机械门控阳离子通道Piezo1 与骨形成

杨楠 殷俊辉 张长青

生理状态下，骨骼不断进行生长与破坏，两者维持动态平衡，此即为骨稳态。骨稳态受到机械力刺激的调控，这一现象早被发现，临床常见的受伤制动后骨质疏松或航天员在失重环境下发生骨质疏松就是典型例子，称为废用性骨质疏松，但其具体机制尚未阐明。人和小鼠的长骨中，机械门控阳离子通道Piezo1 在成骨细胞、破骨细胞、骨细胞的细胞膜上均有表达，由于能够直接响应机械力的特性，Piezo1 在成骨受力调控过程中起到的作用受到了广泛的关注，学者们在体外、动物模型和临床层面都进行了研究，结果提示Piezo1是骨受机械力刺激的关键感受器，它展示出成为新的临床治疗靶点的潜力。

1 力与成骨

1892 年，德国医生Wolff 提出了著名的“沃尔夫定律”，指出骨骼的生长和重塑是对所受应力的响应，这在运动员中尤为常见，例如网球运动员的惯用手骨密度明显大于非惯用手[1]，棒球、篮球、体操等受高冲击力项目的运动员较跳水、游泳、划船等项目的运动员骨密度更大[2]。相反，低负荷状态下人体的骨量会快速降低，且负重部位（如下肢）较不负重部位（如上肢）骨量丢失更快。有研究显示，卧床患者在伤后6 周内，胫骨远端和髋部骨密度下降3%以上[3]；脊髓损伤截瘫患者在受伤后的第1 年，瘫痪部位每月损失2%～4%的骨量[4]；外伤后单侧肢体制动和中风偏瘫患者患侧骨骼出现明显的骨量下降，而健侧则不受影响[5]；微重力的航天工作环境也是典型的低负荷环境，航天员的脊柱骨密度每月下降0.9%，髋部骨密度每月下降1.4%～1.5%[6]。

骨是一种高度动态的结缔组织，成骨细胞起到形成新骨的作用，而破骨细胞则负责吸收清除旧骨。骨细胞在骨稳态的维持上也十分重要[7]。成骨细胞、骨细胞、破骨细胞都参与机械力对骨稳态的调节。这些细胞感受机械力刺激的结构包括整合素、离子通道、接合素、G 蛋白偶联受体、初级纤毛等[8]。

2 力学感受器Piezo1 的发现

2010 年，Coste 等[9]在小鼠神经母细胞瘤细胞系中发现了机械力敏感的阳离子通道蛋白Piezo1/2，其长度为2 100～4 700 aa，包括38 个跨膜结构域。其中Piezo1 广泛分布于血管、红细胞、泌尿系统、骨骼中，并参与细胞迁移[10]。Piezo1 以三聚体的形式在细胞膜上形成离子通道，静息状态下3 个单体围绕中心的通道向周围伸出3 个螺旋结构为主的臂。Piezo1 通道的侧面向膜内凹陷，构成1 个穹顶形结构[11]。细胞膜张力增大时，Piezo1的结构可以响应机械力的刺激进行改变，从穹顶形结构伸展为1 个平面结构[12]。

3 Piezo1 与骨稳态

由先天的Piezo1基因突变引起的骨骼表型差异已有报道。对英国Biobank 数据库47 万个样本的数据进行荟萃分析显示，Piezo1 在人群中的基因多态性与骨密度相关；Piezo1基因单核苷酸多态性（SNP） rs62048221 等效基因T 拷贝可使携带者的跟骨骨密度降低0.003 5 g/cm2[13]。Piezo1基因突变可能导致腰椎间盘退行性变及头骨骨板较薄等[14]。而Piezo1基因严重变异的病例可出现骨骼受累表型，包括婴儿期多次骨折、胸腰椎脊柱侧弯、身材矮小和面部骨发育不全[15]。

Piezo1 在骨细胞、成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞中均有表达[6]，与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 等信号通路密切相关[16]，参与了成骨细胞系及骨膜细胞、血管内皮细胞、软骨细胞等介导的骨生长和重塑过程。Piezo1 影响骨的机制为影响骨形成、调控间充质干细胞分化、调控成骨细胞和骨细胞参与成骨等。

3.1 Piezo1 影响骨形成

软骨成骨和骨膜成骨是哺乳动物形成骨的重要途径，其过程需要Piezo1 参与。研究显示，对小鼠软骨细胞特异性敲除Piezo1基因，结果出现严重的骨质疏松和频发的自发性骨折[17]。受机械负荷后，全骨膜细胞（WPC）和骨髓源性巨噬细胞（BMDM）上的Piezo1 表达上调，并介导CD68+F4/80-骨髓细胞分化为CD68+F4/80+巨噬细胞，分泌激活转化生长因子（TGF）-1，从而促进骨膜成骨过程[18]。

3.2 Piezo1 调控间充质干细胞分化

Piezo1 受静水压的调控，从而影响间充质干细胞分化为成骨细胞的过程。研究显示，升高静水压或使用Piezo1 激活剂处理体外培养的间充质干细胞，结果细胞骨形态发生蛋白（BMP）-2 表达上调，促使其分化为成骨细胞，抑制其分化为脂肪细胞，而Piezo1 抑制剂则起到相反的效果[19]。体内实验研究显示，骨小动脉周细胞龛中骨连接素阳性的间充质干细胞可分化为成骨细胞，这些细胞被证实可通过Piezo1 感受动脉管壁传导机械力刺激而促进成骨，敲除其中的Piezo1基因可抑制间充质干细胞分化为成骨细胞，而静脉周的间充质干细胞则不受Piezo1基因敲除的影响，可能是静脉管壁较薄而传递机械力能力较弱的缘故[20]。

3.3 Piezo1 调控成骨细胞和骨细胞参与成骨

敲除骨组织中的Piezo1基因会导致骨质疏松。实验研究显示，特异性地敲除小鼠成骨细胞中的Piezo1基因，小鼠出生8 周后出现了显著的发育迟缓，四肢长骨骨密度、骨体积、皮质骨厚度、骨小梁数量、骨小梁厚度均降低，而骨小梁间距增加，胫骨中成骨细胞分化标志蛋白Ocn、Ⅰ型胶原1 及血清中Ocn、Ⅰ型前胶原蛋白N 端前肽（PINP）水平显著下调，但不承重的颅骨并没有明显变化[21]。Li 等[22]也发现，Piezo1基因敲除后，小鼠发育过程中骨膜和皮质的矿化表面积减少，单位面积骨形成率也减少，常发生自发性骨折，力学测试发现骨的刚度和极限力降低，但杨氏模量和最终应力没有明显变化，皮质骨的矿物质密度也没有变化。Wang 等[21]研究发现，敲除骨细胞中的Piezo1基因，小鼠也出现类似的进行性骨质疏松，骨硬度和骨小梁数量降低。

Piezo1基因敲除可降低骨骼对机械力刺激的敏感性。实验研究显示，Piezo1基因敲除小鼠即使增加负荷和运动量，骨量上升仍少于野生型小鼠[23]；使用尾悬吊模型降低Piezo1基因敲除小鼠的负重，结果并没有出现更严重的骨量丢失[21]。这些实验结果表明Piezo1是成骨细胞、骨细胞感受机械力刺激并作出响应的关键基因。

Piezo1 在成骨细胞系中的表达可能主要受液体剪切力的调控。体外实验研究表明，生理范围内的震荡可以上调成骨细胞系MC3T3-E1 的Piezo1表达水平，激活钙离子内流，刺激钙调神经磷酸酶，并激活Akt/糖原合成酶激酶（GSK）-3/-连环蛋白信号通路，上调Runx-2 表达[24]。另一项研究发现，流体剪切力可以通过骨细胞上的Piezo1 通道激活Notch3 信号通路，上调骨保护蛋白（OPG）表达，并下调核因子-B 受体活化因子配体(RANKL)表达，从而可能抑制破骨细胞的生成[25]。骨细胞受拉伸时的机械力刺激信号可被Piezo1 感知，激活PIK3/Akt 信号通路，下调骨细胞中骨硬化蛋白的表达[26]。

3.4 Piezo1 与破骨

Piezo1 可能参与调节破骨细胞的活性。假体周围体液流动产生的液体剪切力可能促进了破骨细胞的活性，导致骨吸收。不同振幅和频率的液体剪切力可能对骨稳态有相反的作用：低频、高振幅的刺激促进骨吸收，而高频、低振幅的刺激促进了骨生长[27]。这也提示Piezo1作为机械力感受器，对于不同的机械力刺激存在功能多样性。值得一提的是，Piezo1基因敲除后，成骨细胞和骨细胞的形态没有变化，体外培养的成骨细胞仍然能够正常分化，Piezo1基因缺失也不会促进骨细胞凋亡[22]，说明Piezo1基因敲除引起的骨质疏松由骨矿化减少、骨吸收增加导致。但Wang 等[21]直接在小鼠的破骨细胞中敲除Piezo1基因，并未观察到明显的表型。

4 Pizeo1 与骨科疾病

许多骨科疾病与力学刺激相关。骨折修复需要一定的负荷锻炼，椎间盘退行性变和骨关节炎的发生被认为与长期的机械力刺激相关。而Piezo1作为重要的机械力感受器，参与这些过程。

4.1 Piezo1 与骨修复

Piezo1 参与了机械力刺激骨折修复的过程。研究显示，在小鼠骨折组织细胞中降低Piezo1 的表达，小鼠骨折愈合延迟，矿化受损，实验组受伤处骨量显著低于对照组；使用Piezo1 特异性激活剂Yoda1 处理骨折后，小鼠骨折部位的骨体积分数（BV/TV）、骨密度显著增加；小鼠骨折经Yoda1 处理7 d 后，骨折部位软骨增加，14 d 后骨痂吸收和矿化增加，显示Piezo1 在骨折修复早期起到了促进骨折恢复的作用[28]。骨折修复需要成血管过程参与，血管内皮细胞上表达的Piezo1 可能通过Akt和Notch 信号通路直接参与骨折修复过程。内皮细胞Piezo1基因缺失导致血管化过程中钙蛋白水解酶活性下调，从而抑制成骨细胞成熟和骨化。此外，Piezo1基因敲除也导致PI3K/Akt、Notch 等其他介导骨折愈合的信号通路下调，从而使骨折愈合延迟[29]。

低强度脉冲超声促进骨折愈合的方法在临床已有应用。Zhang 等[30]报道，30 mW 的超声脉冲刺激可以激活成骨细胞前体细胞表面以Piezo1 为主的各种离子通道，增加钙离子内流，并激活Erk1/2磷酸化和细胞骨架聚合，最终促进成骨细胞前体细胞增殖和迁移。实验研究显示，使用120 Hz 的压电微震动（PMVS）治疗卵巢切除小鼠骨质疏松，4 周后小鼠骨强度明显改善，成骨细胞数量增加，破骨细胞减少，并激活了Wnt 信号通路和mRNA-29a 表达[31]。有研究发现，利用钛纳米管的表面效应可以促进损伤骨的修复，治疗过程中损伤骨组织Piezo1 表达显著升高，通过Yap 信号通路起到了促进骨折愈合的作用[32]。

4.2 Piezo1 与椎间盘退行性变

Piezo1 在髓核细胞中有表达。椎间盘退行性变患者髓核硬度（弹性模量）增高，病变部位Piezo1表达上调[33]。Wang 等[34]研究发现，在硬度较大的基质上培养髓核细胞，会上调Piezo1 表达，增加细胞内钙离子水平，引起细胞形态变化，敲低或使用GsMTx4 阻断Piezo1基因可抑制髓核细胞上述变化；动物实验也发现，敲低髓核细胞的Piezo1基因可缓解椎间盘退行性变。研究显示，Piezo1 可通过钙离子和核因子（NF）-B 信号激活髓核细胞NOD 样受体热蛋白结构域相关蛋白（NLRP）3炎症小体，并上调含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase）-1 及衰老相关蛋白如p53、p16 和炎症因子如肿瘤坏死因子（TNF）-、白细胞介素（IL）-6、IL-1表达[35-36]，这可能引起细胞的线粒体功能障碍并影响了细胞自噬，导致细胞内钙离子和活性氧增加，最终改变细胞形态，抑制细胞外基质合成。

4.3 Piezo1 与骨关节炎

有研究证实，Pizeo1 高表达与骨关节炎进展有关。骨关节炎动物模型研究显示，炎症因子IL-1能刺激软骨细胞表达Piezo1，使细胞内的基础钙离子升高，引起肌动蛋白分解。更重要的是，胞内钙离子升高又会刺激炎症通路，表达更多的骨关节炎相关炎症因子，从而形成前馈机制，引起骨关节炎不断进展。使用Piezo1 阻断剂GsMTx4 可以消除这种影响，减缓骨关节炎的发展[37]。这为骨关节炎治疗提供了新的潜在靶点。

4.4 Piezo1 与青少年骨骼生长

青春期骨骼生长停止可能与体质量增加引起的Piezo1 激活有关，较大的负荷可激活Piezo1基因，上调激酶FAM20C 表达，并促进牙本质基质蛋白(DMP)-1 分泌。DMP-1 抑制血管内皮生长因子（VEGF）信号通路，导致骨骼成骨和成血管能力降低，骨骼生长随之停止[38]。

5 结语

机械门控阳离子通道Piezo1 广泛分布于全身各种组织中，是细胞感受机械力刺激的重要基础结构之一。骨受机械力的调控过程较为复杂，不但成骨与破骨需要维持平衡，而且骨骼的结构形态需要适应力的刺激。Piezo1 作为基础的力学感受器，为骨中各类细胞提供了机械力刺激的信号输入，而不同细胞根据机械力刺激所作出的反应具有特异性：在椎间盘和关节软骨中，这种力学信号与炎症通路关联，导致椎间盘退行性变和骨关节炎，而在骨中则促进了成骨过程，维持骨量。因此，Piezo1 具有广泛的临床应用潜力。此外，由Piezo1相关研究作为切入点，对全身不同力学特征的骨骼进行深入研究也颇具前景。