剪切應力強度對內皮細胞Piezo1表達的影響

趙一蔚，任培樂，于鳳旭，代紅燕，聶永梅

1.新疆醫科大學基礎醫學院生理學教研室，新疆烏魯木齊830011；2.西南醫科大學附屬醫院心臟大血管外科，四川瀘州646000；3.新疆醫科大學基礎醫學院機能中心實驗室，新疆烏魯木齊830011

前言

血管內皮細胞處于血管內腔面，是血流與血管壁相互作用的界面，對機械刺激、炎癥信號以及血液循環中激素水平的變化敏感［1］。正常的血管內皮細胞是維持心血管系統穩態的前提條件，其功能異常是心血管疾病早期的重要特征，與動脈粥樣硬化、高血壓及心衰等疾病的發生、發展關系密切［2］。在機械刺激中剪切應力作為主要的力學刺激，不僅影響內皮細胞形態和功能，還可以調節內皮細胞中基因的表達［3］。當剪切應力≥15 dyne/cm2時，可以促進內皮細胞中血管舒張因子、生長抑制因子和抗氧化劑等的表達，同時可以抑制血管收縮因子、生長因子、炎癥介質等的表達，使內皮細胞不易受損。而低剪切應力（±4 dyne/cm2）時，內皮細胞形態呈多角形，排列不規則，易受化學物質的刺激，分泌血管緊張素轉換酶等血管活性物質、炎癥介質、生長因子、粘附分子，使內皮細胞損傷；促進細胞增生、細胞黏附，誘導內皮細胞功能紊亂，具有促動脈粥樣硬化的作用［4-5］。

研究發現Piezo1是一種機械敏感性陽離子通道［6］。該通道表現出參與細胞發育、血管容量調節、細胞遷移，以及細胞增殖和延長等生物學作用，在血管發育形成過程中也有重要參與，目前受到科學家們的關注［7］。已證實在發生動脈粥樣硬化過程中，內皮細胞受到顯著損害；剪切應力作用下，血管內皮細胞中機械離子通道Piezo1有表達，那么在受到不同強度剪切應力刺激時，Piezo1的生成與表達會有何種變化，尚未有報道。本實驗通過加載不同強度剪切應力，從基因和蛋白質水平檢測Piezo1表達情況，研究流體剪切應力強度對內皮細胞中Piezo1表達的影響，進而了解流體剪切應力強度是否可以影響Piezo1的表達。

1 材料與方法

1.1 主要試劑

M199培養基、PBS緩沖液、胰酶、雙抗青/鏈霉素合劑（Hyclone,美國），胎牛血清（Gibco,美國），人纖維黏連蛋白（CORNING,美國），TRIzoL總RNA提取試劑（Thermo Fisher Scientific,美國），PCR 反轉錄試劑盒（Thermo Fisher Scientific, 美國），QuantiFast SYBER Greeen PCR Kit（QIAGEN, 美國），Piezo1 引物、β-actin 引物（生工生物,中國上海），RIPA 裂解液（Thermo Fisher Scientific，美國），PMSF（博士德生物, 中國武漢），蛋白酶抑制劑（Thermo Fisher Scientific,美國），BCA 法蛋白定量試劑盒（Pierce,美國），SDS-PAGE凝膠制備試劑盒（Solarbio,中國），4×蛋白上樣緩沖液（Solarbio, 中國），預染蛋白分子量Marker（Thermo Fsher Scientific,美國），GAPDH 兔抗多克隆抗體（GOODHERE,中國），兔源抗Piezo1多克隆抗體（Abcam,美國），辣根酶標記山羊抗兔（中杉金橋, 中國北京），SuperSignal West Femto 高靈敏度化學發光底物（Thermo Fisher Scientific,美國）。

1.2 細胞培養

EA.hy926 人臍靜脈內皮細胞株（來自上海細胞庫）進行常規體外培養，于含10%胎牛血清、1%雙抗的M199 完全培養基中，在37 ℃、5% CO2培養箱中培養。

1.3 剪切應力加載

將已經過消毒處理的載玻片（75 mm×25 mm），放入10 cm 培養皿中。將1 mL 纖維黏連蛋白（Fibronectin, FN）鋪于載玻片上，再將培養皿移至37 ℃恒溫培養箱中，靜置30 min，回收FN。將消化后的細胞1 mL（1×106個/mL）均勻種植于載玻片上。將培養皿輕輕放至37 ℃、5%CO2培養箱中培養。待細胞貼壁后，加10 mL M199 生長液到培養皿中，待細胞長滿后，將載玻片放置于平行板流槽中，分別加載不同強度剪切應力（根據裝置低中高檔各設置兩組，對應應力依次為0、2.37、4.14、7.11、9.47、14.21、17.76 dyne/cm2）處理2 h。

平行板流室系統是由四川大學設計，提供相關標測數據，成都西木子公司制造。安裝后流室的尺寸為：長185 mm，寬95 mm，高0.8 mm。流入孔與流出孔之間的距離為215 mm。實驗裝置包括恒流泵、流通管、流室、灌流瓶（圖1）。用無血清M199培養液作為灌流液體，其粘度為0.72 mPa·s。力學加載過程中儲液瓶始終置水浴鍋中保持37 ℃，培養液中維持pH 值為7.0，為排除流體靜水壓的影響，整個裝置系統應處在同一個水平面上。

圖1 流室系統簡圖Fig.1 Schematic diagram of flow chamber system

1.4 實時熒光定量PCR

收集細胞，1 000 r/min 離心棄上清，加入1 mL TRizol 試劑混勻。將勻漿樣品在室溫放置5 min，4 ℃、13 000 r/min 離心10 min，取上清。加入0.2 mL氯仿，4 ℃、13 000 r/min 離心10～15 min，取出水相RNA（約500 μL），加入等體積異丙醇。4 ℃、13 000 r/min離心10 min，去上清，加入30 μL75%乙醇（Rnase-Free ddH2O 配置）洗滌沉淀。用NANODROP 2000 Spectrophotometer核酸定量儀對提出的RNA進行濃度和純度檢測。采用Thermo RevertAid?第一鏈cDNA合成試劑盒合成cDNA。實時熒光定量PCR，具體操作根據Thermo Scientific Maxima SYBR Green/ROX qPCR Master Mix（2×）說明書進行。引物序列：Piezo1，F：5'-gcagccgagagaaagagaag-3'，R：5'-agagcagtgggaaccagatg-3'；β- actin，F：5'- ggtagtcaccaaggcattcatt- 3'，R：5'-ctccttaatgtcacgcacgat-3'。配置20 μL體系，按如下條件進行擴增：50 ℃2 min；95 ℃10 min；95 ℃15 s；60 ℃30 s；72 ℃30 s ；40 個循環后延伸20 s。對擴增產物進行溶解曲線分析。

1.5 Western-blot

自平行板流槽取出玻片，用遇冷的PBS液洗2次，并吸出；加入1 mL PBS刮下細胞，移入1.5 mL無菌的EP管中，高速離心3～5 min，吸出PBS。在EP管中按比例加入蛋白裂解液，冰上孵育30 min，期間漩渦振蕩3～4次。之后，4 ℃、12 000 r/min離心20 min，將上清轉移到無菌EP管。用BCA試劑盒檢測蛋白樣品濃度。蛋白變性。SDS-PAGE蛋白質電泳，80 mA恒流，4 ℃過夜轉膜，5%脫脂奶粉封閉6 h，加入一抗（1:1 000），4 ℃孵育過夜。取出常溫放置30 min，洗滌3 次，每次10 min。加二抗（1:1 000），搖床振蕩，室溫避光孵育2 h。吸出二抗。蒸餾水洗滌1次，5 min。1:1配置顯色液，將顯色液敷于PVDF上約3 min，使用Bio-Rad化學發光成像儀中拍照。蛋白分子質量：Piezo1為286 kD；GAPDH為37 kD。

1.6 統計學處理

實驗重復3 次，使用SPSS 17.0 統計軟件對參數進行單因素方差分析，兩兩比較采用SNK法，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 剪切應力強度影響EA.hy926中Piezo1的基因表達

加載不同強度剪切應力，處理細胞，qRT-PCR 方法檢測Piezo1 mRNA 表達情況，使用2-ΔΔCT進行結果分析。對照組與處理組相比，只有在刺激強度為4.14 dyne/cm2時，Piezo1 mRNA 的表達顯著降低（圖2），與靜止狀態比較有顯著統計學差異（P＜0.05）。其他處理組與對照組比較均無差異。

圖2 不同強度剪切應力對Piezo1 mRNA表達的影響Fig.2 Effects of shear stress of different intensities on the expression of Piezo1 mRNA

2.2 剪切應力強度影響EA.hy926 中Piezo1 的蛋白表達

收集各組細胞，Western-blot 方法進行蛋白測定。通過Image pro plus6.0 對結果進行灰度掃描，定量分析發現蛋白表達與基因表達結果相一致。在刺激強度為4.14 dyne/cm2時，Piezo1 蛋白表達量最低（圖3），與對照組比較有統計學差異（P＜0.05）。其余處理組與對照組比較均無差異。

圖3 不同強度剪切應力對Piezo1蛋白表達的影響Fig.3 Effects of shear stress of different intensities on the expression of Piezo1 protein

2.3 低剪切應力刺激影響EA.hy926細胞形態

靜止狀態細胞呈長梭形（圖4a）。低剪切應力（4.14 dyne/cm2）刺激后細胞形態不規則，局部可見細胞間隙增大，細胞有脫落現象（圖4b）。

3 討論

3.1 剪切應力影響內皮細胞中Piezo1的表達

圖4 光學顯微鏡下EA.hy926細胞株形態Fig.4 Morphology of EA.hy926 cell lines under optical microscope

血流動力學作為一個重要因素，參與血管的生理和病理調節活動。內皮細胞持續受到血管的力學作用，其中剪切應力（是血流經過血管時內皮細胞受到的與血管壁平行的力）為主要的力學刺激因素之一。內皮細胞在不同區域的血管中，受到的剪切應力也不盡相同。動脈粥樣硬化的好發部位，如動脈分叉處和血管彎曲處等為±4 dyne/cm2。正常或稍高的剪切應力（≥10～15 dyne/cm2）可上調內皮細胞的抗炎作用［8］。有研究顯示在剪切應力作用下Piezo1 作為力學感受器在小鼠內皮細胞中表達，其表達參與到剪切應力誘導的Ca 的流動以及細胞遷移［9-10］。Piezo1蛋白參與細胞發育、血管容量調節、細胞遷移，以及細胞增殖和延長等作用［11］。那么Piezo1 是否在人內皮細胞中表達？剪切應力是否也會影響內皮細胞中Piezo1的表達？基于此，本研究選取人臍靜脈內皮細胞株EA.hy926 作為研究對象［12］，分別設置不同強度力刺激內皮細胞。經檢測發現，在靜止狀態下人臍靜脈內皮細胞中有Piezo1表達；通過不同強度力學刺激，觀察到強度刺激在4.14 dyne/cm2時Piezo1變化最明顯，其基因與蛋白表達均顯著降低；相關性分析結果顯示，Piezo1表達與剪切應力的強度梯度無相關性，Piezo1對強度為4.14 dyne/cm2最為敏感。原因分析可能需要選擇不同的力作用時間來檢測其生物特性。

3.2 剪切應力影響內皮細胞中Piezo1 表達的臨床意義

2010年Coste等［6］研究發現Piezo1是機械敏感陽離子通道，由Piezo1/FAM38A基因編碼，由包含了30個跨膜區域約2 500個氨基酸構成，參與多種生理學過程。類似于許多對機械敏感的內生性陽離子通道，通過GsMTx4可以抑制Piezo1的活性［13］。Miyamoto等［14］發現膀胱上皮中Piezo1缺失時的應力誘導會引起Ca流動減少，以及ATP釋放減少。Piezo1在皮膚、膀胱、腎、肝、內皮細胞、牙周組織細胞及紅細胞中有廣泛表達［15］。Li等［16］研究顯示Piezo1在小鼠發育血管的內皮細胞中表達，Piezo1基因的缺失會導致小鼠胚胎發育的致命性損傷，在妊娠中期造成血管重構缺陷。Piezo1是血管發育的重要因素，體外層流剪切應力作用下內皮細胞中Piezo1缺失，表現出細胞排列缺陷，這些提示Piezo1的機械力傳導與細胞的形態學調節有關［9］。靜止狀態下，人臍靜脈內皮細胞缺少Piezo1時，表現為eNOS蛋白總量減少，血管內皮生長因子誘發的Ser-1177（增強eNOS活動的關鍵因子）的磷酸化水平降低，以及內皮細胞遷移受到抑制［11］。Huang等［17］通過研究發現MiR-103a在急性心梗患者中明顯升高，而這一過程可能是通過調節Piezo1的表達來實現的。Piezo1的結構和功能影響高血壓的發生過程［18］。運動過程中血流可以影響Piezo1這一機械通道，最終引起血管的收縮過程［19］。本課題組前期研究明確動脈粥樣硬化好發部位的流體剪切應力在4 dyne/cm2左右［20］。4 dyne/cm2強度比10 dyne/cm2強度明顯刺激內皮細胞MCP-1蛋白增高［21］。低剪切應力誘導IL-8表達，且4.2 dyne/cm2時的蛋白量最高［22］。Fractalkine在動脈粥樣硬化中也起重要作用，而低剪切應力可以誘導內皮細胞Fractalkine表達上調，這一過程有低剪切應力激活的p38信號分子參與［23］。本實驗顯示低剪切應力4.14 dyne/cm2可以明顯降低Piezo1在內皮細胞中的表達，提示Piezo1可能參與低剪切應力誘導的動脈粥樣硬化過程。

本研究通過對內皮細胞進行不同強度的力學刺激，發現低剪切應力4.14 dyne/cm2降低Piezo1在內皮細胞的表達，這為了解復雜的生命發育過程提供了新方式和觀點。然而剪切應力是如何刺激Piezo1 表達，Piezo1又是否以及如何參與動脈粥樣硬化的發生發展過程，還需要進一步深入研究。