Piezo1 is a mechanically activated ion channel and mediates pressure induced pancreatitis

Keywords: Piezo1; Pancreatic acinar cells; Pressure; Pancreatitis.

胰腺對(duì)機(jī)械損傷極為敏感，相關(guān)臨床現(xiàn)象與機(jī)制研究不斷深入。手術(shù)操作、腹部鈍性創(chuàng)傷，以及內(nèi)鏡逆行胰膽管造影術(shù)（ERCP）中胰管過度充盈等機(jī)械性刺激，均可能誘發(fā)胰腺炎。在機(jī)制方面，致病原因已從傳統(tǒng)認(rèn)為的 “膽結(jié)石引發(fā)膽汁反流”，逐步明確為“胰管阻塞導(dǎo)致壓力升高”。由此可見，胰腺能夠感知機(jī)械力，腺體內(nèi)壓力升高是胰腺炎的重要致病因素。

新型壓力激活離子通道 Piezo1 和 Piezo2 的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了對(duì)胰腺中是否存在類似機(jī)械激活離子通道的思考。Piezo1 和 Piezo2 在多種組織中廣泛表達(dá)，其中 Piezo1 在肺、膀胱和皮膚中表達(dá)量較高。Piezo1 由約 2500 個(gè)氨基酸構(gòu)成，具有復(fù)雜的跨膜結(jié)構(gòu)，可形成同源三聚體，其胞外結(jié)構(gòu)域被認(rèn)為是力傳感部位。研究表明，Piezo1 能響應(yīng)多種機(jī)械力刺激，對(duì)鈣離子有選擇性，其激活可被 GsMTx4 阻斷，但壓力增加能抵消這種抑制。同時(shí)，小分子 Yoda1 可在無機(jī)械拉伸條件下特異性激活 Piezo1，而對(duì) Piezo2 無作用。

Piezo1 在多種組織中承擔(dān)重要生理功能，如在血管內(nèi)皮中響應(yīng)血流剪切應(yīng)力，其基因缺失會(huì)導(dǎo)致胚胎發(fā)育異常及血管畸形；在膀胱中，Piezo1 可對(duì)機(jī)械牽張產(chǎn)生反應(yīng)。盡管胰腺的機(jī)械感受機(jī)制尚不明確，但推測(cè)機(jī)械激活離子通道可能參與壓力誘發(fā)胰腺炎的過程。

基于此，美國(guó)達(dá)勒姆退伍軍人事務(wù)醫(yī)療中心及杜克大學(xué)內(nèi)科學(xué)系的研究團(tuán)隊(duì)通過向胰管內(nèi)滴注 Piezo1 激動(dòng)劑 Yoda1 來誘導(dǎo)胰腺炎，從而證明胰腺腺泡細(xì)胞表達(dá)機(jī)械感受器 Piezo1，并且在腺體內(nèi)施加壓力會(huì)產(chǎn)生胰腺炎。研究成果發(fā)表在Nature communications 期刊題為“Piezo1 is a mechanically activated ion channel and mediates pressure induced pancreatitis”。

首先，為建立貼近臨床的胰腺壓力模型，研究團(tuán)隊(duì)通過向胰管內(nèi)輸注緩沖鹽溶液來模擬壓力刺激（圖 1a）。該方法避免了外部施壓（如擠壓）導(dǎo)致的組織損傷并發(fā)癥。實(shí)驗(yàn)設(shè)定兩種壓力模式：以 5 μL / 分鐘速度輸注 10 分鐘形成 7-11 mmHg 的低壓輸入，及以 80 μL / 分鐘速度輸注 5 分鐘形成 25-33 mmHg 的 高壓輸入。在鹽溶液中加入 1% 亞甲藍(lán)后觀察到，注射液可從胰頭擴(kuò)散至胰尾（圖 1b）。據(jù)此研究人員于胰管注射 24 小時(shí)后采集胰腺中部組織進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高壓注射會(huì)導(dǎo)致胰腺重量增加、血清淀粉酶水平升高，代表中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)的 MPO 濃度顯著上升，組織學(xué)觀察可見中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)、水腫、出血及組織壞死等典型急性胰腺炎病理改變（圖 1c-f）。該研究證實(shí)，胰管內(nèi)壓力升高是誘發(fā)急性胰腺炎的直接因素。

圖1     胰管內(nèi)壓力導(dǎo)致急性胰腺炎。

然后，為了探究機(jī)械激活離子通道是否介導(dǎo)胰腺的壓力響應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)通過定量 RT-PCR 檢測(cè)了小鼠胰腺腺泡細(xì)胞中 TRPC、DEG/ENaC 和 Piezo 家族通道的表達(dá)，發(fā)現(xiàn) Piezo1 的 mRNA 水平在各基因中最為豐富（圖 2a）。進(jìn)一步通過共聚焦顯微鏡觀察小鼠胰腺組織冷凍切片，證實(shí) Piezo1 蛋白存在于腺泡細(xì)胞表面，且可通過細(xì)胞形態(tài)及頂端酶原顆粒的胰蛋白酶染色明確腺泡細(xì)胞身份（圖 2b）。

為了探究 Piezo1 對(duì)胰腺腺泡細(xì)胞內(nèi)鈣的調(diào)節(jié)作用，研究發(fā)現(xiàn) Piezo1 激動(dòng)劑 Yoda1 可顯著升高細(xì)胞內(nèi)鈣濃度 [Ca2?] i，而機(jī)械敏感通道拮抗劑 GsMTx4 能抑制這一效應(yīng)（圖 2c-e ）。為驗(yàn)證特異性，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了 Ptf1a 啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的腺泡細(xì)胞特異性 Piezo1 敲除小鼠（Piezo1aci KO），他莫昔芬誘導(dǎo)后超 93% 腺泡細(xì)胞缺失功能性 Piezo1。該模型中，腺泡細(xì)胞對(duì) Yoda1 刺激無 [Ca2?] i 響應(yīng)，但對(duì)膽囊收縮素（CCK ）刺激的鈣反應(yīng)正常，證實(shí) Piezo1 特異性介導(dǎo)機(jī)械刺激引發(fā)的細(xì)胞內(nèi)鈣升高，而不影響其他信號(hào)通路的鈣調(diào)節(jié)功能。

為了驗(yàn)證 Yoda1 對(duì)胰腺腺泡細(xì)胞中 Piezo1 的直接作用，研究人員通過檢測(cè) LDH 釋放量評(píng)估細(xì)胞損傷。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Yoda1 以劑量依賴性方式增加了 C57BL/6J 小鼠分離腺泡上清液中的 LDH 釋放量 ，而 EGTA 螯合細(xì)胞外鈣或 GsMTx4 預(yù)處理可阻斷該效應(yīng)，這表明 Yoda1 對(duì)腺泡細(xì)胞的作用需要細(xì)胞外鈣。孵育 4 小時(shí)后，GsMTx4 仍能保護(hù)腺泡細(xì)胞免受細(xì)胞死亡（圖 2f）。為進(jìn)一步探討 Piezo1 激活的潛在有害作用，研究了 Yoda1 對(duì) Piezo1 基因缺失的腺泡細(xì)胞的影響。在 Piezo1 腺泡細(xì)胞特異性敲除小鼠（Piezo1aci KO）中，缺失功能性 Piezo1 的腺泡細(xì)胞wanquan抵抗 Yoda1 誘導(dǎo)的損傷（圖 2g）。

圖2    Piezo1 在胰腺腺泡細(xì)胞中表達(dá)。

接下來，為了進(jìn)一步探究 GsMTx4 是否會(huì)改變體內(nèi)壓力激活型胰腺炎模型中壓力的作用。研究人員在向胰腺施加壓力前 1 小時(shí)，腹腔注射 GsMTx4（270 μg/kg）。如圖 3 所示，所有由高胰管內(nèi)壓力誘導(dǎo)的胰腺炎指標(biāo)均因 GsMTx4 預(yù)處理而改善，這表明壓力對(duì)胰腺的有害作用涉及機(jī)械敏感離子通道的活性。

圖3     Piezo1 拮抗劑 GsMTx4 可減輕胰腺炎的嚴(yán)重程度。

為了明確 Piezo1 在急性胰腺炎中的核心作用，研究人員對(duì) Piezo1 腺泡細(xì)胞特異性敲除小鼠（Piezo1aci KO）進(jìn)行高胰管壓力刺激實(shí)驗(yàn)。免疫染色證實(shí) Piezo1aci KO 小鼠腺泡細(xì)胞表面 Piezo1 蛋白顯著缺失（圖 4），表明大多數(shù)腺泡細(xì)胞中 Piezo1 已被敲除。與野生型小鼠相比，Piezo1aci KO 小鼠在壓力刺激后，胰腺水腫、MPO 水平及組織學(xué)損傷（水腫、中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)、壞死、出血）均顯著減輕，其保護(hù)效果與 GsMTx4 藥物抑制相似。

圖4     胰腺腺泡細(xì)胞中 Piezo1 的基因缺失可減輕胰腺炎的嚴(yán)重程度。

最后，為了驗(yàn)證確定在無壓力情況下使用特異性 Piezo1 激動(dòng)劑激活 Piezo1 是否能重現(xiàn)在高壓條件下觀察到的效應(yīng)，研究人員在低壓條件下（胰管內(nèi)壓≤11 mmHg，剪切應(yīng)力可忽略）向野生型小鼠胰管注入 Piezo1 特異性激動(dòng)劑 Yoda1（0.4 mg/kg，5 μL/min×10 min）。結(jié)果顯示，與載體處理組相比，Yoda1 處理組小鼠的所有胰腺炎參數(shù)均顯著增加 （圖 5a-d）。實(shí)驗(yàn)顯示， Yoda1 在野生型小鼠中可誘發(fā)急性胰腺炎，但在腺泡細(xì)胞特異性敲除 Piezo1 的 Piezo1aci KO 小鼠中，Yoda1 無法引起水腫、淀粉酶升高、MPO 活性增強(qiáng)及組織學(xué)損傷等胰腺炎相關(guān)病理改變（圖 5a-d）。這些研究表明，施加于胰腺的壓力通過 Piezo1 誘發(fā)胰腺炎。

圖5     Piezo1 激動(dòng)劑 Yoda1 誘導(dǎo)急性胰腺炎的特異性依賴于腺泡細(xì)胞 Piezo1 表達(dá)。

總之，研究揭示了胰腺機(jī)械刺激誘發(fā)胰腺炎的分子機(jī)制：胰腺腺泡細(xì)胞表達(dá)的機(jī)械感受器 Piezo1 在受壓后激活，通過介導(dǎo)鈣內(nèi)流引發(fā)酶原過早激活與胰腺損傷。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，Piezo1 激動(dòng)劑 Yoda1 可獨(dú)立誘導(dǎo)胰腺炎，而 Piezo1 拮抗劑或腺泡細(xì)胞特異性基因缺失能阻斷這一過程。

參考文獻(xiàn)：Romac JM, Shahid RA, Swain SM, Vigna SR, Liddle RA. Piezo1 is a mechanically activated ion channel and mediates pressure induced pancreatitis. Nat Commun. 2018 Apr 30;9(1):1715. doi: 10.1038/s41467-018-04194-9. PMID: 29712913; PMCID: PMC5928090.

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