Piezo1在呼吸系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展

蔣詩音 蔣永亮

Piezo1是目前已知最大的機(jī)械門控陽離子通道蛋白,與人體多種生理功能有密切聯(lián)系,該基因缺失會導(dǎo)致先天性肺發(fā)育不良以及肺癌,過表達(dá)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(yù)測、診斷以及治療肺疾病的候選基因,通過篩選相關(guān)標(biāo)志物,對疾病進(jìn)行分型,指導(dǎo)臨床診療。研發(fā)特異性激活或抑制通道的藥物有希望阻斷疾病的發(fā)展,但由于其生物作用廣泛,尚無相關(guān)藥物面世,其特異性藥物的研發(fā)仍有待探索。

一、Piezo的結(jié)構(gòu)

2010年,Coste B.等人首次介紹介導(dǎo)陽離子內(nèi)流的機(jī)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(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系(Neuro2A細(xì)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(fā)育、炎癥以及增殖轉(zhuǎn)移等生理過程均有密切的聯(lián)系。在生長發(fā)育過程中,存在于尖端細(xì)胞的Piezo1感知機(jī)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(jìn)各種炎癥因子如HIF-1α、IL-6、IFN-α、CXCL2等分子的表達(dá),上調(diào)T細(xì)胞的功能,促進(jìn)免疫反應(yīng),有利于肺部的病原體清除[5],若炎癥遷延不愈,則會損害機(jī)體正常的功能,水解細(xì)胞間緊密連接[6],使正常的上皮細(xì)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(zhuǎn)移的過程中,Piezo1可以促進(jìn)細(xì)胞周期G2/M的轉(zhuǎn)變,腫瘤組織的血管的生成,使細(xì)胞失去粘附性,促進(jìn)癌細(xì)胞的遷移以及侵襲[7]。通道功能總結(jié)圖(見圖1)。

圖1 Piezo1通道的總結(jié)圖

三、與肺疾病的關(guān)系

肺臟血管內(nèi)皮細(xì)胞受到復(fù)雜的呼吸力學(xué)和血流動力學(xué)的變化,現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)Piezo1與肺炎、肺癌、先天性肺發(fā)育不良、ARDS、肺纖維化、肺動脈高壓、呼吸機(jī)相關(guān)肺病以及哮喘等疾病都有十分密切的關(guān)系。接下來將簡要闡述Piezo1在肺疾病中的研究進(jìn)展。

1. 先天性肺發(fā)育不良

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

2. 肺炎

肺炎是指終末氣道、肺泡、肺間質(zhì)的炎癥。機(jī)械-免疫信號通路是一種促炎的重編程狀態(tài),Piezo1、Toll樣受體(TLRs)以及整合素協(xié)同作用,感知周圍的組織機(jī)械力的刺激,促進(jìn)鈣離子內(nèi)流,激活活化蛋白-1(AP-1)、促進(jìn)內(nèi)皮素(EDN-1)的表達(dá),促進(jìn)缺氧誘導(dǎo)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(dá),促進(jìn)炎癥反應(yīng),協(xié)助清除肺內(nèi)細(xì)菌的感染。此外,還可以調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的功能來對抗肺炎,在T細(xì)胞中增加T細(xì)胞受體(TCR)的敏感性,鈣離子內(nèi)流激活鈣調(diào)蛋白形成皮層肌動蛋白支架,上調(diào)T細(xì)胞的功能[11],抑制Treg細(xì)胞的活性,激活CD4+T淋巴細(xì)胞,促進(jìn)免疫反應(yīng)[12]。因此,Piezo1在肺炎中可以促進(jìn)炎癥反應(yīng),提高免疫細(xì)胞的功能來增強(qiáng)機(jī)體對于病原體清除的能力。楊凱等人發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒的刺突蛋白受體結(jié)合域慢性暴露(24-72h)可以通過激活Piezo1上調(diào)內(nèi)皮細(xì)胞的鈣離子水平,導(dǎo)致細(xì)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(fā)生,有助于防治和管理長期新冠血管并發(fā)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(dǎo)成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)變[15,16],促進(jìn)肺纖維化的進(jìn)展。Piezo1還可以與轉(zhuǎn)化生長因子β1(TGF-β1)形成正反饋機(jī)制[17],誘導(dǎo)上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)的發(fā)生,下調(diào)Piezo1的表達(dá)或許可以減輕持續(xù)的慢性炎癥反應(yīng)。方向志發(fā)現(xiàn)Piezo1通過介導(dǎo)Ca2+內(nèi)流以及ATP釋放來調(diào)控機(jī)械牽張促進(jìn)的人肺上皮細(xì)胞上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化,從而促進(jìn)肺的纖維化[18]。在肺纖維化患者中,肺臟硬化會進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)械敏感離子通道介導(dǎo)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)并加劇ARDS的進(jìn)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(fā)現(xiàn)電離輻射可以誘導(dǎo)小鼠Piezo1表達(dá)增多,Piezo1抑制劑可以逆轉(zhuǎn)電離輻射或Piezo1激動劑導(dǎo)致的肺上皮細(xì)胞鐵死亡現(xiàn)象[20,21]。

4. ARDS以及呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎

ARDS是一種肺的急性損傷,機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)失調(diào)是呼吸機(jī)誘導(dǎo)的ADRS的主要因素之一[19]。Liang G.P.等人實驗發(fā)現(xiàn)在肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞中表達(dá)的Piezo1被敲除之后可以減少鈣離子的內(nèi)流,減少肺泡上皮細(xì)胞的凋亡[22]。Knecht R.S.等人發(fā)現(xiàn)免疫細(xì)胞可通過Piezo1感受靜水壓的升高,激活單核細(xì)胞,鈣離子內(nèi)流導(dǎo)致內(nèi)皮素-1(ET-1)表達(dá)與分泌增加,穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子α(HIF-α),增加單核細(xì)胞炎癥趨化因子(CXCL2)的分泌和表達(dá),中性粒細(xì)胞沿CXCL2的濃度遷移到基質(zhì)中促進(jìn)炎癥反應(yīng)[23]。Zhang Y.等人發(fā)現(xiàn)使用通道抑制劑GSMTxT4能減輕呼吸機(jī)導(dǎo)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(zhì)的產(chǎn)生[24]。ARDS通常使用小潮氣量機(jī)械通氣,大潮氣量反復(fù)的機(jī)械拉伸會激活Piezo1通道,鈣離子內(nèi)流激活鈣蛋白酶,水解酪氨酸激酶,導(dǎo)致肺泡細(xì)胞間介導(dǎo)緊密連接(AJs)的粘連蛋白屏障斷裂,破壞肺泡血管通透性,進(jìn)一步加重肺損傷[25,26]。方向志在對ARDS相關(guān)肺纖維化的小鼠模型進(jìn)行機(jī)械通氣后,發(fā)現(xiàn)Piezo1在機(jī)械牽張加重ARDS相關(guān)肺纖維化中有重要作用[18]。因此,在ARDS的患者中,下調(diào)或者抑制Piezo1通道能減少肺的上皮細(xì)胞的凋亡,減少炎癥反應(yīng),保護(hù)肺泡-毛細(xì)血管屏障,有利于ARDS患者的恢復(fù)。

5. 哮喘

有研究顯示哮喘小鼠的Piezo1表達(dá)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(fā)生的始動因素之一[28]。哮喘急性發(fā)作時,會產(chǎn)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(nèi)流增加,鈣蛋白酶激活,水解細(xì)胞間的緊密連接,呼吸道上皮的通透性增加,導(dǎo)致感染的風(fēng)險增加和呼吸道高反應(yīng)性。因此,下調(diào)或者阻斷Piezo1的表達(dá)或許可以緩解哮喘患者的氣道炎癥反應(yīng)。

6. 肺動脈高壓

Piezo1是存在于肺內(nèi)動脈內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的機(jī)械應(yīng)力傳感器,肺動脈高壓(PAH)患者與對照組相比,Piezo1顯著上調(diào),通道活性增加,調(diào)節(jié)鈣離子的膜內(nèi)外濃度從而調(diào)節(jié)血管壓力[29]。Porto Ribeiro等人發(fā)現(xiàn)PAH早期激活Piezo1,鈣離子內(nèi)流、內(nèi)皮依賴性超極化以及Akt激活內(nèi)皮型一氧化氮合酶(Akt-eNOS),合成NO舒張肺血管,低氧環(huán)境飼養(yǎng)小鼠3周后會介導(dǎo)肺血管收縮[30,31]。Piezo1也會激活炎癥通路,產(chǎn)生有害的離子如過氧化亞硝酸離子(ONOO-)損傷血管內(nèi)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(diào)還能引起Notch配體的表達(dá)增加,抑制內(nèi)皮細(xì)胞以及平滑肌細(xì)胞的凋亡,引起肺動脈血管的中膜增厚,內(nèi)膜損傷以及肺動脈的收縮性增強(qiáng)[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(diào),在肺癌中的表達(dá)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于癌旁組織[35],提示Piezo1在肺部的表達(dá)可以抑制肺癌的進(jìn)展和轉(zhuǎn)移,其中的機(jī)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(jī)制。腫瘤組織的硬度多數(shù)比正常的癌旁組織要大,細(xì)胞間的相互作用力大[36],激活Piezo1可促進(jìn)細(xì)胞周期G2/M的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)細(xì)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(zhuǎn)移相關(guān)的多種通路有關(guān),鈣穩(wěn)態(tài)在腫瘤的發(fā)生中至關(guān)重要[7],而腫瘤組織特征性的高度缺氧和酸性的環(huán)境與鈣信號的相互作用會穩(wěn)定Piezo1的失活狀態(tài)減少細(xì)胞的凋亡,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖[34]。McHugh等人發(fā)現(xiàn)敲除Piezo1基因會降低整合素β1(Integrin-β1)的表達(dá)[38],使細(xì)胞喪失對周圍環(huán)境的機(jī)械刺激的感知力,細(xì)胞失去粘附性,貼壁功能消失[39],促進(jìn)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(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)其Piezo1的相對表達(dá)量明顯高于癌旁組織,用慢病毒介導(dǎo)siRNA沉默Piezo1后,非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞系細(xì)胞增殖和侵襲能力降低且裸鼠模型中腫瘤的成瘤體質(zhì)量降低[40]。因此, Piezo1在未來或許可以成為診斷肺癌的和預(yù)后判斷的生物標(biāo)志物。

四、預(yù)測、診斷以及治療疾病

先天性肺發(fā)育不良患者可檢測Piezo1是否存在缺失或突變;大多數(shù)纖維化疾病以及慢性炎癥疾病中表達(dá)上調(diào),可成為診斷的候選標(biāo)志物;肺癌組織Piezo1基因表達(dá)缺失率大,低表達(dá)會促進(jìn)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(yù)后的腫瘤標(biāo)志物,預(yù)測組織學(xué)分級和淋巴轉(zhuǎn)移[35]。但是其在體液中的表達(dá)水平和化學(xué)穩(wěn)定性尚未得到相關(guān)的研究[42],可通過大規(guī)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(biāo)本進(jìn)行測試,尋找相關(guān)的潛在標(biāo)志物集,通過標(biāo)準(zhǔn)化的檢測方法對其基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)進(jìn)行分析與定量檢測,篩選出高特異性的標(biāo)志物,確定其用于區(qū)分肺病患者的閾值,從而對疾病分型以及指導(dǎo)臨床診療。

其通道藥理學(xué)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(fā)組織特異性藥物可以實現(xiàn)在分子水平上阻斷疾病的發(fā)展[35,44]。但其藥理作用仍局限于溶解性和穩(wěn)定性較差的低親和力藥物,無法在體內(nèi)使用。在中醫(yī)藥領(lǐng)域,七葉皂苷[45]以及毛蕊異黃酮[46]通過調(diào)節(jié)Piezo1的表達(dá)水平來改善靜脈炎癥以及促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞再生。除此之外,物理方法如超聲波也可以進(jìn)行通道功能調(diào)節(jié)[47]。

五、結(jié)論和展望

綜上,Piezo1基因在肺部疾病中存在突變以及表達(dá)異常,可以成為診斷肺部疾病的候選基因,進(jìn)一步深化研究,為臨床診斷以及預(yù)后指導(dǎo)診療提供依據(jù)。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(xì)胞轉(zhuǎn)移、部分逆轉(zhuǎn)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化、減輕炎癥反應(yīng),達(dá)到治療疾病的效果,但由于Piezo1的功能十分復(fù)雜,在體內(nèi)廣泛表達(dá),需要更全面的研究有針對性地進(jìn)行干預(yù),預(yù)防其他器官功能紊亂的副作用,如何研發(fā)更具有特異性的Piezo1靶向藥物且安全有效的使用亟待研究。