这篇文献的标题是《Shear-stress sensing by PIEZO1 regulates tendon stiffness in rodents and influences jumping performance in humans》，由Fabian S. Passini等人撰写，发表于2021年12月的《Nature Biomedical Engineering》杂志上。文章的主要内容是关于肌腱如何感应机械负荷并调节其硬度，以及这一过程在啮齿动物和人类中的差异表现。
PIEZO1指的是一种特定的蛋白质，即机械敏感离子通道组件1（Piezo-type mechanosensitive ion channel component 1）。
PIEZO1是一种大型跨膜蛋白，属于机械敏感离子通道家族成员，它在细胞对机械力的感应和响应中起着关键作用
。
这类通道蛋白能够将细胞外部的机械刺激（如压力、拉伸或剪切应力）转化为细胞内部的生物化学信号
。
在这项研究中，PIEZO1被发现是腱细胞（tenocytes，即肌腱中的细胞）中的一种重要机械传感器。研究者们发现，
PIEZO1通过感应腱细胞内部的剪切应力来调节肌腱的硬度和强度，这一过程涉及到细胞内Ca2+信号的产生
。此外，PIEZO1的功能还与人类的跳跃性能相关联，研究
表明携带PIEZO1功能增强突变的个体在需要大量肌腱负荷的运动中表现更好。
因此，在这篇文献中，PIEZO1代表的是一种在肌腱机械转导过程中发挥核心作用的蛋白质，它对于肌腱的生物力学特性和人类运动性能具有重要影响。
研究背景：
-
肌腱的功能
：肌腱连接肌肉和骨骼，承受高机械力量，并在剧烈运动中储存和返回能量。
-
肌腱适应性
：
高负荷运动可以增强肌腱的机械属性，但对横截面积的影响较小
。
-
肌腱疾病治疗
：物理治疗常用于恢复肌腱性能，但其背后的细胞动力学和分子机制尚不清楚。
机械转导的重要性：
研究目的与方法：
实验过程：
-
肌腱细胞的Ca2+成像
：
剪切应力感应实验
：
PIEZO1的功能验证
：
小鼠模型的力学性能测试
：
人类参与者的跳跃性能测试
：
组织形态学和生物化学分析
：
结果：
-
腱原细胞的Ca2+响应
：
剪切应力感应
：
PIEZO1作为机械传感器
：
小鼠模型的力学性能
：
人类参与者的跳跃性能
：
组织形态学和生化分析
：
讨论：
-
PIEZO1的功能
：
机械转导的生物学意义
：
人类运动表现
：
临床应用
：
研究限制和未来方向
：
结论：
-
PIEZO1作为腱原细胞的机械传感器
：
PIEZO1调节肌腱硬度
：
PIEZO1影响人类运动表现
：
治疗潜力
：
补充信息：
图1 (Fig. 1): 机械诱导的Ca2+升高在组织驻留的腱细胞中
-
a
: 展示了用于同时拉伸和Ca2+成像的实验设置示意图。
-
b
: 展示了在低应变率下进行拉伸协议时，大鼠尾部腱束的Ca2+图像。
-
c
: 在不同应变率下，首次Ca2+信号的累积和。
-
d
: 不同应变率下，50%细胞显示首次Ca2+信号的组织应变的机械阈值。
-
e
: 机械刺激和Ca2+升高之间的时间滞后。
-
f
: 使用FLIM技术获得的OGB-1标记的腱细胞的[Ca2+]景观。
-
g
: 拉伸诱导和自发Ca2+信号的[Ca2+]增加的量化。
图2 (Fig. 2): 剪切应力作为腱细胞中Ca2+信号的关键刺激
-
a
: 基于低应变率下拉伸的大鼠束图像，通过测量相邻纤维之间的相对位移来量化纤维滑动。
-
b
: 由于纤维滑动而作用于腱细胞的理论剪切应力。
-
c
: 用于在剪切应力刺激下进行孤立腱细胞Ca2+成像的流动室的示意图。
-
d
: 5 Pa剪切应力诱导人类腱细胞中的Ca2+信号。
-
e
: 剪切应力增加导致响应细胞百分比增加。
-
f
: 不同解剖位置的腱细胞对剪切应力(5 Pa, 5 s)的Ca2+反应没有差异。
-
g
: 代表图像显示Ca2+信号起源于细胞外围。
图3 (Fig. 3): PIEZO1介导的剪切应力反应在人类腱细胞中
-
a
: 在Ca2+自由介质中，机械诱导的Ca2+信号几乎不存在，但在控制介质中恢复。
-
b
: 从RNA测序实验中筛选出的与机械敏感离子通道特性相关的候选基因。
-
c
: 使用CRISPR-Cas9基因编辑技术，针对选定基因的敲除效率。
-
d
: 免疫荧光图像和西方印迹分析，显示与无目标对照腱细胞相比，人类PIEZO1敲除腱细胞中PIEZO1的有效敲除。
-
e
: 剪切应力刺激(5 Pa, 5 s)下候选敲除细胞的Ca2+反应。
-
f
: PIEZO1敲除腱细胞和无目标对照腱细胞的Ca2+信号随时间的变化。
-
g
: 观察到的候选敲除细胞中Ca2+信号的平均幅度。
-
h
: 使用不同的CRISPR导向RNA生成的另外两个PIEZO1敲除，证实了剪切应力反应的降低。
图4 (Fig. 4): 来自腱细胞靶向Piezo1敲除小鼠的腱束的减少拉伸诱导Ca2+反应和硬度
-
a
: 通过交配表达Scleraxis启动子下的Tamoxifen敏感Cre重组酶CreERT2的小鼠与携带loxP-环绕Piezo1等位基因的小鼠来生成Scx-creERT2; Piezo1fl/fl小鼠。
-
b
: Piezo1cKO小鼠尾部腱束中Piezo1表达的降低。
-
c
: Piezo1cKO小鼠的腱束整体拉伸诱导Ca2+反应降低。
-
d
: 来自Piezo1cKO小鼠的腱束的单细胞分析显示，腱细胞的拉伸诱导Ca2+信号幅度降低，响应细胞的百分比降低。
-
e
: 来自Piezo1cKO小鼠的腱束的坡度至失效测试显示硬度降低。
图5 (Fig. 5): PIEZO1调节小鼠腱的硬度和强度
-
a
: 示意图展示了在体外实验中，腱外植体被暴露于反复的假手术(sham)或5 μM Yoda1刺激。
-
b
: Yoda1处理后，与对照腱束相比，腱束的Δ硬度和Δ强度更高，但直径没有差异。
-
c
: 基因表达分析显示，Yoda1刺激后，与胶原交联酶有关的基因表达上调。
-
d
: Piezo1GOF小鼠尾部腱束的坡度至失效测试显示，与野生型对照相比，硬度增加，但直径未受影响。
-
e
,
f
: Piezo1GOF小鼠的负荷承载腱(足底屈肌腱)的坡度至失效曲线显示，与野生型对照相比，硬度和强度平均增加了19%和17%，而宏观尺度的腱形态保持不变。
图6 (Fig. 6): Piezo1GOF小鼠的负荷承载腱中未改变的胶原纤维，但与交联相关的热稳定性和自发荧光增加
-
a
: 来自Piezo1GOF小鼠和野生型对照的植物腱中胶原纤维的透射电子显微镜图像。
-
b
,
c
: 对来自Piezo1GOF小鼠和野生型对照的植物腱中胶原纤维面积的量化显示，频率分布相似。
-
d
: 差示扫描量热法测量显示，与野生型对照相比，Piezo1GOF小鼠的腱具有增加的转换焓，表明热稳定性增加。
-
e
: 双光子显微镜图像用于评估与胶原交联吡啶啉相关的自发荧光信号，以及与胶原基质相关的二次谐波生成信号。
图7 (Fig. 7): 人类跳跃表现受PIEZO1GOF E756突变影响，对跟腱形态无影响
-
a
: 研究参与者中E756del携带者和非携带者的基因分型。
-
b
: E756del携带者和非携带者在年龄、身高和体重方面无差异。
-
c
,
d
: 超声波成像用于评估跟腱的横截面积和长度。
-
e
: 单腿CMJ和单腿DCMJ的示意图，用于评估跳跃表现。
-
f
: CMJ和DCMJ的平均跳跃高度在非携带者和E756del携带者之间相似。
-
g
: 将DCMJ高度标准化到CMJ高度，显示E756del携带者与非携带者相比，跳跃高度的标准化增加。
-
h
: 将跳跃高度差异(DCMJ和CMJ之间)转换为势能，证明E756del携带者更有效地将下落能量转换为跳跃高度。
这篇研究文章提供了深入的见解，不仅增进了我们对肌腱如何响应和适应机械负荷的理解，而且为未来的临床治疗和运动训练提供了潜在的新策略。
