Piezo1-mediated stellate cell activation causes pressure-induced pancreatic fibrosis in mice

Keywords: Fibrosis; Gastroenterology.

慢性胰腺炎是一种胰腺组织进行性炎症性疾病，其特征是产生胰岛素的 β 细胞纤维化和丢失。一旦胰腺纤维化发展，胰腺功能的恢复就会受到限制。尽管饮酒是慢性胰腺炎的主要原因，但基因突变和胰管阻塞是其他公认的促成因素。这些原因都会引起胰腺纤维化，从而导致组织瘢痕形成和胰管狭窄，这两者都会导致胰管内压升高。因此，胰管内压力升高似乎会导致胰腺纤维化，而胰腺纤维化会进一步加剧胰腺压力。

研究证明，胰腺腺泡细胞通过机械激活的离子通道 Piezo1 感知压力。由剪切应力、膜拉伸或高压引起的膜张力会打开 Piezo1 通道，允许阳离子内流，主要是 Ca2+。过度的 Piezo1 激活会产生异常高浓度的细胞内钙（[Ca2+]i），这对细胞有有害影响。

胰腺纤维化是由活化的胰腺星状细胞（PSCs）分泌的细胞外基质（ECM）蛋白沉积引起的。然而，力引发这些影响的机制尚不清楚。基于对导管阻塞导致胰腺纤维化的观察，美国杜克大学医学系团队假设 PSCs 也对压力敏感，并在研究中阐明了 PSCs 表达机械敏感的离子通道 Piezo1，而这是压力诱导的胰腺纤维化的原因。研究成果发表于 JCI Insight 期刊题为“Piezo1-mediated stellate cell activation causes pressure-induced pancreatic fibrosis in mice”。

首先，通过结扎胰腺尾部区域建立一个临床相关的阻塞性胰腺炎模型来评估胰腺内压力对纤维化的影响（图1 A）。5 分钟后尾部区域的胰腺压力从 8.5 mmHg（未结扎压力）增加到 22.7 mmHg（结扎压力）（图1 B）。胰管结扎（PDL）8 天后，在尾部区域观察到明显的胰腺纤维化，胰腺未结扎区域未受影响（图1 D-G、J）。30 天后仍观察到类似的结果（图1 H、K），伴随胶原蛋白大量沉积的是尾部区域的内分泌和外分泌组织的受损（图1 J、K）。这些数据表明，胰内压升高会导致胰腺纤维化。

导管阻塞诱导胰腺纤维化的证明提高了 PSCs 对压力敏感的可能性。为了评估 Piezo1 在 PSCs 和胰腺纤维化中的潜在作用，在表达胶质纤维状酸性蛋白（GFAP）的星状细胞中删除了 Piezo1。结果表明，Piezo1GFAP-KO 小鼠免受部分导管结扎诱导的胰腺纤维化；相比之下，胰腺腺泡细胞中 Piezo1 选择性缺失的小鼠（Piezo1aci-KO 小鼠）仍受到压力诱导纤维化的影响（图1 D-G）。同样，导管结扎后 30 天，在 WT 中观察到大量胶原蛋白沉积伴胰腺外分泌和内分泌组织丢失，但在 Piezo1GFAP-KO 小鼠中未观察到（图1 H、K）。这些发现表明，导管结扎诱导的压力通过激活星状细胞来诱导胰腺纤维化，而不依赖于腺泡细胞介导的胰腺炎。

图1 Piezo1GFAP-KO 小鼠免受胰管结扎诱导的纤维化的影响。

众所周知，PSCs 在胰腺纤维化中产生过多的 ECM 蛋白，因此实验假设胰内压力增加会刺激 PSC ECM 产生。为了确定可能的机械受体表达，通过免疫染色在 PSCs 中鉴定了 Piezo1，并通过 [Ca2+]i 升高来证明响应其激动剂 Yoda1 的功能激活（图2 A、B）。在 Piezo1 缺失的 PSCs 中不存在 Yoda1 刺激的 [Ca2+]i 增加（图2 C、D），证实了 Yoda1 的作用对 Piezo1 具有特异性。GsMTx4 是一种 Piezo1 拮抗剂，可阻断 Yoda1 诱导的钙升高（图2 E）。去除外源性钙消除了 Yoda1 诱导的钙内流，替换钙（2 mM）恢复了钙流入，证明 Piezo1 介导的 PSCs 中 [Ca2+]i 的增加依赖于外源性钙（图2 F、G）。高剂量 Yoda1（25 μM）不影响 PSC 活力和膜完整性，但所有细胞都对钙离子载体离子霉素有反应。与小鼠 PSCs 一样，Piezo1 通道在人 PSCs 中表达，并且对 Yoda1 刺激后的 GsMTx4 阻断敏感（图2 H-J）。

剪切应力和压力等机械力是 Piezo1 的生理激活剂。对 PSCs 来施加机械力，1 秒的压力仅促使 [Ca2+]i 的瞬时上升。为了更长时间地施加机械力并避免细胞适应长时间的机械推动，使用流体剪切应力刺激。长时间的高流体剪切应力是一种类似于阻塞性胰腺炎期间高流体压力的情况。为了确定剪切应力对人 PSCs 的影响，以 12 dyne/cm2 的幅度持续 1 分钟，这产生了与 Yoda1（25 μM）类似的 [Ca2+]i 的持续增加。这些变化被 GsMTx4 阻止（图2 K、L）。与高剪切力的影响相反，低剪切应力（4 dyne/cm2，持续 1 分钟）或持续时间较短的高剪切应力（12 dyne/cm2，持续 5 秒）仅促使 [Ca2+]i 的瞬时上升（图2 M-Q）。这些发现表明，机械力对 [Ca2+]i 的影响取决于力和时间。

图2 Piezo1 在胰腺星状细胞中的功能表达。

正常胰腺组织中星状细胞为静止状态，静态的胰腺星状细胞内含维生素A脂滴和 ECM 蛋白（如纤连蛋白和胶原蛋白）的低水平表达。激活后，PSCs 会丢失核周脂肪滴并产生过量的 ECM 蛋白。为了确定 Piezo1 是否具有将静止 PSCs 转化为活化表型的能力，将 Yoda1 应用于人 PSCs，发现在 24 小时内，近 80% 的 PSCs 失去了核周脂肪滴并变得细长，平均细胞面积和最大直径显著增加；纤连蛋白、I 型胶原和 Piezo1 mRNA 水平也显著升高。与人类 PSCs 一样，Yoda1 将小鼠 PSCs 也转化为活化表型。Yoda1 对纤维化的所有影响在 Piezo1 缺失的 PSCs 中被阻止，证实了它们对 Piezo1 依赖性。

进一步地，为了确定机械力是否通过 Piezo1 介导星状细胞活化，研究了有和没有 GsMTx4 下高流体剪切应力的影响。施加在人 PSCs 上的剪切应力（12 dyne/cm2，持续 10 分钟）显著减少了核周脂肪滴的数量（图3 A、B）。Yoda1 增加了 Piezo1 的表达，这增加了反复暴露于机械力可能诱导 Piezo1 介导的纤维化反应的可能性。为了检验这一假设，以 24 小时的间隔施加两次剪切应力（25 dyne/cm2，持续 10 分钟），并在体外检查星状细胞活化和纤维化反应。重要的是，重复的剪切应力增加了人 PSCs 中纤连蛋白和 I 型胶原蛋白水平（图3 C-F）。用 GsMTx4 处理减轻了剪切应力介导的病理变化（图3），表明机械力通过 Piezo1 诱导星状细胞活化并增加 ECM 蛋白合成。

图3 流体剪切应力诱导体外星状细胞活化和纤维化。

研究报道，Piezo1 下游信号激活胰腺腺泡细胞和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）中的 TRPV4 通道。在此研究中，研究人员在小鼠和人 PSCs 中检测到功能性 TRPV4 通道。TRPV4 激动剂 GSK1016790A 在静止小鼠和人 PSCs 中使 [Ca2+]i 产生持续升高，并被 TRPV4 阻断剂HC067047阻断。

最后，为了确定 TRPV4 是否参与 PSCs 中 Piezo1 介导的 [Ca2+]i 变化，从 TRPV4-KO 小鼠中分离细胞。Yoda1 或长时间的高剪切应力（12 dyne/cm2，持续 1 分钟），通常会导致 [Ca2+]i 持续升高，但在 TRPV4 缺失 PSCs 中仅导致短暂的钙升高。TRPV4被通过PLA2-花生四烯酸（PLA2-AA）细胞色素P450环氧合酶依赖性途径产生的5'-6'EET激活。为了确定 Piezo1 是否激活 PLA2-AA，使用分泌型和细胞质 PLA2 抑制剂 YM26734 和 AACOCF3，发现YM26734 和 AACOCF3 一起显著抑制 WT 小鼠 PSCs 中 Yoda1 介导的 [Ca2+]i 持续升高。此外，GsMTx4 阻断了高剪切应力（12 dyne/cm2，持续 1 分钟）对 TRPV4 缺失 PSCs 中瞬时 [Ca2+]i 升高的影响，证实了最初的瞬时钙内流是由 Piezo1 引起的，而随后的 TRPV4 通道开放是 [Ca2+]i 持续升高的原因。

在确定 Piezo1 激活产生的 [Ca2+]i 持续升高需要 TRPV4 开放后，研究人员认为 TRPV4 负责星状细胞活化。为了测试这种可能性，用 Yoda1 处理从 TRPV4-KO 小鼠中分离的 PSCs。与 WT PSCs 相比，Yoda1 没有激活 TRPV4-KO 小鼠的 PSCs，也没有观察到 PSC 激活参数（细胞形状、核周脂肪滴丰度和 ECM 蛋白表达）的变化（图4 A-I）。如果 Piezo1 的病理作用（高压诱导的星状细胞活化和纤维化）需要 TRPV4 通道，预计缺失 TRPV4 的小鼠将受到保护，免受压力诱导的慢性胰腺炎和纤维化的影响。如图4 J-M 所示，缺乏 TRPV4 通道的小鼠受到保护，免受 PDL 诱导的胰腺纤维化的影响。

图4 TRPV4-KO 小鼠免受胰管结扎诱导的纤维化的影响。


图5 图形概要

总之，该研究表明，胰腺星状细胞通过表达机械激活的离子通道 Piezo1 表现出压力敏感性，并且 Piezo1 的激活会启动纤维化反应。Piezo1 激活的病理后果的完整表现需要钙触发的 TRPV4 通道开放及其伴随的钙内流。该研究观察结果与实验发现一起支持了一种通过阻断 Piezo1 或 TRPV4 通道来预防或治疗胰腺纤维化的可能策略。

参考文献：Swain SM, Romac JM, Vigna SR, Liddle RA. Piezo1-mediated stellate cell activation causes pressure-induced pancreatic fibrosis in mice. JCI Insight. 2022 Apr 22;7(8):e158288. doi: 10.1172/jci.insight.158288. PMID: 35451372; PMCID: PMC9089793.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35451372/

2023 Impact Factor: 6.3

ISSN: 2379-3708

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