Piezo1 介导的机械转导导致血流紊乱诱导的动脉粥样硬化内皮炎症

Naturethink · 公众号 · 科研医学 · 2024-11-11 08:00

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动脉粥样硬化与心肌梗塞和中风密切相关，被认为是一种始于内皮细胞（EC）活化的慢性炎症性疾病。血流剪切应力是指流动的血液对血管表面施加的摩擦力。在动脉树的直线区域中由单向流动产生的层流剪切应力（LSS）是抗动脉粥样硬化的，而由动脉分支或弯曲处的扰动流（DF）产生的振荡剪切应力（OSS）是致动脉粥样硬化的。如果长期暴露于 DF，EC 炎性细胞因子的表达，尤其是血管细胞粘附分子1（VCAM-1）和细胞间粘附分子1（ICAM-1）的表达会增加。内皮细胞的炎症激活最终会促进并加速动脉粥样硬化的发展。

Piezo1 是一种机械敏感蛋白，能够将机械信号转化为生物反应，其广泛表达赋予 ECs 对血流剪切应力刺激的及时响应，这是血管各种生理和病理过程中的关键环节。然而，人们对 Piezo1 在心血管系统中的生物力学传感作用知之甚少，尤其是在动脉粥样硬化中，这与血流的剪切应力密切相关。

最近，在广西医科大学第一附属医院神经内科及齐齐哈尔医学院第二附属医院的一项联合研究中，评估了 Piezo1 在体内动脉粥样硬化中的作用。该团队揭示了 Piezo1 在动脉粥样硬化斑块组织中上调，特别是在暴露于扰动流的 ECs 中；体外实验表明，Piezo1 直接感应 OSS 的刺激，介导 Ca2+ 的内流并激活内皮炎症。从机制上讲，Piezo1 通过 Ca2+/CaM/CaMKII 通路激活粘着斑激酶（FAK）和 Src，导致 S127 位点的去磷酸化和 YAP（yes 相关蛋白）的核易位，最终触发内皮炎症。研究成果发表在 Journal of the American Heart Association 期刊题为“Piezo1‐Mediated Mechanotransduction Contributes to Disturbed Flow‐Induced Atherosclerotic Endothelial Inflammation”。

首先，实验检查了高脂饮食的动脉粥样硬化 apoE-/- 小鼠主动脉中 Piezo1 的表达，发现其 Piezo1 水平显著上调。免疫荧光染色进一步显示，Piezo1 上调，主要与动脉粥样硬化病变中的内皮细胞共定位。然后验证了 Piezo1 高表达与动脉粥样硬化 DF 的关系，发现与主动脉弓的外曲率（层流区域）相比，主动脉弓的内曲率（扰动流区域）表现出更高水平的 Piezo1。为了进一步证实上述发现，构建 apoE-/- 小鼠部分颈动脉结扎模型，局部产生 DF 和 OSS 以加速动脉粥样硬化，发现与未结扎的层流侧相比，暴露于结扎侧颈动脉扰动流中的 ECs 表现出更高水平的 Piezo1。这表明，Piezo1 在 ApoE-/- 小鼠的动脉粥样硬化斑块和扰动流暴露的内皮区域中高表达。

为了探索 Piezo1 在体内动脉粥样硬化中的功能，对高脂饮食的apoE-/- 小鼠注射 GsMTx4（Piezo1 抑制剂），评估 Piezo1 对动脉粥样硬化的长期影响。油红 O 染色和苏木精-伊红染色显示，注射 GsMTx4 后，小鼠的总体斑块负荷和主动脉根部斑块面积显著减少（图1 A-D）。然后，通过颈动脉结扎诱导 DF 动脉粥样硬化模型，验证 Piezo1 在 DF 相关动脉粥样硬化中的作用。同样发现，抑制 Piezo1 显著降低了与 DF 相关的颈动脉斑块病变的进展（图1 E、F）。

此外，还探讨了 Piezo1 在内皮炎症中的作用。显然，Piezo1 抑制剂减弱了动脉粥样硬化炎症标志物 VCAM-1 和 ICAM-1 的表达（图1 G-I）。免疫荧光染色进一步证实了这一发现（图1 J、K）。在部分颈动脉结扎模型中，DF 诱导的 VCAM-1 过表达被 Piezo1 的抑制逆转（图1 L、M）。这些结果表明，抑制 Piezo1 可延缓长期和扰动流诱导的动脉粥样硬化斑块进展和内皮炎症。

图1 抑制 Piezo1 可延缓长期和扰动流诱导的动脉粥样硬化斑块进展和内皮炎症。

接下来，为了研究 Piezo1 在 ECs 中如何响应 DF 发挥作用，将体外 HUVECs 组装到平行板流通室中，并加载 OSS（0.5±4 dyn/cm2），模拟作用于血管内膜的 DF 刺激。当保持静态时，Piezo1 在 HUVECs 中扩散分布，但当受到 OSS 刺激时，出现局部高密度堆积（图2 A）。考虑到 Piezo1 激活时 Ca2+ 可渗透性，因此检测了 Ca2+ 内流以评估 OSS 是否可以激活 Piezo1。结果显示，与静态状态相比，OSS 刺激促进细胞内 Ca2+ 积累，这与 LSS 和 Piezo1 激动剂 Yoda1 的作用一致，但与抑制剂 GsMTx4 相反（图2 B-C）。

然后，在 HUVECs 中进行 Piezo1 靶向沉默。Piezo1 沉默显著抑制 OSS 介导的 Ca2+内流（图2 D-E）。随后，将注意力转向 Piezo1 在 OSS 诱导的内皮炎症中的作用，发现 OSS 增加了内皮炎症标志物 VCAM-1 和 ICAM-1 的 mRNA 水平，然而，Piezo1 的缺失部分抵消了这种效应（图2 F-G）。这些数据说明，Piezo1 响应 OSS 促进内皮炎症激活。

根据上述发现，继续研究 Piezo1 与内皮炎症之间的潜在联系。据报道，YAP 是一种 OSS 敏感的转录因子，可被 OSS 激活以触发内皮炎症和动脉粥样硬化。研究发现，OSS 诱导 YAP 在丝氨酸 127 位点的时间依赖性去磷酸化。免疫荧光染色也显示暴露于 OSS 后 HUVECs 中具有强烈的 YAP 核定位。然而，当 Piezo1 被删除时，发现 OSS 诱导的 YAP 激活被部分抑制，证明 YAP 是 Piezo1 的重要下游因子。

与体外结果一致，体内观察发现，部分颈动脉结扎诱导的 DF 导致内皮细胞中 YAP 表达更高，而 Piezo1 抑制剂 GsTMx4 减轻了 YAP 的上调。挽救实验发现，Piezo1 沉默介导的 VCAM-1 和 ICAM-1 的下调被 YAP 过表达逆转。这表明，Piezo1 通过 YAP 激活促进内皮炎症。

图2 Piezo1 响应振荡剪切应力促进内皮炎症激活。

Piezo1 如何将 OSS 机械信号传输给 YAP 引起了研究人员的注意。FAK 和 Src 激酶家族在细胞机械信号传感中起着重要作用。以往研究证实 Piezo1 激活可调节 FAK 活性，因此，实验研究了 FAK/Src 是否参与 HUVECs 中 OSS 介导的 Piezo1 激活。结果表明，Piezo1 的缺失降低了 OSS 和 Yoda1 诱导的 Tyr397（p-FAK Y397）和 Tyr419（p-Src Y419）位点的 FAK 磷酸化水平。免疫沉淀和荧光共定位分析显示，Piezo1 缺失降低了 FAK/Src 的共沉淀和共定位，表明 Piezo1 影响 FAK/Src 的结合。

已知 FAK 和 Src 可在机械反应中激活 YAP。因此，推测抑制 FAK 和 Src 激酶活性可能会挽救 Piezo1 诱导的 YAP 激活和炎症表型。与此一致，用 FAK 抑制剂（PF-573228）和 Src 抑制剂（PP2）处理减少了 Yoda1 诱导的 YAP S127 去磷酸化和 VCAM-1 表达。这表明，Piezo1 通过 FAK/Src 激酶激活 YAP。

鉴于 Piezo1 通道的激活允许大量的 Ca2+ 内流，经典的钙信号通路 Ca2+/CaM/CaMKs（Ca2+/calmodulin/calmodulin‐dependent protein kinases）可能是 Piezo1 激活与其下游事件之间的重要联系。将 CaMKK 抑制剂 STO-609 和 CaMKII 抑制剂 KN-93 分别添加到 HUVECs 中，发现只有 KN-93 抵消了 Piezo1 介导的 YAP S127 去磷酸化（图3 A、B）。此外，用 Ca2+ 螯合剂 BAPTA、CaM 抑制剂 Trifluoperazine 和 CaMKII 抑制剂 KN-93 处理 HUVECs。结果显示，Yoda1 诱导的 YAP 去磷酸化和 VCAM-1 表达被 Ca2+/CaM/CaMKII 抑制剂抑制（图3 C-E）。

最后，进一步测试 Ca2+/CaM/CaMKII 和 FAK/Src 之间的联系，将 HUVECs 用 Ca2+、CaM 和 CaMKII 抑制剂处理，并评估 FAK 和 Src 的磷酸化，发现 FAK 和 Src 的磷酸化受到抑制（图3 F-H）。此外，抑制 CaMKII 激酶活性导致 FAK 和 Src 之间的相互作用减弱（图3 I-J）。这些数据表明，Piezo1 介导的 YAP 激活和内皮炎症依赖于 Ca2+/CaM/CaMKII‐FAK/Src 轴。

图3 Piezo1 介导的 YAP 激活和内皮炎症依赖于 Ca2+/CaM/CaMKII‐FAK/Src 轴。

图4 Piezo1 响应 OSS 促进动脉粥样硬化性内皮炎症的示意图。

致动脉粥样硬化 DF/OSS 激活内皮 Piezo1。Piezo1 的激活允许 Ca2+ 内流，随后激活 Ca2+/CaM/CaMKII 信号通路和下游激酶 FAK/Src。这个过程有导致 YAP S127 去磷酸化，并最终触发内皮炎症，推动动脉粥样硬化的进展。

综上所述，该研究表明，Piezo1 可能是动脉粥样硬化的潜在治疗靶点。研究阐明了 Piezo1 在 OSS 介导的内皮炎症中的机械转导作用，确定了 Piezo1-Ca2+/CaM/CaMKII-FAK/Src-YAP 轴作为一种新的信号级联反应。然而，目前尚不确定其他因素，例如膜受体串扰、衔接蛋白和激酶之间的相互作用以及其他转录因子的协同或抑制作用，是否也参与 Piezo1 介导的机械转导途径。构建更完整的内皮机械转导网络值得未来进一步探索。

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参考文献：Lan Y, Lu J, Zhang S, Jie C, Chen C, Xiao C, Qin C, Cheng D. Piezo1-Mediated Mechanotransduction Contributes to Disturbed Flow-Induced Atherosclerotic Endothelial Inflammation. J Am Heart Assoc. 2024 Nov 5;13(21):e035558. doi: 10.1161/JAHA.123.035558. Epub 2024 Oct 25. PMID: 39450718.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39450718/或点击阅读原文

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