機械敏感性離子通道Piezo1在心血管疾病中的研究進展*

劉佳麗， 徐攀高， 張 蕾， 李 超， 張 丹， 楊雯晴

（山東中醫藥大學，山東濟南250000）

心血管疾病（cardiovascular diseases，CVD）是世界范圍內威脅人類健康的主要疾病，也是21 世紀中國所面臨的主要公共衛生問題之一。在許多國家和地區，CVD 的死亡率高居榜首。截至2018 年，中國的 CVD 患病人數達到 2.9 億［1］。機械敏感性離子通道（mechanosensitive ion channels）是一種能夠感受細胞膜機械力變化并迅速做出反應的離子通道，廣泛分布于各組織器官，參與生物體內的多種生理過程，同時可以將膜感受到的機械信號轉化為電信號或化學信號［2］。近年來在無脊椎動物和脊椎動物中發現了許多新的機械敏感性離子通道，包括瞬時受體電位（transient receptor potential，TRP）超家族離子通道、退化蛋白/上皮鈉通道（degenerin/epithelial sodium channel，DEG/ENaC）家族、電壓門控性鉀通道（voltage-gated potassium channel，Kv）、跨膜通道樣蛋白（transmembrane channel-like proteins，TMC）和Piezo 蛋白［3］。其中，Piezo 離子通道是機械激活的離子通道，作為機體重要的力傳感器，對于各種生理過程都是必不可少的，如血壓調節、血管發育等［4-7］。Piezo 離子通道存在于整個心血管系統中，可以將精細的力傳感與調節Ca2+內流結合起來，通過敏銳的感知生理力量的能力和在毫秒時間尺度上將力量轉換為細胞反應的能力，在內皮剪切應力傳感、一氧化氮（nitric oxide，NO）生成、血管張力、血管生成、血管通透性、血管重塑、壓力感受器反射等方面發揮了重要作用［8］，與心血管系統息息相關。因此，Piezo 離子通道對CVD的影響近年來成為學術界的研究熱點。本文重點就Piezo1 對CVD 的作用機制進行歸納總結，以期為下一步的研究提供依據。

1 Piezo1機械敏感性離子通道概述

Piezo 離子通道是由 Coste 等［9-10］發現的一類機械敏感性非選擇性陽離子通道，該通道家族包含有Piezo1和Piezo2兩個結構和基因類似的蛋白，在許多真核細胞類型中誘導機械敏感性陽離子電流，是機械力與生物信號之間的重要連接［6］。2010 年，Patapoutian 實驗室［10］在壓電驅動的壓力刺激的小鼠神經母細胞瘤細胞系Neuro2A 中通過選擇已知的陽離子通道和功能未知的蛋白質并敲除其基因后，發現Fam38是Neuro2A 細胞系產生電流必不可少的基因。鑒于Fam38A編碼一種由壓力激活的離子通道表達所需的蛋白質，將這個基因命名Piezo，意為壓力。從結構上來看，Piezo1是一個三聚體螺旋槳結構（約900 kD），細胞結構域類似3 個遠端刀片和一個中央帽，跨膜區域每個亞基有14 個明顯解析的片段，這些片段形成3 個外圍翅膀和一個中心孔隙模塊，包圍 1 個潛在的離子傳導孔［3，5，11］。膜內 Piezo1通道的中心由6 個跨膜螺旋組成，呈三角形排列。相當靈活的細胞外葉片結構域通過3 個長的束狀結構連接到細胞內中央結構域。人類Piezo1 由2 521個氨基酸組成，大約26～40 個跨膜結構域，是目前人類已知的跨膜最多的分子。Piezo1 在機械力的作用下激活，可增加機體流體流量、膜張力、膜硬度和壓力［10］。Piezo1基因缺失將導致細胞無法通過機械敏感性離子通道感受外界環境壓力的變化，從而影響其結構和功能［12］，導致CVD的發生。

2 Piezo1對血管內皮細胞功能的調節作用

血管內皮細胞是血管壁的內層，與血流直接接觸，對各種化學和機械刺激具有穩態作用。血管內皮細胞受損，血管功能穩態失衡，是諸多心腦血管疾病的共同病理基礎。Piezo1 是一種在血管內皮細胞表達的拉伸激活離子通道，是早期血管發育所需的關鍵內皮機械傳感器，它的缺失將改變血管結構［13］。Rande 等［14］發現 Piezo1 在小鼠發育中的血管內皮細胞中表達，敲除Piezo1可導致妊娠中期小鼠因血管重建發生障礙，出現胚胎生長遲緩、心包積液和血管形成缺陷［6］。該研究結果強調了Piezo1 在胚胎發育期間對血管發育的重要作用。小鼠胚胎中的血管發育受到血流動力的影響［14］。Lucitti等［15］發現，在發育中的血管內皮細胞上施加局部剪切應力可誘導小鼠卵黃囊中的重塑。Piezo1 可以介導流體剪切力而引起動脈擴張，血管平滑肌細胞對血流的反應可以在短時間內發生，使動脈管徑變寬；如果高流量持續存在，來自血管內皮細胞的血流依賴信號會導致動脈壁重構，以擴大動脈管腔［16］。

剪切應力是血管內皮細胞對血流作出反應的主要機械力類型。血管內皮細胞暴露在未受干擾的層流剪切應力下，可誘導細胞形狀、排列、表面糖萼和細胞骨架組織的變化［17］。相反，暴露于受干擾的層流剪切應力下會導致血管內皮細胞的周轉和衰老，增加氧化應激，出現細胞骨架和細胞間連接蛋白的組織變化，類似于在體內動脈血管病變多發區［16，18］。Piezo1 通道作為血流傳感器的重要性體現在Piezo1對剪切應力誘發的離子電流和血管內皮細胞中Ca2+內流的依賴性，Piezo1 依賴性Ca2+內流可以調節多個下游信號傳導途徑并通過多效機制影響血管重塑［14］。一項對外科肝切除術患者肝血管內皮細胞的研究發現，Piezo1 通道在剪切應力傳感和與Ca2+進入相關的血管內皮細胞中發揮了重要作用［19］。Piezo1可以介導胞質Ca2+的升高，并刺激轉谷氨酰胺酶的活性，影響小動脈血管結構重塑［13］。但血管重塑過程中血流動力對血管內皮細胞的直接影響尚不清楚。Li等［19］通過跟蹤綠色熒光蛋白（green fluorescent protein，GFP）標記的Piezo1 的亞細胞定位，發現Piezo1通道作為剪切應力傳感器，可促進血管內皮細胞在流動方向上的組織和排列。血管內皮細胞中Piezo1的丟失會引起應力纖維和細胞排列的缺陷，從而導致Piezo1 的機械轉導與血管內皮細胞形態的調節難以建立聯系［14，19-20］。

Piezo1在多種生理過程中具有廣泛的作用，除了感知血流的剪應力，以促進血管發育，還能控制細胞遷移和分化。研究表明，低密度脂蛋白的氧化是導致血管內皮細胞損傷的主要原因之一，低密度脂蛋白與氧化低密度脂蛋白受體1 結合，誘發血管內皮細胞凋亡，降低NO 水平。NO 由 NO 合成酶（NO synthase，NOS）催化合成［21］，內皮型 NOS（endothelial NOS，eNOS）能生成低濃度的NO，從而維持正常的內皮功能和結構完整性。Li等［19］發現，Piezo1與NOS相關，敲除Piezo1后在人臍靜脈血管內皮細胞及小鼠主動脈中均觀察到NOS 表達量的減少，血管內皮細胞的遷移受到抑制。

3 Piezo1在調節動脈粥樣硬化中的作用

動脈粥樣硬化是臨床最常見的慢性病之一，是心腦血管疾病共同的病理基礎。它的病變好發于血流緩慢或流動受干擾的部位，為低剪切應力或振蕩剪切應力區域［22］。當血管在低壁剪切應力作用下，失去對血管內皮細胞的生理流動導向排列，低密度脂蛋白積累增加，促進平滑肌細胞的增殖及巨噬細胞的遷移和炎癥反應，可加速動脈粥樣硬化的發展。相反，生理上較高的剪切力對血管壁具有保護作用［23-25］。但高壁剪切應力與斑塊失穩有關，被認為是人類冠心病晚期動脈粥樣硬化斑塊破裂和血栓形成的原因之一［26-27］。

Piezo1 可以感知血流中剪切應力的變化，且Piezo1缺失會導致細胞剪切應力反應缺陷。當血流剪切應力降低時，Piezo1在血管內皮細胞中的表達明顯降低［28］，血管內皮細胞呈多角型，排列不規則，以分泌縮血管活性物質、炎癥介質、黏附分子、促血管內皮細胞增殖和凋亡的活性物質為主，使血管內皮細胞受損傷，導致動脈粥樣硬化發生［25，29］。值得注意的是，剪切應力是由層流或湍流血流通過血管，層流和湍流激活了相同的初始通路，涉及機械敏感性陽離子通道 Piezo1 介導的信號傳導［30］。Albarrán-Juárez 等［30］的研究發現，Piezo1 和 Gq/G11依賴的信號主要是抗動脈粥樣硬化信號，包括eNOS 的激活。在動脈粥樣硬化抵抗區域，持續的高層剪切應力誘導eNOS 的激活和NO 的產生；而在動脈粥樣硬化區域，由于血流紊亂導致的血管內皮細胞平行排列異常促進了炎癥信號的傳遞。他們還發現Piezo1 或Gαq/Gα11誘導的內皮特異性缺陷小鼠在動脈粥樣硬化區域表現出炎癥信號減少和動脈粥樣硬化進展的減緩。這些發現表明了層流通過Piezo1 激活和釋放NO，誘導血管擴張，具有抗動脈粥樣硬化作用。動脈弓內曲處，血管內皮細胞自然暴露于湍流流動中，湍流會導致Piezo1 介導的整合素活化，從而導致粘著斑激酶依賴的NF-κB 活化。NF-κB 在血管內皮細胞中激活可以誘導白細胞粘附分子的表達，并介導促進動脈粥樣硬化的信號。提示湍流是由于Piezo1依賴刺激NF-κB 通路促進動脈粥樣硬化。以上這些結果表明Piezo1 通過血流調節剪切應力影響血管內皮細胞功能，從而介導動脈粥樣硬化信號（圖1）。

Figure 1.The mechanism of atherosclerosis signaling mediated by Piezo1.圖1 Piezo1介導動脈粥樣硬化信號的作用機制

4 Piezo1在血壓調節中的作用

4.1 Piezo1 對血管張力的影響 高血壓是CVD 形成或進展的重要危險因素，當血管壁長期承受著高于正常的壓力會導致冠心病、腦卒中等CVD。Retailleau 等［13］通過平滑肌特異性Piezo1基因敲除小鼠模型，發現Piezo1 存在于成人階段的小動脈平滑肌，積極參與調節外周阻力以及腦循環，且Piezo1 可被拉伸力激活產生內向電流，其活性可以影響高血壓期間小動脈的直徑和壁厚。另外，有學者發現內皮特異性Piezo1缺乏的小鼠會失去誘導NO 形成的能力，而NO 分泌異常及活性降低會導致內皮功能障礙［31］。高血壓病理進程中存在的內皮功能障礙是由內皮依賴性血管擴張劑和血管收縮劑信號之間平衡的復雜變化引起的，反映了暴露于動脈血壓慢性升高的內膜的過早老化［32］。有趣的是，激活內皮Piezo1通道可以同時引起血管舒張［31，33-35］和血管收縮，內皮特異性Piezo1 的破壞既可以升高靜息收縮壓，又可以鈍化全身體育活動引起的舒張壓和收縮壓的升高［36］。

同時，Piezo1 在血管內皮細胞中形成了一種Ca2+滲透的非選擇性陽離子通道。當這種通道在質膜上開放時，它會引起細胞內Ca2+升高和去極化。細胞內Ca2+升高激活的一個關鍵機制是NOS，產生強大的血管擴張劑NO，從而調節血壓。Piezo1 通道對內皮的去極化也可能會導致血管平滑肌細胞的去極化，當數量足夠大時，將激活血管平滑肌細胞的電壓門控Ca2+通道和驅動血管收縮［36］。與去極化相反，內皮超極化是一種公認的Ca2+激活的血管擴張機制，稱為內皮衍生超極化或內皮衍生超極化因子（endotheliumderived hyperpolarizing factor，EDHF）［37］。內皮依賴性超極化減少可能導致動物和人類CVD的動脈功能障礙，特別是高血壓和糖尿?。?1］。Piezo1似乎對腸系膜阻力動脈的血管收縮具有血管床特異性效應，這是由于Piezo1 依賴于抑制內皮源性超極化的血管舒張機制。Garland 等［37］采用了血管內皮細胞中Piezo1缺失小鼠，用線狀肌電圖檢測腸系膜動脈對血管收縮劑苯腎上腺素和血管舒張劑乙酰膽堿的反應。他們發現血管內皮細胞中Piezo1缺失并未改變其對苯腎上腺素或乙酰膽堿的整體敏感性，但在苯腎上腺素誘導后EDHF 的成分顯著高于正常小鼠。內皮Piezo1 的“抗 EDHF 作用”表明 Piezo1 具有收縮血管的作用［36］。

4.2 Piezo1 誘導NO 生成和血管擴張 血管平滑肌對內皮感受到的流體剪應力的松弛是血管的一種中樞自動調節功能，它使血管直徑適應血流，從而控制血管張力和血壓［16，20］。流體剪應力可觸發血管內皮細胞釋放多種血管活性介質，其中NO 被認為是主要的內皮血管舒張因子［32，38-40］。Lring 等［35］發現，Piezo1介導了流體剪應力誘導血管內皮細胞釋放腎上腺髓質素，然后腎上腺髓質素誘導Gs 偶聯的內皮腎上腺髓質素受體激活，以增加細胞內環磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）水平，促進NO 的形成，從而調節血管張力和血壓。Wang 等［31］發現，內皮中的Piezo1 是流動誘導ATP 釋放和隨后嘌呤受體（P2Y2）/Gq/G11介導的下游信號激活所必需的，從而導致AKT 和eNOS 的磷酸化和激活。Piezo1 激活劑Yoda1不僅可以降低血管張力［33］和升高血壓，還可以通過增加內皮NO 的形成來改善內皮功能。且發現具有誘導的內皮特異性Piezo1缺乏的小鼠失去誘導NO形成和血管舒張的能力，出現血壓升高。

4.3 Piezo1在壓力反射中的作用 動脈壓力感受反射（arterial baroreceptor reflex，ABR）是由激活伸展敏感的壓力感受器神經元啟動的，其胞體位于結狀神經節和巖神經節，其外周投射分布于主動脈和頸動脈竇壁，是短時間內減少動脈血壓波動的重要機制［41］。研究發現Piezo1/2調節急性血壓依賴于ABR。當血壓突然下降時，ABR 激活會增加心臟收縮力，使心率加快并誘導血管收縮，使血壓恢復正常；相反，在血壓突然升高時則會引發血管的舒張反應［42］。這提示ABR 在心血管調節中起關鍵作用，它可使動脈血壓穩定，從而維持適當的組織血流量［33］。此外，機械激活的離子通道Piezo1 和Piezo2 是自主神經感受神經元中的血壓傳感器，共同調節ABR，它們的雙重失效會導致不穩定的高血壓和血壓變異性。單獨消融Piezo1或Piezo2對這些神經元無影響，而雙敲除可消除心率的反射性降低和主動脈降壓神經的活動［43］。由此可見，Piezo1 和 Piezo2 可以激活 ABR，ABR是Piezo1/2調節急性血壓必不可少的因素，二者相互作用從而有效調節血壓。

5 Piezo1對非選擇性陽離子通道的作用

MA 陽離子通道是一種特殊類型的機械轉導器，用于快速響應機械力的變化以興奮細胞膜或觸發Ca信號，Ca 滲透MA 陽離子電流已被描述在各種機械敏感細胞［44］。Piezo1通道在真核生物中進化保守，是哺乳動物中最具特征性的MA離子通道［4］。Piezo1在生理條件下可產生內向電流，導致細胞內正電荷增加和伴隨的膜去極化［45］。Coste 等［10］使用 RNA 干擾介導的敲除和MA 電流的全細胞記錄，發現Piezo1是Neuro2A 細胞系中MA 電流所必需的，可以滲透Na+、K+及Ca2+。Piezo1 在壓力刺激或剪應力作用下的激活可誘導細胞去極化和Ca2+流入。幾項早期的研究表明內向整流型K+通道可被剪切力迅速激活；由此產生的K+通道被認為是通過超極化和Ca2+通道來誘導血管擴張［16］。而Piezo1 通道開放通過大量陽離子如K+和Ca2+的流入來改變心臟的動作電位，進而激活后續的多種生理機制。在心臟瓣膜功能不全、心房顫動和高血壓等CVD中，都發現了機械應力過載、離子通道表達和功能異常等情況［43，46-47］。同時，Cinar等［48］發現，Piezo1 通過控制剪切力誘導的 Ca2+內流來調節人紅細胞ATP 的機械轉導釋放。而紅細胞通過機械轉導釋放ATP 可參與血管信號轉導與微血管張力的調控。例如，紅細胞釋放的ATP 結合并激活血管內皮細胞上的嘌呤能G 蛋白偶聯受體（P2Y 受體），誘導合成和釋放血管擴張劑NO［49］。他們還發現經Piezo1 抑制劑處理或具有突變Piezo1 通道的人紅細胞中，剪切誘導的ATP 釋放量和Ca2+內流顯著減少。

6 Piezo1是體內運動的傳感器

運動可刺激機體某些內源性細胞因子、抗凝血肽和代謝物等釋放進入血液循環，調節多種細胞功能，對改善CVD具有積極作用［50］。運動過程中，肌肉產生的神經傳入反饋會影響人體運動過程中的血壓［51］。同時，運動過程中心輸出量增加，引起動脈中的流體剪切應力相應增加，即使在有限的時間內也可能增加內皮中eNOS 的表達，從而降低心血管病變區域的炎癥狀態［16，52］。Piezo1是一種運動傳感器，成人血管內皮細胞中的Piezo1 是體力活動的主要控制部位，它能夠通過運動優化血流的再分配，達到恢復心血管穩態，提高身體性能的作用。Rode等［36］發現，全身體育鍛煉的血壓升高依賴于內皮型Piezo1，其機制是Piezo1的血管床特異性效應，它拮抗EDHF介導的內皮依賴性舒張，在流體流量升高時引起血管收縮。體育鍛煉引起的高血流可增強Piezo1 的開放，并導致腸系膜動脈內皮細胞的去極化。去極化通過縫隙連接傳遞到電耦合的平滑肌細胞，并通過打開尼卡地平（二氫吡啶）敏感通道來觸發血管收縮［53］。收縮腸系膜阻力動脈可以引導腸系膜血流遠離胃腸道等其他器官，特別是骨骼肌，以改善身體表現，從而增加體力活動期間的血壓。需要注意的是，Piezo1是全身運動時血壓升高所必需的，不活動時血壓升高則不需要 Piezo1［36］。所有這些結果表明，Piezo1 可通過不同的途徑調控血管張力，從而調節血壓（圖2）。

Figure 2.The mechanism of Piezo1 regulating blood pressure.圖2 Piezo1調節血壓的作用機制

7 總結與展望

Piezo1 機械敏感性離子通道是心血管力傳感的關鍵參與者，在血管發育、血管重塑、調節血壓等多個方面有重要作用，并參與CVD 的發生發展。盡管目前人們對Piezo1 在CVD 中的作用日趨了解，但其功能復雜，諸多作用環節仍有待明晰。Piezo1對血管內皮細胞損傷的調控效應、作用環節、分子機制和通路靶點尚未完全明確。Piezo1可以調節急性血壓，但其具體機制尚不清楚。Piezo1 是否是可以成為治療高血壓的潛在藥理靶點尚缺乏有力的證據。此外，目前尚缺少有力的臨床試驗證明Piezo1對CVD 患者的作用，這對揭示Piezo1 在CVD 中的作用及其機制具有重要價值。靶向針對Piezo1 的藥物研發也尚待突破。因此，Piezo1 蛋白與CVD 相關的研究需要更加深入，以期未來治療CVD 提供可信、有效的科學依據。