Piezo1在呼吸系統疾病中的研究進展

蔣詩音 蔣永亮

Piezo1是目前已知最大的機械門控陽離子通道蛋白,與人體多種生理功能有密切聯系,該基因缺失會導致先天性肺發育不良以及肺癌,過表達會引起肺炎、肺纖維化、哮喘、肺動脈高壓,加重ARDS。因此,該通道或許可以成為預測、診斷以及治療肺疾病的候選基因,通過篩選相關標志物,對疾病進行分型,指導臨床診療。研發特異性激活或抑制通道的藥物有希望阻斷疾病的發展,但由于其生物作用廣泛,尚無相關藥物面世,其特異性藥物的研發仍有待探索。

一、Piezo的結構

2010年,Coste B.等人首次介紹介導陽離子內流的機械門控離子通道-Piezo蛋白家族,編碼這種蛋白的基因是從鼠源神經母細胞瘤細胞系(Neuro2A細胞)中篩選出來的[1]。Piezo1由2547個氨基酸組成,分為114個跨膜單位,是目前已知的最大的陽離子通道,主要包括中央帽、三個外周的懸臂以及三個長的螺旋梁[2]。

二、Piezo1的功能

Piezo1與生長發育、炎癥以及增殖轉移等生理過程均有密切的聯系。在生長發育過程中,存在于尖端細胞的Piezo1感知機械力的變化[3],激活金屬蛋白酶(MT1-MMP)以及一氧化氮合酶(NOS),相互平衡決定血管以及纖維的走向,敲除Piezo1通路的小鼠在胚胎時期死亡[4]。在急性炎癥過程中,Piezo1促進各種炎癥因子如HIF-1α、IL-6、IFN-α、CXCL2等分子的表達,上調T細胞的功能,促進免疫反應,有利于肺部的病原體清除[5],若炎癥遷延不愈,則會損害機體正常的功能,水解細胞間緊密連接[6],使正常的上皮細胞過度凋亡,造成哮喘、肺纖維化以及肺動脈高壓等疾病。除此之外,在增殖轉移的過程中,Piezo1可以促進細胞周期G2/M的轉變,腫瘤組織的血管的生成,使細胞失去粘附性,促進癌細胞的遷移以及侵襲[7]。通道功能總結圖(見圖1)。

圖1 Piezo1通道的總結圖

三、與肺疾病的關系

肺臟血管內皮細胞受到復雜的呼吸力學和血流動力學的變化,現有的研究發現Piezo1與肺炎、肺癌、先天性肺發育不良、ARDS、肺纖維化、肺動脈高壓、呼吸機相關肺病以及哮喘等疾病都有十分密切的關系。接下來將簡要闡述Piezo1在肺疾病中的研究進展。

1. 先天性肺發育不良

肺部血管以及氣管的形成均需要機械力的刺激來激活相關通路。Jing Li等人發現在小鼠[8]以及人[9]胚胎內皮細胞中敲除Piezo1基因后會導致胚胎血管發育不良,導致胚胎的死亡。因其誘導血管的萌芽以及血管內管腔形成的尖端細胞上存在Piezo1通道[3],可以感知組織力學的變化,激活Piezo1通道鈣離子內流并激活模型MT1-MMP抑制血管的分支與擴展,激活NOS來促進血管的萌芽與分支[4],兩者相互平衡決定血管纖維和細胞的走向[10]。

2. 肺炎

肺炎是指終末氣道、肺泡、肺間質的炎癥。機械-免疫信號通路是一種促炎的重編程狀態,Piezo1、Toll樣受體(TLRs)以及整合素協同作用,感知周圍的組織機械力的刺激,促進鈣離子內流,激活活化蛋白-1(AP-1)、促進內皮素(EDN-1)的表達,促進缺氧誘導因子(HIF-1α)的積累[5],增加白介素-6(IL-6)以及α干擾素(IFN-α)的表達,促進炎癥反應,協助清除肺內細菌的感染。此外,還可以調節免疫系統的功能來對抗肺炎,在T細胞中增加T細胞受體(TCR)的敏感性,鈣離子內流激活鈣調蛋白形成皮層肌動蛋白支架,上調T細胞的功能[11],抑制Treg細胞的活性,激活CD4+T淋巴細胞,促進免疫反應[12]。因此,Piezo1在肺炎中可以促進炎癥反應,提高免疫細胞的功能來增強機體對于病原體清除的能力。楊凱等人發現新型冠狀病毒的刺突蛋白受體結合域慢性暴露(24-72h)可以通過激活Piezo1上調內皮細胞的鈣離子水平,導致細胞凋亡和血管異常重塑,使用Piezo1抑制劑可以顯著緩解凋亡的發生,有助于防治和管理長期新冠血管并發癥[13]。

3. 肺纖維化

肺纖維化的肺組織硬度要高于正常組織,Piezo1可以感受組織硬度增加[14],介導成纖維細胞向肌成纖維細胞轉變[15,16],促進肺纖維化的進展。Piezo1還可以與轉化生長因子β1(TGF-β1)形成正反饋機制[17],誘導上皮間充質轉化(EMT)的發生,下調Piezo1的表達或許可以減輕持續的慢性炎癥反應。方向志發現Piezo1通過介導Ca2+內流以及ATP釋放來調控機械牽張促進的人肺上皮細胞上皮-間質轉化,從而促進肺的纖維化[18]。在肺纖維化患者中,肺臟硬化會進一步增強機械敏感離子通道介導的機械轉導并加劇ARDS的進展[19]。鐵超載以及活性氧是肺纖維化原因之一,郭雪微研究發現電離輻射可以誘導小鼠Piezo1表達增多,Piezo1抑制劑可以逆轉電離輻射或Piezo1激動劑導致的肺上皮細胞鐵死亡現象[20,21]。

4. ARDS以及呼吸機相關性肺炎

ARDS是一種肺的急性損傷,機械轉導失調是呼吸機誘導的ADRS的主要因素之一[19]。Liang G.P.等人實驗發現在肺泡Ⅱ型上皮細胞中表達的Piezo1被敲除之后可以減少鈣離子的內流,減少肺泡上皮細胞的凋亡[22]。Knecht R.S.等人發現免疫細胞可通過Piezo1感受靜水壓的升高,激活單核細胞,鈣離子內流導致內皮素-1(ET-1)表達與分泌增加,穩定缺氧誘導因子α(HIF-α),增加單核細胞炎癥趨化因子(CXCL2)的分泌和表達,中性粒細胞沿CXCL2的濃度遷移到基質中促進炎癥反應[23]。Zhang Y.等人發現使用通道抑制劑GSMTxT4能減輕呼吸機導致的肺損傷,減輕肺組織的病理改變、肺組織含水量以及蛋白的滲漏,減少全身炎癥介質的產生[24]。ARDS通常使用小潮氣量機械通氣,大潮氣量反復的機械拉伸會激活Piezo1通道,鈣離子內流激活鈣蛋白酶,水解酪氨酸激酶,導致肺泡細胞間介導緊密連接(AJs)的粘連蛋白屏障斷裂,破壞肺泡血管通透性,進一步加重肺損傷[25,26]。方向志在對ARDS相關肺纖維化的小鼠模型進行機械通氣后,發現Piezo1在機械牽張加重ARDS相關肺纖維化中有重要作用[18]。因此,在ARDS的患者中,下調或者抑制Piezo1通道能減少肺的上皮細胞的凋亡,減少炎癥反應,保護肺泡-毛細血管屏障,有利于ARDS患者的恢復。

5. 哮喘

有研究顯示哮喘小鼠的Piezo1表達要明顯高于正常小鼠[27],緊密連接的受損是這一病理過程發生的始動因素之一[28]。哮喘急性發作時,會產生呼氣末肺泡正壓(iPEEP),iPEEP是由于呼吸道痙攣、水腫和黏液阻塞,Piezo1感知正壓,鈣離子內流增加,鈣蛋白酶激活,水解細胞間的緊密連接,呼吸道上皮的通透性增加,導致感染的風險增加和呼吸道高反應性。因此,下調或者阻斷Piezo1的表達或許可以緩解哮喘患者的氣道炎癥反應。

6. 肺動脈高壓

Piezo1是存在于肺內動脈內皮細胞和平滑肌細胞的機械應力傳感器,肺動脈高壓(PAH)患者與對照組相比,Piezo1顯著上調,通道活性增加,調節鈣離子的膜內外濃度從而調節血管壓力[29]。Porto Ribeiro等人發現PAH早期激活Piezo1,鈣離子內流、內皮依賴性超極化以及Akt激活內皮型一氧化氮合酶(Akt-eNOS),合成NO舒張肺血管,低氧環境飼養小鼠3周后會介導肺血管收縮[30,31]。Piezo1也會激活炎癥通路,產生有害的離子如過氧化亞硝酸離子(ONOO-)損傷血管內皮組織,重塑肺動脈血管壁,造成肺動脈的壓力升高[32]。Piezo1上調還能引起Notch配體的表達增加,抑制內皮細胞以及平滑肌細胞的凋亡,引起肺動脈血管的中膜增厚,內膜損傷以及肺動脈的收縮性增強[33], 因此,提示在肺動脈高壓的患者中使用Piezo1的抑制劑可以成為治療肺動脈高壓的靶點之一[34]。

7. 肺癌

Piezo1在常見的實體瘤如乳腺癌等中上調,在肺癌中的表達遠遠低于癌旁組織[35],提示Piezo1在肺部的表達可以抑制肺癌的進展和轉移,其中的機制尚未研究清楚,本文主要簡述已報道的其中可能存在的機制。腫瘤組織的硬度多數比正常的癌旁組織要大,細胞間的相互作用力大[36],激活Piezo1可促進細胞周期G2/M的轉變,促進細胞的增殖分化[37]。Piezo1對鈣離子選擇性通透,鈣離子是第二信使離子,與腫瘤轉移相關的多種通路有關,鈣穩態在腫瘤的發生中至關重要[7],而腫瘤組織特征性的高度缺氧和酸性的環境與鈣信號的相互作用會穩定Piezo1的失活狀態減少細胞的凋亡,促進腫瘤細胞的增殖[34]。McHugh等人發現敲除Piezo1基因會降低整合素β1(Integrin-β1)的表達[38],使細胞喪失對周圍環境的機械刺激的感知力,細胞失去粘附性,貼壁功能消失[39],促進肺部腫瘤的遷移和侵襲。王佳等人通過對收治的心胸外科病人的肺癌組織進行研究發現其Piezo1的相對表達量明顯高于癌旁組織,用慢病毒介導siRNA沉默Piezo1后,非小細胞肺癌細胞系細胞增殖和侵襲能力降低且裸鼠模型中腫瘤的成瘤體質量降低[40]。因此, Piezo1在未來或許可以成為診斷肺癌的和預后判斷的生物標志物。

四、預測、診斷以及治療疾病

先天性肺發育不良患者可檢測Piezo1是否存在缺失或突變;大多數纖維化疾病以及慢性炎癥疾病中表達上調,可成為診斷的候選標志物;肺癌組織Piezo1基因表達缺失率大,低表達會促進腫瘤的遷移和總生存率(OS)下降[41],可以作為肺癌潛在的診斷以及預后的腫瘤標志物,預測組織學分級和淋巴轉移[35]。但是其在體液中的表達水平和化學穩定性尚未得到相關的研究[42],可通過大規模、多中心的臨床實驗,將Piezo1基因突變的患者的體液及組織標本進行測試,尋找相關的潛在標志物集,通過標準化的檢測方法對其基因組學、轉錄組學、蛋白質組學進行分析與定量檢測,篩選出高特異性的標志物,確定其用于區分肺病患者的閾值,從而對疾病分型以及指導臨床診療。

其通道藥理學研究的阻斷劑有鑭系元素、氨基糖苷類抗生素、釕紅以及GsMTx-4[43],特異性激活劑有Yoda1、Jedi1和Jedi2,開發組織特異性藥物可以實現在分子水平上阻斷疾病的發展[35,44]。但其藥理作用仍局限于溶解性和穩定性較差的低親和力藥物,無法在體內使用。在中醫藥領域,七葉皂苷[45]以及毛蕊異黃酮[46]通過調節Piezo1的表達水平來改善靜脈炎癥以及促進內皮細胞再生。除此之外,物理方法如超聲波也可以進行通道功能調節[47]。

五、結論和展望

綜上,Piezo1基因在肺部疾病中存在突變以及表達異常,可以成為診斷肺部疾病的候選基因,進一步深化研究,為臨床診斷以及預后指導診療提供依據。在肺癌、肺纖維化以及肺部慢性炎癥中使用特異性阻斷劑可以減少腫瘤細胞轉移、部分逆轉上皮間質轉化、減輕炎癥反應,達到治療疾病的效果,但由于Piezo1的功能十分復雜,在體內廣泛表達,需要更全面的研究有針對性地進行干預,預防其他器官功能紊亂的副作用,如何研發更具有特異性的Piezo1靶向藥物且安全有效的使用亟待研究。