Piezo1‐Mediated Mechanotransduction Contributes to Disturbed Flow‐Induced Atherosclerotic Endothelial Inflammation

Keywords: Piezo1; atherosclerosis; endothelial cells; inflammation; shear stress.

動脈粥樣硬化與心肌梗塞和中風密切相關，被認為是一種始于內(nèi)皮細胞（EC）活化的慢性炎癥性疾病。血流剪切應力是指流動的血液對血管表面施加的摩擦力。在動脈樹的直線區(qū)域中由單向流動產(chǎn)生的層流剪切應力（LSS）是抗動脈粥樣硬化的，而由動脈分支或彎曲處的擾動流（DF）產(chǎn)生的振蕩剪切應力（OSS）是致動脈粥樣硬化的。如果長期暴露于 DF，EC 炎性細胞因子的表達，尤其是血管細胞粘附分子1（VCAM-1）和細胞間粘附分子1（ICAM-1）的表達會增加。內(nèi)皮細胞的炎癥激活最終會促進并加速動脈粥樣硬化的發(fā)展。

Piezo1 是一種機械敏感蛋白，能夠將機械信號轉化為生物反應，其廣泛表達賦予 ECs 對血流剪切應力刺激的及時響應，這是血管各種生理和病理過程中的關鍵環(huán)節(jié)。然而，人們對 Piezo1 在心血管系統(tǒng)中的生物力學傳感作用知之甚少，尤其是在動脈粥樣硬化中，這與血流的剪切應力密切相關。

最近，在廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科及齊齊哈爾醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院的一項聯(lián)合研究中，評估了 Piezo1 在體內(nèi)動脈粥樣硬化中的作用。該團隊揭示了 Piezo1 在動脈粥樣硬化斑塊組織中上調(diào)，特別是在暴露于擾動流的 ECs 中；體外實驗表明，Piezo1 直接感應 OSS 的刺激，介導 Ca2+ 的內(nèi)流并激活內(nèi)皮炎癥。從機制上講，Piezo1 通過 Ca2+/CaM/CaMKII 通路激活粘著斑激酶（FAK）和 Src，導致 S127 位點的去磷酸化和 YAP（yes 相關蛋白）的核易位，最終觸發(fā)內(nèi)皮炎癥。研究成果發(fā)表在 Journal of the American Heart Association 期刊題為“Piezo1‐Mediated Mechanotransduction Contributes to Disturbed Flow‐Induced Atherosclerotic Endothelial Inflammation”。

首先，實驗檢查了高脂飲食的動脈粥樣硬化 apoE-/- 小鼠主動脈中 Piezo1 的表達，發(fā)現(xiàn)其Piezo1 水平顯著上調(diào)。免疫熒光染色進一步顯示，Piezo1 上調(diào)，主要與動脈粥樣硬化病變中的內(nèi)皮細胞共定位。然后驗證了 Piezo1 高表達與動脈粥樣硬化 DF 的關系，發(fā)現(xiàn)與主動脈弓的外曲率（層流區(qū)域）相比，主動脈弓的內(nèi)曲率（擾動流區(qū)域）表現(xiàn)出更高水平的 Piezo1。為了進一步證實上述發(fā)現(xiàn)，構建apoE-/- 小鼠部分頸動脈結扎模型，局部產(chǎn)生 DF 和 OSS 以加速動脈粥樣硬化，發(fā)現(xiàn)與未結扎的層流側相比，暴露于結扎側頸動脈擾動流中的 ECs 表現(xiàn)出更高水平的 Piezo1。這表明，Piezo1 在 ApoE-/- 小鼠的動脈粥樣硬化斑塊和擾動流暴露的內(nèi)皮區(qū)域中高表達。

為了探索 Piezo1 在體內(nèi)動脈粥樣硬化中的功能，對高脂飲食的apoE-/- 小鼠注射 GsMTx4（Piezo1 抑制劑），評估Piezo1 對動脈粥樣硬化的長期影響。油紅 O 染色和蘇木精-伊紅染色顯示，注射 GsMTx4 后，小鼠的總體斑塊負荷和主動脈根部斑塊面積顯著減少（圖1 A-D）。然后，通過頸動脈結扎誘導 DF 動脈粥樣硬化模型，驗證 Piezo1 在 DF 相關動脈粥樣硬化中的作用。同樣發(fā)現(xiàn)，抑制 Piezo1 顯著降低了與 DF 相關的頸動脈斑塊病變的進展（圖1 E、F）。

此外，還探討了 Piezo1 在內(nèi)皮炎癥中的作用。顯然，Piezo1 抑制劑減弱了動脈粥樣硬化炎癥標志物 VCAM-1 和 ICAM-1 的表達（圖1 G-I）。免疫熒光染色進一步證實了這一發(fā)現(xiàn)（圖1 J、K）。在部分頸動脈結扎模型中，DF 誘導的 VCAM-1 過表達被Piezo1 的抑制逆轉（圖1 L、M）。這些結果表明，抑制 Piezo1 可延緩長期和擾動流誘導的動脈粥樣硬化斑塊進展和內(nèi)皮炎癥。

圖1    抑制 Piezo1 可延緩長期和擾動流誘導的動脈粥樣硬化斑塊進展和內(nèi)皮炎癥。

接下來，為了研究 Piezo1 在 ECs 中如何響應 DF 發(fā)揮作用，將體外 HUVECs 組裝到平行板流通室中，并加載 OSS（0.5±4 dyn/cm2），模擬作用于血管內(nèi)膜的 DF 刺激。當保持靜態(tài)時，Piezo1 在 HUVECs 中擴散分布，但當受到 OSS 刺激時，出現(xiàn)局部高密度堆積（圖2 A）。考慮到Piezo1 激活時 Ca2+ 可滲透性，因此檢測了 Ca2+ 內(nèi)流以評估 OSS 是否可以激活 Piezo1。結果顯示，與靜態(tài)狀態(tài)相比，OSS 刺激促進細胞內(nèi) Ca2+ 積累，這與 LSS 和 Piezo1 激動劑 Yoda1 的作用一致，但與抑制劑 GsMTx4 相反（圖2 B-C）。

然后，在 HUVECs中進行 Piezo1 靶向沉默。Piezo1 沉默顯著抑制 OSS 介導的 Ca2+內(nèi)流（圖2 D-E）。隨后，將注意力轉向 Piezo1 在 OSS 誘導的內(nèi)皮炎癥中的作用，發(fā)現(xiàn)OSS 增加了內(nèi)皮炎癥標志物 VCAM-1 和 ICAM-1 的 mRNA 水平，然而，Piezo1 的缺失部分抵消了這種效應（圖2 F-G）。這些數(shù)據(jù)說明，Piezo1 響應 OSS 促進內(nèi)皮炎癥激活。

根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)研究 Piezo1 與內(nèi)皮炎癥之間的潛在聯(lián)系。據(jù)報道，YAP 是一種 OSS 敏感的轉錄因子，可被 OSS 激活以觸發(fā)內(nèi)皮炎癥和動脈粥樣硬化。研究發(fā)現(xiàn)，OSS 誘導 YAP 在絲氨酸 127 位點的時間依賴性去磷酸化。免疫熒光染色也顯示暴露于 OSS 后 HUVECs 中具有強烈的 YAP 核定位。然而，當 Piezo1 被刪除時，發(fā)現(xiàn) OSS 誘導的 YAP 激活被部分抑制，證明 YAP 是 Piezo1 的重要下游因子。

與體外結果一致，體內(nèi)觀察發(fā)現(xiàn)，部分頸動脈結扎誘導的 DF 導致內(nèi)皮細胞中 YAP 表達更高，而 Piezo1 抑制劑 GsTMx4 減輕了 YAP 的上調(diào)。挽救實驗發(fā)現(xiàn)，Piezo1 沉默介導的 VCAM-1 和 ICAM-1 的下調(diào)被 YAP 過表達逆轉。這表明，Piezo1 通過 YAP 激活促進內(nèi)皮炎癥。

圖2    Piezo1 響應振蕩剪切應力促進內(nèi)皮炎癥激活。

Piezo1 如何將 OSS 機械信號傳輸給 YAP 引起了研究人員的注意。FAK 和 Src 激酶家族在細胞機械信號傳感中起著重要作用。以往研究證實Piezo1 激活可調(diào)節(jié) FAK 活性，因此，實驗研究了 FAK/Src 是否參與 HUVECs 中 OSS 介導的 Piezo1 激活。結果表明，Piezo1 的缺失降低了 OSS 和 Yoda1 誘導的 Tyr397（p-FAK Y397）和 Tyr419（p-Src Y419）位點的 FAK 磷酸化水平。免疫沉淀和熒光共定位分析顯示，Piezo1 缺失降低了 FAK/Src 的共沉淀和共定位，表明 Piezo1 影響 FAK/Src 的結合。

已知 FAK 和 Src 可在機械反應中激活 YAP。因此，推測抑制 FAK 和 Src 激酶活性可能會挽救 Piezo1 誘導的 YAP 激活和炎癥表型。與此一致，用 FAK 抑制劑（PF-573228）和 Src 抑制劑（PP2）處理減少了 Yoda1 誘導的 YAP S127 去磷酸化和 VCAM-1 表達。這表明，Piezo1 通過 FAK/Src 激酶激活 YAP。

鑒于 Piezo1 通道的激活允許大量的 Ca2+內(nèi)流，經(jīng)典的鈣信號通路 Ca2+/CaM/CaMKs（Ca2+/calmodulin/calmodulin‐dependent protein kinases）可能是 Piezo1 激活與其下游事件之間的重要聯(lián)系。將CaMKK 抑制劑 STO-609和CaMKII 抑制劑 KN-93 分別添加到 HUVECs 中，發(fā)現(xiàn)只有 KN-93 抵消了 Piezo1 介導的 YAP S127 去磷酸化（圖3 A、B）。此外，用 Ca2+ 螯合劑 BAPTA、CaM 抑制劑 Trifluoperazine 和 CaMKII 抑制劑 KN-93處理 HUVECs。結果顯示，Yoda1 誘導的 YAP 去磷酸化和 VCAM-1 表達被 Ca2+/CaM/CaMKII 抑制劑抑制（圖3 C-E）。

最后，進一步測試 Ca2+/CaM/CaMKII 和 FAK/Src之間的聯(lián)系，將HUVECs 用 Ca2+、CaM 和 CaMKII 抑制劑處理，并評估 FAK 和 Src 的磷酸化，發(fā)現(xiàn) FAK 和 Src 的磷酸化受到抑制（圖3 F-H）。此外，抑制 CaMKII 激酶活性導致 FAK 和 Src 之間的相互作用減弱（圖3 I-J）。這些數(shù)據(jù)表明，Piezo1 介導的 YAP 激活和內(nèi)皮炎癥依賴于 Ca2+/CaM/CaMKII‐FAK/Src 軸。

圖3    Piezo1 介導的 YAP 激活和內(nèi)皮炎癥依賴于 Ca2+/CaM/CaMKII‐FAK/Src 軸。

圖4     Piezo1 響應 OSS 促進動脈粥樣硬化性內(nèi)皮炎癥的示意圖。

致動脈粥樣硬化 DF/OSS 激活內(nèi)皮 Piezo1。Piezo1 的激活允許 Ca2+ 內(nèi)流，隨后激活 Ca2+/CaM/CaMKII 信號通路和下游激酶 FAK/Src。這個過程有導致 YAP S127 去磷酸化，并最終觸發(fā)內(nèi)皮炎癥，推動動脈粥樣硬化的進展。

綜上所述，該研究表明，Piezo1 可能是動脈粥樣硬化的潛在治療靶點。研究闡明了 Piezo1 在 OSS 介導的內(nèi)皮炎癥中的機械轉導作用，確定了 Piezo1-Ca2+/CaM/CaMKII-FAK/Src-YAP 軸作為一種新的信號級聯(lián)反應。然而，目前尚不確定其他因素，例如膜受體串擾、銜接蛋白和激酶之間的相互作用以及其他轉錄因子的協(xié)同或抑制作用，是否也參與 Piezo1 介導的機械轉導途徑。構建更完整的內(nèi)皮機械轉導網(wǎng)絡值得未來進一步探索。

參考文獻：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.

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