过改良后的Ussing chamber给予小鼠空肠黏膜瞬时静水压力刺激，黏膜面给予Piezo2阻滞剂Gd3+和钌红，以及Piezo特异阻滞剂D-GsMtx4后，5-HT释放受到明显抑制。说明Piezo2在介导小鼠小肠上皮5-HT分泌中有重要作用。Bai等[20]发现Piezo1和Piezo2在小鼠肠上皮细胞中表达，结肠中的表达高于小肠，且内脏感觉阈值与Piezo2表达呈负相关。说明Piezo2可能为内脏高敏感的潜在生物学标志物。Yang等[18]通过鞘内注射Piezo2 shRNA降低腰骶部背根神经节中Piezo2表达，对照组大鼠对非伤害性刺激的内脏感觉明显改善，而内脏高敏感模型大鼠对伤害性和非伤害性刺激的内脏感觉均明显改善。表明Piezo2可介导不同形式的内脏刺激，在内脏感觉调控中起有重要作用，但具体机制需行进一步阐明。

2. 结肠炎：EC细胞合成人体95%的5-HT，且可在机械或化学刺激下释放5-HT。而5-HT对胃肠道运动、分泌、内脏感觉等生理功能具有重要影响，5-HT异常参与胃肠道疾病如功能性胃肠病、炎症性肠病(IBD)的发生、发展。研究表明，5-HT可促进肠道炎症的发生[21]。特异性敲除肠上皮Piezo1后，小鼠血清5-HT含量下降，可抑制DSS诱导的结肠炎的发生，提示Piezo1可能是治疗结肠炎的新靶点[22]。

此外，肠道菌群可能通过Peizo1参与5-HT的代谢。最新研究表明Piezo1是粪便中单链RNA(ssRNA)的感受器，ssRNA可作为Piezo1的配体促进5-HT合成，而结肠内给予ssRNA降解酶RNase A可降低外周5-HT水平，提示粪便ssRNA-Piezo1轴可能是肠道疾病治疗的潜在靶点[22]。

3. 胰腺炎：胰腺炎与机械力过度损伤明显相关，如胰腺手术中对胰腺的操作、腹部钝挫伤、胆管与胰管交界处结石的堵塞、ERCP术中胰管的反复显影和过度扩张等，均可诱发胰腺炎的发生。Piezo1在胰腺腺泡内有表达，可感知胰管内静态力、剪应力以及膜的拉伸力。Romac等[16]建立了模拟临床操作胰腺的小鼠模型来探讨胰腺体内压力变化对胰腺功能的影响，发现通过向胰管中灌注缓冲盐溶液(pH 7.6)增加胰管压力后，胰腺重量明显增加，血清淀粉酶水平和髓过氧化物酶浓度增加，说明胰管内压力升高可诱发急性胰腺炎。在压力刺激前给予小鼠模型腹腔注射GsMTx4，阻滞Piezo1可改善所有胰腺炎症状，特异性敲除胰腺腺泡细胞内Piezo1可减轻小鼠胰腺炎。而通过向胰管内灌注Piezo1激动剂Yoda1，可导致急性胰腺炎的相关指标显著上升。由此可见，Piezo1参与了胰腺炎的发生。因此，腹部创伤、胰管阻塞、胰腺造影或胰腺外科手术对腺体的压力可能通过Piezo1来介导胰腺炎的发生，阻滞Piezo1可能避免临床胰腺手术或ERCP诱发的胰腺炎，为今后临床使用Piezo1抑制剂预防胰腺炎提供了理论依据。

4. 胃肠道肿瘤：机械敏感离子通道在癌细胞和基质细胞中可感知所处环境的机械刺激，并对机械刺激作出反应，包括细胞迁移、增殖、组织浸润、或(肌)成纤维细胞存在下的肿瘤纤维化。机械敏感离子通道可通过局部钙内流来调节细胞迁移，从而阻断肿瘤转移过程[23]。Piezo1是非选择性机械敏感离子通道，其表达异常与多种组织类型的肿瘤发生相关，如乳腺癌、肺癌等。Li等[24]的研究发现乳腺癌MCF-7细胞中Piezo1 mRNA高表达，且高表达Piezo1 mRNA的乳腺癌患者的死亡风险比更高，生存期更短。但Piezo1在非小细胞肺癌肿瘤组织中表达下调[25]。

Yang等[11]发现在胃癌细胞株SGC-7901和BGC-823中，Piezo1通过与三叶因子家族1(TFF1)相互作用促进胃癌细胞迁移，提示Piezo1可能成为针对胃癌侵袭和转移的治疗靶点。Zhang等[26]发现Piezo1在胃癌细胞株和原发性胃癌肿瘤样本中的表达增加，且高表达者的远期预后较差。通过两个胃癌数据集的基因集富集分析(GSEA)显示，在Piezo1高表达病例中，MYC癌基因、常见癌基因和CCND1显著富集，说明Piezo1为胃癌发生的潜在癌基因。采用siRNA方法敲除胃癌细胞中Piezo1表达后，致癌作用受到明显抑制，且对肿瘤药物顺铂或5-FU的敏感性明显提高。此外，低表达Piezo1还可导致胃癌细胞骨架重组，在细胞迁移和侵袭中发挥作用。因此，Piezo1在胃癌发展中发挥重要作用，为胃癌的治疗策略提供了靶点。

Sun等[27]的研究发现，低分化结肠腺癌组织中Piezo1表达高于高分化结肠腺癌和低分化结肠腺癌邻近正常组织；生存分析显示Piezo1高表达组的总体存活率更低。此外，Pieoz1表达与血管侵袭显著相关。对HCT116和SW480结肠癌细胞进行细胞活力、迁移功能的分析，结果发现过表达Piezo1可促进结肠癌细胞凋亡和迁移。因此，Piezo1与结肠癌细胞的生存能力、凋亡、迁移有关，而Piezo1-MCU-HIF-1α-VEGF信号通路可能为其中的分子机制。此外，Spier等[28]在结直肠腺瘤性息肉病患者中发现存在Piezo1突变，提示Piezo1可能与结肠息肉的发生有关。

5. 肝纤维化：肝窦内皮细胞(LSEC)是特定的内皮细胞，不断暴露于由门静脉从胃肠道带来的抗原中，在肝脏免疫调节中起重要作用，LSEC免疫功能失调会引起肝脏的慢性炎症和纤维化[29]。LSEC能调节肝星状细胞(HSC)的表型变化，从而影响HSC分泌纤维化的细胞外基质(ECM)。由于排列于血窦的LSEC直接与血流接触，因此暴露于剪切应力和血压的变化中，感知机械力作用后LSEC的变化可能迅速改变HSC表型并促进纤维化发生。Piezo1蛋白表达于LSEC细胞膜上，被剪切应力激活后可触发钙流入细胞。Hilscher等[30]通过周期性拉伸实验模型发现在机械力作用下，整合素可能通过肌球蛋白激活Piezo1阳离子通道，Piezo1与Notch1受体相互作用，通过产生转录因子Hes1和Hey1来激活Notch靶基因。在肝细胞或LSEC中，Notch通路的激活可诱导HSC活化，并促进LSEC分泌趋化因子CXCL1，CXCL1的释放可募集中性粒细胞，后者促进微血栓形成以及门静脉高压和肝纤维化。因此，机械刺激作用于LSEC可导致潜在的HSC激活以及中性粒细胞募集，干预Piezo1有可能恢复HSC表型，减轻门静脉高压和肝纤维化，为肝纤维化提供了一种新的治疗策略。

四、总结和展望

机械敏感通道蛋白作为一类在生物体内广泛分布的离子通道蛋白，其结构异常和功能障碍与多种疾病的发生、发展密相关。Piezo1/2在胃肠道、胰腺、肝脏等消化器官中均有表达，参与包括IBS、肠道炎症、胃肠道肿瘤、胰腺炎以及肝纤维化在内的消化系统疾病的发生、发展，此外，Piezo1/2可能在肠道通透性改变、肠道菌群代谢等过程中发挥重要作用，但具体功能和机制需行更多研究来明确。对Piezo1/2在消化系统疾病发生中的作用进行深入研究，可能为相关消化系统疾病的治疗提供新的方向。