Piezo1在呼吸系统疾病中的研究进展

蒋诗音 蒋永亮

Piezo1是目前已知最大的机械门控阳离子通道蛋白,与人体多种生理功能有密切联系,该基因缺失会导致先天性肺发育不良以及肺癌,过表达会引起肺炎、肺纤维化、哮喘、肺动脉高压,加重ARDS。因此,该通道或许可以成为预测、诊断以及治疗肺疾病的候选基因,通过筛选相关标志物,对疾病进行分型,指导临床诊疗。研发特异性激活或抑制通道的药物有希望阻断疾病的发展,但由于其生物作用广泛,尚无相关药物面世,其特异性药物的研发仍有待探索。

一、Piezo的结构

2010年,Coste B.等人首次介绍介导阳离子内流的机械门控离子通道-Piezo蛋白家族,编码这种蛋白的基因是从鼠源神经母细胞瘤细胞系(Neuro2A细胞)中筛选出来的[1]。Piezo1由2547个氨基酸组成,分为114个跨膜单位,是目前已知的最大的阳离子通道,主要包括中央帽、三个外周的悬臂以及三个长的螺旋梁[2]。

二、Piezo1的功能

Piezo1与生长发育、炎症以及增殖转移等生理过程均有密切的联系。在生长发育过程中,存在于尖端细胞的Piezo1感知机械力的变化[3],激活金属蛋白酶(MT1-MMP)以及一氧化氮合酶(NOS),相互平衡决定血管以及纤维的走向,敲除Piezo1通路的小鼠在胚胎时期死亡[4]。在急性炎症过程中,Piezo1促进各种炎症因子如HIF-1α、IL-6、IFN-α、CXCL2等分子的表达,上调T细胞的功能,促进免疫反应,有利于肺部的病原体清除[5],若炎症迁延不愈,则会损害机体正常的功能,水解细胞间紧密连接[6],使正常的上皮细胞过度凋亡,造成哮喘、肺纤维化以及肺动脉高压等疾病。除此之外,在增殖转移的过程中,Piezo1可以促进细胞周期G2/M的转变,肿瘤组织的血管的生成,使细胞失去粘附性,促进癌细胞的迁移以及侵袭[7]。通道功能总结图(见图1)。

图1 Piezo1通道的总结图

三、与肺疾病的关系

肺脏血管内皮细胞受到复杂的呼吸力学和血流动力学的变化,现有的研究发现Piezo1与肺炎、肺癌、先天性肺发育不良、ARDS、肺纤维化、肺动脉高压、呼吸机相关肺病以及哮喘等疾病都有十分密切的关系。接下来将简要阐述Piezo1在肺疾病中的研究进展。

1. 先天性肺发育不良

肺部血管以及气管的形成均需要机械力的刺激来激活相关通路。Jing Li等人发现在小鼠[8]以及人[9]胚胎内皮细胞中敲除Piezo1基因后会导致胚胎血管发育不良,导致胚胎的死亡。因其诱导血管的萌芽以及血管内管腔形成的尖端细胞上存在Piezo1通道[3],可以感知组织力学的变化,激活Piezo1通道钙离子内流并激活模型MT1-MMP抑制血管的分支与扩展,激活NOS来促进血管的萌芽与分支[4],两者相互平衡决定血管纤维和细胞的走向[10]。

2. 肺炎

肺炎是指终末气道、肺泡、肺间质的炎症。机械-免疫信号通路是一种促炎的重编程状态,Piezo1、Toll样受体(TLRs)以及整合素协同作用,感知周围的组织机械力的刺激,促进钙离子内流,激活活化蛋白-1(AP-1)、促进内皮素(EDN-1)的表达,促进缺氧诱导因子(HIF-1α)的积累[5],增加白介素-6(IL-6)以及α干扰素(IFN-α)的表达,促进炎症反应,协助清除肺内细菌的感染。此外,还可以调节免疫系统的功能来对抗肺炎,在T细胞中增加T细胞受体(TCR)的敏感性,钙离子内流激活钙调蛋白形成皮层肌动蛋白支架,上调T细胞的功能[11],抑制Treg细胞的活性,激活CD4+T淋巴细胞,促进免疫反应[12]。因此,Piezo1在肺炎中可以促进炎症反应,提高免疫细胞的功能来增强机体对于病原体清除的能力。杨凯等人发现新型冠状病毒的刺突蛋白受体结合域慢性暴露(24-72h)可以通过激活Piezo1上调内皮细胞的钙离子水平,导致细胞凋亡和血管异常重塑,使用Piezo1抑制剂可以显著缓解凋亡的发生,有助于防治和管理长期新冠血管并发症[13]。

3. 肺纤维化

肺纤维化的肺组织硬度要高于正常组织,Piezo1可以感受组织硬度增加[14],介导成纤维细胞向肌成纤维细胞转变[15,16],促进肺纤维化的进展。Piezo1还可以与转化生长因子β1(TGF-β1)形成正反馈机制[17],诱导上皮间充质转化(EMT)的发生,下调Piezo1的表达或许可以减轻持续的慢性炎症反应。方向志发现Piezo1通过介导Ca2+内流以及ATP释放来调控机械牵张促进的人肺上皮细胞上皮-间质转化,从而促进肺的纤维化[18]。在肺纤维化患者中,肺脏硬化会进一步增强机械敏感离子通道介导的机械转导并加剧ARDS的进展[19]。铁超载以及活性氧是肺纤维化原因之一,郭雪微研究发现电离辐射可以诱导小鼠Piezo1表达增多,Piezo1抑制剂可以逆转电离辐射或Piezo1激动剂导致的肺上皮细胞铁死亡现象[20,21]。

4. ARDS以及呼吸机相关性肺炎

ARDS是一种肺的急性损伤,机械转导失调是呼吸机诱导的ADRS的主要因素之一[19]。Liang G.P.等人实验发现在肺泡Ⅱ型上皮细胞中表达的Piezo1被敲除之后可以减少钙离子的内流,减少肺泡上皮细胞的凋亡[22]。Knecht R.S.等人发现免疫细胞可通过Piezo1感受静水压的升高,激活单核细胞,钙离子内流导致内皮素-1(ET-1)表达与分泌增加,稳定缺氧诱导因子α(HIF-α),增加单核细胞炎症趋化因子(CXCL2)的分泌和表达,中性粒细胞沿CXCL2的浓度迁移到基质中促进炎症反应[23]。Zhang Y.等人发现使用通道抑制剂GSMTxT4能减轻呼吸机导致的肺损伤,减轻肺组织的病理改变、肺组织含水量以及蛋白的渗漏,减少全身炎症介质的产生[24]。ARDS通常使用小潮气量机械通气,大潮气量反复的机械拉伸会激活Piezo1通道,钙离子内流激活钙蛋白酶,水解酪氨酸激酶,导致肺泡细胞间介导紧密连接(AJs)的粘连蛋白屏障断裂,破坏肺泡血管通透性,进一步加重肺损伤[25,26]。方向志在对ARDS相关肺纤维化的小鼠模型进行机械通气后,发现Piezo1在机械牵张加重ARDS相关肺纤维化中有重要作用[18]。因此,在ARDS的患者中,下调或者抑制Piezo1通道能减少肺的上皮细胞的凋亡,减少炎症反应,保护肺泡-毛细血管屏障,有利于ARDS患者的恢复。

5. 哮喘

有研究显示哮喘小鼠的Piezo1表达要明显高于正常小鼠[27],紧密连接的受损是这一病理过程发生的始动因素之一[28]。哮喘急性发作时,会产生呼气末肺泡正压(iPEEP),iPEEP是由于呼吸道痉挛、水肿和黏液阻塞,Piezo1感知正压,钙离子内流增加,钙蛋白酶激活,水解细胞间的紧密连接,呼吸道上皮的通透性增加,导致感染的风险增加和呼吸道高反应性。因此,下调或者阻断Piezo1的表达或许可以缓解哮喘患者的气道炎症反应。

6. 肺动脉高压

Piezo1是存在于肺内动脉内皮细胞和平滑肌细胞的机械应力传感器,肺动脉高压(PAH)患者与对照组相比,Piezo1显著上调,通道活性增加,调节钙离子的膜内外浓度从而调节血管压力[29]。Porto Ribeiro等人发现PAH早期激活Piezo1,钙离子内流、内皮依赖性超极化以及Akt激活内皮型一氧化氮合酶(Akt-eNOS),合成NO舒张肺血管,低氧环境饲养小鼠3周后会介导肺血管收缩[30,31]。Piezo1也会激活炎症通路,产生有害的离子如过氧化亚硝酸离子(ONOO-)损伤血管内皮组织,重塑肺动脉血管壁,造成肺动脉的压力升高[32]。Piezo1上调还能引起Notch配体的表达增加,抑制内皮细胞以及平滑肌细胞的凋亡,引起肺动脉血管的中膜增厚,内膜损伤以及肺动脉的收缩性增强[33], 因此,提示在肺动脉高压的患者中使用Piezo1的抑制剂可以成为治疗肺动脉高压的靶点之一[34]。

7. 肺癌

Piezo1在常见的实体瘤如乳腺癌等中上调,在肺癌中的表达远远低于癌旁组织[35],提示Piezo1在肺部的表达可以抑制肺癌的进展和转移,其中的机制尚未研究清楚,本文主要简述已报道的其中可能存在的机制。肿瘤组织的硬度多数比正常的癌旁组织要大,细胞间的相互作用力大[36],激活Piezo1可促进细胞周期G2/M的转变,促进细胞的增殖分化[37]。Piezo1对钙离子选择性通透,钙离子是第二信使离子,与肿瘤转移相关的多种通路有关,钙稳态在肿瘤的发生中至关重要[7],而肿瘤组织特征性的高度缺氧和酸性的环境与钙信号的相互作用会稳定Piezo1的失活状态减少细胞的凋亡,促进肿瘤细胞的增殖[34]。McHugh等人发现敲除Piezo1基因会降低整合素β1(Integrin-β1)的表达[38],使细胞丧失对周围环境的机械刺激的感知力,细胞失去粘附性,贴壁功能消失[39],促进肺部肿瘤的迁移和侵袭。王佳等人通过对收治的心胸外科病人的肺癌组织进行研究发现其Piezo1的相对表达量明显高于癌旁组织,用慢病毒介导siRNA沉默Piezo1后,非小细胞肺癌细胞系细胞增殖和侵袭能力降低且裸鼠模型中肿瘤的成瘤体质量降低[40]。因此, Piezo1在未来或许可以成为诊断肺癌的和预后判断的生物标志物。

四、预测、诊断以及治疗疾病

先天性肺发育不良患者可检测Piezo1是否存在缺失或突变;大多数纤维化疾病以及慢性炎症疾病中表达上调,可成为诊断的候选标志物;肺癌组织Piezo1基因表达缺失率大,低表达会促进肿瘤的迁移和总生存率(OS)下降[41],可以作为肺癌潜在的诊断以及预后的肿瘤标志物,预测组织学分级和淋巴转移[35]。但是其在体液中的表达水平和化学稳定性尚未得到相关的研究[42],可通过大规模、多中心的临床实验,将Piezo1基因突变的患者的体液及组织标本进行测试,寻找相关的潜在标志物集,通过标准化的检测方法对其基因组学、转录组学、蛋白质组学进行分析与定量检测,筛选出高特异性的标志物,确定其用于区分肺病患者的阈值,从而对疾病分型以及指导临床诊疗。

其通道药理学研究的阻断剂有镧系元素、氨基糖苷类抗生素、钌红以及GsMTx-4[43],特异性激活剂有Yoda1、Jedi1和Jedi2,开发组织特异性药物可以实现在分子水平上阻断疾病的发展[35,44]。但其药理作用仍局限于溶解性和稳定性较差的低亲和力药物,无法在体内使用。在中医药领域,七叶皂苷[45]以及毛蕊异黄酮[46]通过调节Piezo1的表达水平来改善静脉炎症以及促进内皮细胞再生。除此之外,物理方法如超声波也可以进行通道功能调节[47]。

五、结论和展望

综上,Piezo1基因在肺部疾病中存在突变以及表达异常,可以成为诊断肺部疾病的候选基因,进一步深化研究,为临床诊断以及预后指导诊疗提供依据。在肺癌、肺纤维化以及肺部慢性炎症中使用特异性阻断剂可以减少肿瘤细胞转移、部分逆转上皮间质转化、减轻炎症反应,达到治疗疾病的效果,但由于Piezo1的功能十分复杂,在体内广泛表达,需要更全面的研究有针对性地进行干预,预防其他器官功能紊乱的副作用,如何研发更具有特异性的Piezo1靶向药物且安全有效的使用亟待研究。