中华急诊医学杂志  2025, Vol. 34 Issue (1): 122-126   DOI: 10.3760/cma.j.issn.1671-0282.2025.01.023
机械门控阳离子通道Piezo1与急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征研究进展
杨家豪1 , 钱风华2 , 陈雯2 , 孙旗1 , 姜旭升2 , 丁纯蕾1 , 沈梦雯1     
1. 上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院急诊医学科,上海 200437;
2. 上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院老年医学科,上海 200437

急性肺损伤(acute lung injury, ALI)是以弥漫性肺部炎症和肺毛细血管通透性增高为特征的临床综合征,严重时可造成急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)[1]。ALI/ARDS的发病机制相对复杂,其病理生理涉及全身多器官的相互作用、炎症反应、氧化应激、潮气量过度扩张、再灌注损伤等,迄今为止仍缺少有效的防治手段[2-3]

Piezo1是一种广泛分布于人体组织中的机械敏感离子通道。在心血管、泌尿和免疫系统及呼吸系统中均发挥着重要作用[4]。作为非选择性Ca2+通道,其对细胞内Ca2+浓度的调节影响着各类蛋白的表达及活性,从而对不同细胞的功能产生影响[5-6]。在既往动物实验中,已证明Piezo1在肺组织细胞中高表达[7];临床上,Piezo1与ALI/ARDS、肺水肿、肺动脉高压等呼吸系统疾病密切相关[8-9]。本文旨在综述国内外相关研究,总结Piezo1的发现、构成、特质,探讨Piezo1在ALI/ARDS病程中与炎症反应、氧化应激、内皮屏障功能、细胞死亡、机械通气状态的相关作用,为调控Piezo1的适度表达改善ALI/ARDS提供新思路。

1 Piezo1的发现、结构及功能

生物体的生存依赖于对自然界物理和化学信号的反应。在细胞层面同样如此,大量不同的蛋白,包括骨架蛋白、黏附相关因子、G蛋白偶连受体、以及离子通道蛋白共同调节着细胞对机械力的感觉和反应,Piezo1即归属于机械敏感离子通道蛋白中的一类[10-12],Piezo1于2010年首次被确定为小鼠神经母细胞瘤细胞系N2a机械激活电流的离子通道。在结构上,它与其同族蛋白Piezo2类似,同为同源三聚体结构,从顶端向下类似于“螺旋桨”或“三旋翼”,中心构成孔道允许离子通过,在中轴顶部有一细胞外“帽”结构域[13-15]。Piezo1主要分布于内皮细胞,成纤维细胞、血管平滑肌,在压力刺激和剪切应力的作用下可介导NA+、K+、Mg2+、Ca2+等阳离子内流[16-17],其对Ca2+内流的调节是介导机械传导的关键[18]

在过去的研究中,Piezo1与心血管系统中的疾病密切相关,如房颤、心衰、动脉粥样硬化、血栓形成等[19]。呼吸系统与心血管系统密切配合,调节着血液循环[9]。但肺循环与体循环不同,其将全部的心输出量均用于气体交换,肺不断受到血液动力学和呼吸力学、静水压力、血流压力和循环收缩的刺激。肺内皮细胞和肺上皮细胞由于肺泡膨胀而长期暴露于周期性的机械拉伸中,分布于肺泡内皮细胞上的Piezo1便在肺内动脉血管张力的刺激下发挥作用[4]

2 Piezo1与ALI/ARDS 2.1 Piezo1与炎症反应

直接引起ALI/ARDS的最常见原因是炎症反应。ALI/ARDS以弥漫性肺泡损伤为特点,损伤催动中性粒细胞的迁移,与肺泡巨噬细胞、血小板及其他炎症细胞共同产生多种促炎因子,这些因子将加重炎症反应[20]。骨髓来源的巨噬细胞显示出Piezo1的高表达性,对循环静水压的变化产生反应,驱动上调内皮素-1的转录从而稳定缺氧诱导因子,进而促进和延长炎症反应的进程。同时浸润的单核细胞也能对循环静水压作出反应,募集中性粒细胞并通过内皮素-1清除病原体[21]。敲除Piezo1的小鼠巨噬细胞显示出对炎症的抑制和伤口愈合的增加。抑制Piezo1的表达会降低促炎细胞因子产生,Piezo1通过调节NF-κB和促炎标志物,包括肿瘤坏死因子-α(tumour necrosis factor-α, TNF-α)和白介素(interleukin, IL)-6来增强炎症反应[22-23]

此外在TLR信号通路中发现当巨噬细胞在脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)或感染情况下能够使Piezo1活化,导致CA2+内流以激活Hippo信号通路关键激酶Mst1/2,进而激活Rac家族蛋白,加强巨噬细胞的吞噬及清除细菌能力[24]。另外,在树突状细胞上表达的Piezo1能够同时对机械应力和炎症刺激做出反应,改变炎症因子释放水平,决定免疫应答结局[25]。近期的一项实验中还发现,Piezo1的表达能通过选择性抑制Treg细胞,增强免疫反应清除病原体[26]

上述研究表明,Piezo1在机械应力、脂多糖诱导或感染情况下都能被不同程度的激活,其表达水平的高低影响巨噬细胞及促炎因子释放水平,调节炎症反应程度与清除病原体能力。所以Piezo1适当的表达或许有助于病原体的清除,进而避免“炎症风暴”的进一步发生,改善ALI/ADRS。

2.2 Piezo1与氧化应激

氧化应激表现为氧化剂(reactive oxygen species, ROS)的异常产生与抗氧化防御的受损,可导致细胞损伤,引发炎症细胞介导的促炎细胞因子如TNF-α、IL-6等的积累[27]。氧化应激增加的特征是氧化剂和抗氧化剂之间的不平衡且偏向于氧化剂,是ALI/ARDS发病机制的主要因素之一[28]

Piezo1在调节氧化应激上也发挥着作用。在椎间盘变性模型中,髓核细胞上的Piezo1在机械力的作用下被激活,增加细胞内ROS的水平以及GRP78和CHOP的表达导致氧化应激的加重[29]。在对乙酰氨基酚诱导的急性肝衰竭动物模型中,使用Piezo1激动剂激活Piezo1会导致抗氧化调节因子Nrf2的积累并上调其靶基因的表达,从而减少ROS的产生抑制氧化应激[30]

Piezo1在不同细胞中发挥着不同氧化应激作用,其在肺内表达水平的高低对氧化应激的影响,以及其在不同条件下是否存在双向调节作用,目前尚缺乏直接证据,亟待进一步研究。

2.3 Piezo1与肺内皮细胞屏障

肺内皮细胞屏障功能障碍导致的肺血管渗透性增加是ARDS/ALI的主要病理特征[31-32]。细胞紧密连接在维持正常屏障功能中扮演着重要的作用。研究发现Piezo1与细胞紧密连接的稳定存在着一定的联系。细胞紧密连接存在于细胞接触的最顶端区域,由胞质蛋白(紧密连接蛋白ZO-1、ZO-2、ZO-3)和跨膜蛋白(紧密连接蛋白claudin、闭合蛋白occludin、连接黏附分子)组成[33],这些蛋白质的破坏与肺内细胞屏障功能相关[34]。既往实验已经证实,适度的激活ROCK1/2有助于细胞紧密连接蛋白的形成及完整性,但在炎症等病理状态下过度激活的ROCK1/2反而会使细胞紧密连接受到破坏[35]。一项最新的实验发现,claudin-1表达的稳定性需要依赖ROCK1/2的活性的维持;而Piezo1的表达能够通过ROCK1/2通路负调节claudin-1的表达从而影响细胞紧密连接导致细胞屏障功能的破坏[36]。在敲除Piezo1的小鼠中,升高肺微血管压力引起的渗漏和水肿较正常小鼠明显减少,进一步研究发现Piezo1促进了内皮黏附连接蛋白钙黏蛋白(VE-cadherin)的分解而造成细胞屏障的破坏[37]。另外,Piezo1会与囊性纤维化跨膜传导调节蛋白相互作用并增强功能,后者的功能障碍会加重肺内皮细胞屏障的衰竭并抑制血管的修复与生成[38]

以上研究表明,Piezo1在维持肺内皮细胞屏障功能上有着重要作用。不仅能通过ROCK1/2通路调节claudin-1的表达,也能通过调节VE-cadherin的分解对细胞屏障造成破坏,还能与囊性纤维化跨膜传导调节蛋白相互作用抑制肺内皮细胞屏障的衰竭。使Piezo1适度表达以维持细胞屏障的稳定或可改善ALI/ARDS的肺血管渗漏状态。

2.4 Piezo1与细胞死亡 2.4.1 Piezo1与细胞凋亡

通过对细胞凋亡的调节,能够减轻肺损伤程度[39]。Ⅱ型肺泡细胞的合成、分泌、再利用表面活性物质能力在抑制ALI/ARDS发生发展上发挥着重要作用[40]。在LPS诱导的肺损伤小鼠模型上,抑制Ⅱ型肺泡细胞的凋亡能明显提高小鼠存活率[41]。通过机械敏感Ca2+通道介导的Ca2+稳态丧失将会导致细胞凋亡,Piezo1作为机械敏感Ca2+通道中的一员,也调节着细胞凋亡[42]。在一项实验中发现,Piezo1在Ⅱ型肺泡细胞中表达,在ALI/ARDS过程中的机械拉伸诱导Piezo1激活,造成细胞内Ca2+的增加诱导Ⅱ型肺泡细胞凋亡,最终导致ALI/ARDS的加重,这可能与B淋巴细胞瘤-2基因通路相关[43]

2.4.2 Piezo1与铁死亡

铁死亡与ALI/ARDS的发生密切相关[44]。铁死亡是一种不同于细胞凋亡、自噬等的一种依赖铁和脂质氢过氧化物的细胞死亡形式[45-46]。在缺血-再灌注诱导的ALI小鼠上使用铁蛋白酶抑制剂能够减轻其肺损伤的程度[47]。同样由LPS和分枝杆菌引起的ALI小鼠上使用铁死亡抑制剂(Ferrostatin-1)也能减轻肺损伤的程度[48-49]。除此之外铜绿假单胞菌作为医院感染的重要病原体能通过激活脂肪氧化酶(lipoxygenase, pLOXA)氧化磷脂酰乙醇胺导致铁死亡引起肺炎[50-51]。近期的研究中发现机械应力和铁死亡密切相关,其中Piezo1便扮演着重要的角色。在机械应力的作用下Piezo1被激活使得CA2+内流增多而损害谷胱甘肽,进而抑制谷胱甘肽过氧化物酶4的功能从而诱导细胞的铁死亡,其特征是线粒体功能紊乱和氧化应激的加剧[52-53]。放射性肺损伤中铁死亡起着至关重要的作用,研究发现在经过电离辐射后,Piezo1在肺内皮细胞中的表达增多而激活Ca2+/钙蛋白酶信号传导,造成钙黏蛋白裂解最终促进铁死亡加重肺损伤[54]

Piezo1以复杂多样的机制介导着细胞凋亡与铁死亡。因此在ALI/ARDS患者中,抑制Piezo1的表达,减少Ⅱ型肺泡细胞损伤,钙黏蛋白裂解,有助于ALI/ARDS患者的康复。

2.5 Piezo1与机械通气

ALI/ARDS约占重症监护室入院人数的10%,占机械通气患者的23%,重症患者的病死率高达45%[55]。虽然机械通气是ALI/ARDS不可或缺的治疗措施,但它造成的过度拉伸会损伤肺上皮细胞并加剧先前存在的肺损伤[56-57]。另外,机械通气导致的高拉伸调节气道平滑肌细胞的Piezo1-整合素信号会促进平滑肌细胞表型转换并激活内质网应激,加重肺泡炎性反应与通透性[58]。长期的机械通气会导致肺上皮细胞重构发生紊乱进而引起ARDS相关肺纤维化,其发病机制与Piezo1密切相关[59]。上皮间充质转化是肺纤维化的基础,Piezo1在机械拉伸的激活下介导腺嘌呤核苷三磷酸的释放增强上皮间充质转化从而加重肺纤维化[60]。在另一项实验中,高潮气量机械通气下被过度拉伸的细胞对Piezo1的表达增加。抑制Piezo1的表达能显著拮抗ROCK1/RhOA的表达从而减轻机械通气诱导的肺损伤程度,并提高机械通气诱导ALI/ARDS小鼠模型的7 d存活率[61]

以上研究表明,抑制Piezo1的表达或可抑制机械通气诱导的肺损伤以及减轻ARDS相关肺纤维化的程度。

3 结语与展望

Piezo1在机体内分布广泛,调节机制复杂且具有双向性,Piezo1在ALI/ARDS发生、发展、控制中起着复杂多样的作用,其现阶段研究进展和机遇在于:(1)Piezo1的适度表达,有利于多种因子的募集,进而减轻ALI/ARDS时的炎症反应,控制氧化应激;同时,调控细胞紧密连接,发挥稳定肺内皮细胞屏障的作用;(2)Piezo1的过表达会加重细胞死亡,加重机械通气下的肺损伤;(3)尽管已有十分丰富的研究成果,但是多停留在基础研究层面,临床研究十分有限,缺乏临床可观察的直接或间接指标可能是限制其临床应用的因素之一;(4)同时,也是因为评价手段的限制,Piezo1的调节剂开发尚属于初步阶段,其特异性和安全性仍需进一步评估;(5)基于Piezo1的适度和过度作用表现,仍需要更多的研究来探索其不同表达水平对机体产生的影响,为更有针对性的ALI/ARDS治疗、组织器官保护、干预与中止干预节点提供依据。

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