机械牵张通过机械激活的阳离子通道 Piezo1 促进增生性瘢痕的形成
2025-08-19 来源:本站 点击次数:71
Mechanical stretch promotes hypertrophic scar formation through mechanically activated cation channel Piezo1
Subject terms: Cell signalling, Mechanisms of disease
增生性瘢痕（HS）是皮肤损伤后引发的纤维增生性疾病，严重影响患者的功能与外观，目前的治疗手段效果欠佳，亟需探索新疗法。虽然传统研究聚焦于细胞因子机制，但近年来生物力学信号在瘢痕形成中的作用逐渐受到关注，机械牵张能促使成纤维细胞向肌成纤维细胞分化，加剧细胞外基质（ECM）沉积，不过细胞机械感知的具体分子机制尚不明确。Piezo1 通道作为一种新型机械激活阳离子通道（MAC），据报道能够调节力介导的细胞生物学行为。然而，Piezo1 在 HS 形成中的机械转导作用尚未被研究。
基于此， 上海交通大学医学院附属第九人民医院整复外科的研究团队提出假设：瘢痕异常的机械微环境通过 Piezo1 调控真皮成纤维细胞活性，推动 HS 形成。通过实验验证，研究发现 Piezo1 在人及大鼠 HS 组织中过表达；体外模拟机械应力表明其可调节人真皮成纤维细胞中 Piezo1 的表达及纤维增生表型；动物实验则证实 Piezo1 抑制剂能减轻大鼠 HS 形成。研究结果发表在Cell death & disease期刊题为“Mechanical stretch promotes hypertrophic scar formation through mechanically activated cation channel Piezo1”。
首先，研究人员通过 RT-qPCR 分析人真皮成纤维细胞中 Piezo1 和 Piezo2 的表达，发现 Piezo1 的 mRNA 水平显著高于 Piezo2（图 1A）。在人类组织层面，利用 Western blot、免疫荧光及免疫组化等方法证实，HS 组织中 Piezo1 蛋白表达水平较正常皮肤明显升高（图 1B, C），且通过 Piezo1 与 α-SMA 的共染色观察到，Piezo1 在 HS 组织的肌成纤维细胞中呈现高表达（图 1D）。为进一步验证，研究人员在牵张诱导的大鼠尾部 HS 模型中进行研究，免疫组化结果显示 Piezo1 在大鼠 HS 真皮层广泛过表达（图 1E, F）。免疫荧光共染色亦表明 Piezo1 与 α-SMA 在大鼠 HS 组织中存在明显共定位，这与人类 HS 组织中的现象一致（图 1G）。这些结果共同证实了 Piezo1 在 HS 组织中的高表达及其与肌成纤维细胞的关联性，即Piezo1 可能参与 HS 形成。
为了探究 HS 组织中增加的基质硬度是否影响 Piezo1 上调，研究人员借助 CMS 模型模拟 HS 发展中组织硬度增加。研究人员检测了不同牵张强度下 HDFs 中 Piezo1 的蛋白水平（图 2A,B），发现Piezo1 表达随牵张强度增加而上调。此外，当施加 10% 牵张强度时，Piezo1 表达也随时间增加（图 2C,D）。这些结果表明，CMS 以时间和强度依赖性方式显著增加 HDFs 中 Piezo1 的表达。
鉴于 Piezo1 作为跨膜离子通道可响应机械牵张介导钙内流，为了测试 Piezo1 活性是否影响 HDFs 中的钙内流，研究人员进一步用 Fluo - 8 荧光染料检测发现，CMS 能促进 HDFs 胞内钙浓度升高，而使用 Piezo1 拮抗剂 GsMTx4 或 siRNA 敲低 Piezo1 后，该钙内流现象被显著抑制，表明 Piezo1 介导了 CMS 作用下 HDFs 的钙内流（图 2E-H）。这些结果表明 CMS 可能促进 HDFs 中 Piezo1 过表达及 Piezo1 介导的钙内流。
为了探究 Piezo1是否参与机械力诱导的成纤维细胞增殖，研究人员通过 Ki67 免疫荧光染色评估 HDFs 增殖能力。结果发现 ，CMS 显著增加 Ki67 阳性细胞比例，而 GsMTx4 处理或 Piezo1 敲低则抑制牵张诱导的增殖（图 3A-D）。这表明 Piezo1 可能参与牵张诱导的 HDFs 增殖 。并进行了流式细胞术检测，以确定 Piezo1 活性是否在体外调节 HDFs 的细胞凋亡，结果显示各组细胞凋亡率无差异。此外，Transwell 迁移实验表明 CMS 可增强 HDFs 迁移能力，同样可被 GsMTx4 或 Piezo1 敲低所抑制（图 3E-H）。综上，研究证实 Piezo1 可能参与机械牵张诱导的 HDFs 增殖与迁移过程。
为了确定 Piezo1 在 HDFs 分化中的作用，研究人员通过 Western blotting 和免疫荧光检测 α-SMA 表达，结果发现 CMS 可显著促进 HDFs 中 α-SMA 的表达，而 GsMTx4 处理或 Piezo1 敲低则抑制了这一现象（图 4A-H）。
鉴于 α-SMA 表达与肌成纤维细胞收缩力正相关，胶原凝胶收缩实验显示 CMS 处理的 HDFs 收缩力更强，同样可被 Piezo1 抑制或敲低所减弱（图 4I-L 。此外，针对瘢痕形成中胶原过度沉积的特征，Western blotting 结果表明 CMS 能上调 I 型胶原、III 型胶原和纤连蛋白的表达，而抑制或敲低 Piezo1 可显著减弱 HDFs 的 ECM 分泌能力（图 4M-P）。这些实验结果表明机械牵张诱导的 HDFs 分化可能受 Piezo1 活性的调控。
最后，为了明确Piezo1 在机械牵张诱导HS中的关键作用，研究人员在牵张诱导的大鼠瘢痕模型中检测了 GsMTx4 处理的效果 （图 5A）。结果显示，相比对照组，GsMTx4 处理可减轻瘢痕充血与隆起（图 5B），组织学分析表明其横截面积和瘢痕隆起指数（SEI）显著降低（图 5C-F），天狼星红染色显示胶原密度下降（图 5G, H），免疫组化证实 α-SMA 表达减少，即肌成纤维细胞活化受抑（图 5I, J）。这些发现表明，施加于伤口部位的持续机械牵张可能通过 Piezo1 诱导 HS 形成（图 6）。
总之，研究证实 Piezo1 的激活可介导增生性瘢痕的形成，机械牵张通过激活真皮成纤维细胞中的 Piezo1，促进其增殖、迁移、向肌成纤维细胞分化及细胞外基质过度分泌，进而推动 HS 进展。而通过施用 GsMTx4 或 Piezo1-siRNA 抑制 Piezo1 活性，能减轻成纤维细胞的机械感知功能，在体外和大鼠模型中均有效抑制瘢痕过度增生，提示 Piezo1 阻断肽 GsMTx4 具有作为 HS 治疗策略的潜力。
参考文献：He J, Fang B, Shan S, Xie Y, Wang C, Zhang Y, Zhang X, Li Q. Mechanical stretch promotes hypertrophic scar formation through mechanically activated cation channel Piezo1. Cell Death Dis. 2021 Mar 1;12(3):226. doi: 10.1038/s41419-021-03481-6. PMID: 33649312; PMCID: PMC7921104.
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33649312/
Impact Factor: 9.6
ISSN: 2041-4889 (Electronic)
Subject terms: Cell signalling, Mechanisms of disease
增生性瘢痕（HS）是皮肤损伤后引发的纤维增生性疾病，严重影响患者的功能与外观，目前的治疗手段效果欠佳，亟需探索新疗法。虽然传统研究聚焦于细胞因子机制，但近年来生物力学信号在瘢痕形成中的作用逐渐受到关注，机械牵张能促使成纤维细胞向肌成纤维细胞分化，加剧细胞外基质（ECM）沉积，不过细胞机械感知的具体分子机制尚不明确。Piezo1 通道作为一种新型机械激活阳离子通道（MAC），据报道能够调节力介导的细胞生物学行为。然而，Piezo1 在 HS 形成中的机械转导作用尚未被研究。
基于此， 上海交通大学医学院附属第九人民医院整复外科的研究团队提出假设：瘢痕异常的机械微环境通过 Piezo1 调控真皮成纤维细胞活性，推动 HS 形成。通过实验验证，研究发现 Piezo1 在人及大鼠 HS 组织中过表达；体外模拟机械应力表明其可调节人真皮成纤维细胞中 Piezo1 的表达及纤维增生表型；动物实验则证实 Piezo1 抑制剂能减轻大鼠 HS 形成。研究结果发表在Cell death & disease期刊题为“Mechanical stretch promotes hypertrophic scar formation through mechanically activated cation channel Piezo1”。
首先，研究人员通过 RT-qPCR 分析人真皮成纤维细胞中 Piezo1 和 Piezo2 的表达，发现 Piezo1 的 mRNA 水平显著高于 Piezo2（图 1A）。在人类组织层面，利用 Western blot、免疫荧光及免疫组化等方法证实，HS 组织中 Piezo1 蛋白表达水平较正常皮肤明显升高（图 1B, C），且通过 Piezo1 与 α-SMA 的共染色观察到，Piezo1 在 HS 组织的肌成纤维细胞中呈现高表达（图 1D）。为进一步验证，研究人员在牵张诱导的大鼠尾部 HS 模型中进行研究，免疫组化结果显示 Piezo1 在大鼠 HS 真皮层广泛过表达（图 1E, F）。免疫荧光共染色亦表明 Piezo1 与 α-SMA 在大鼠 HS 组织中存在明显共定位，这与人类 HS 组织中的现象一致（图 1G）。这些结果共同证实了 Piezo1 在 HS 组织中的高表达及其与肌成纤维细胞的关联性，即Piezo1 可能参与 HS 形成。
图1 正常皮肤和 HS 组织中 Piezo1 的表达。
为了探究 HS 组织中增加的基质硬度是否影响 Piezo1 上调，研究人员借助 CMS 模型模拟 HS 发展中组织硬度增加。研究人员检测了不同牵张强度下 HDFs 中 Piezo1 的蛋白水平（图 2A,B），发现Piezo1 表达随牵张强度增加而上调。此外，当施加 10% 牵张强度时，Piezo1 表达也随时间增加（图 2C,D）。这些结果表明，CMS 以时间和强度依赖性方式显著增加 HDFs 中 Piezo1 的表达。
鉴于 Piezo1 作为跨膜离子通道可响应机械牵张介导钙内流，为了测试 Piezo1 活性是否影响 HDFs 中的钙内流，研究人员进一步用 Fluo - 8 荧光染料检测发现，CMS 能促进 HDFs 胞内钙浓度升高，而使用 Piezo1 拮抗剂 GsMTx4 或 siRNA 敲低 Piezo1 后，该钙内流现象被显著抑制，表明 Piezo1 介导了 CMS 作用下 HDFs 的钙内流（图 2E-H）。这些结果表明 CMS 可能促进 HDFs 中 Piezo1 过表达及 Piezo1 介导的钙内流。
图 2 CMS 作用下 HDFs 中 Piezo1 的表达及 Piezo1 依赖性钙内流。
为了探究 Piezo1是否参与机械力诱导的成纤维细胞增殖，研究人员通过 Ki67 免疫荧光染色评估 HDFs 增殖能力。结果发现 ，CMS 显著增加 Ki67 阳性细胞比例，而 GsMTx4 处理或 Piezo1 敲低则抑制牵张诱导的增殖（图 3A-D）。这表明 Piezo1 可能参与牵张诱导的 HDFs 增殖 。并进行了流式细胞术检测，以确定 Piezo1 活性是否在体外调节 HDFs 的细胞凋亡，结果显示各组细胞凋亡率无差异。此外，Transwell 迁移实验表明 CMS 可增强 HDFs 迁移能力，同样可被 GsMTx4 或 Piezo1 敲低所抑制（图 3E-H）。综上，研究证实 Piezo1 可能参与机械牵张诱导的 HDFs 增殖与迁移过程。
图 3 CMS 通过激活 Piezo1 诱导 HDFs 增殖和迁移
为了确定 Piezo1 在 HDFs 分化中的作用，研究人员通过 Western blotting 和免疫荧光检测 α-SMA 表达，结果发现 CMS 可显著促进 HDFs 中 α-SMA 的表达，而 GsMTx4 处理或 Piezo1 敲低则抑制了这一现象（图 4A-H）。
鉴于 α-SMA 表达与肌成纤维细胞收缩力正相关，胶原凝胶收缩实验显示 CMS 处理的 HDFs 收缩力更强，同样可被 Piezo1 抑制或敲低所减弱（图 4I-L 。此外，针对瘢痕形成中胶原过度沉积的特征，Western blotting 结果表明 CMS 能上调 I 型胶原、III 型胶原和纤连蛋白的表达，而抑制或敲低 Piezo1 可显著减弱 HDFs 的 ECM 分泌能力（图 4M-P）。这些实验结果表明机械牵张诱导的 HDFs 分化可能受 Piezo1 活性的调控。
图4 CMS 通过 Piezo1 介导的机制促进 HDFs 分化。
最后，为了明确Piezo1 在机械牵张诱导HS中的关键作用，研究人员在牵张诱导的大鼠瘢痕模型中检测了 GsMTx4 处理的效果 （图 5A）。结果显示，相比对照组，GsMTx4 处理可减轻瘢痕充血与隆起（图 5B），组织学分析表明其横截面积和瘢痕隆起指数（SEI）显著降低（图 5C-F），天狼星红染色显示胶原密度下降（图 5G, H），免疫组化证实 α-SMA 表达减少，即肌成纤维细胞活化受抑（图 5I, J）。这些发现表明，施加于伤口部位的持续机械牵张可能通过 Piezo1 诱导 HS 形成（图 6）。
图 5 GsMTx4 减轻牵张诱导的大鼠尾部模型中的过度瘢痕形成。
图6 机械牵张通过 Piezo1 促进 HS 形成的示意图。
总之，研究证实 Piezo1 的激活可介导增生性瘢痕的形成，机械牵张通过激活真皮成纤维细胞中的 Piezo1，促进其增殖、迁移、向肌成纤维细胞分化及细胞外基质过度分泌，进而推动 HS 进展。而通过施用 GsMTx4 或 Piezo1-siRNA 抑制 Piezo1 活性，能减轻成纤维细胞的机械感知功能，在体外和大鼠模型中均有效抑制瘢痕过度增生，提示 Piezo1 阻断肽 GsMTx4 具有作为 HS 治疗策略的潜力。
参考文献：He J, Fang B, Shan S, Xie Y, Wang C, Zhang Y, Zhang X, Li Q. Mechanical stretch promotes hypertrophic scar formation through mechanically activated cation channel Piezo1. Cell Death Dis. 2021 Mar 1;12(3):226. doi: 10.1038/s41419-021-03481-6. PMID: 33649312; PMCID: PMC7921104.
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33649312/
Impact Factor: 9.6
ISSN: 2041-4889 (Electronic)
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