Piezo1是一种介导压力诱导胰腺炎的机械激活离子通道

胰腺对机械损伤极为敏感，相关临床现象与机制研究不断深入。手术操作、腹部钝性创伤，以及内镜逆行胰胆管造影术（ERCP）中胰管过度充盈等机械性刺激，均可能诱发胰腺炎。在机制方面，致病原因已从传统认为的 “胆结石引发胆汁反流”，逐步明确为“胰管阻塞导致压力升高”。由此可见，胰腺能够感知机械力，腺体内压力升高是胰腺炎的重要致病因素。

新型压力激活离子通道 Piezo1 和 Piezo2 的发现，引发了对胰腺中是否存在类似机械激活离子通道的思考。Piezo1 和 Piezo2 在多种组织中广泛表达，其中 Piezo1 在肺、膀胱和皮肤中表达量较高。Piezo1 由约 2500 个氨基酸构成，具有复杂的跨膜结构，可形成同源三聚体，其胞外结构域被认为是力传感部位。研究表明，Piezo1 能响应多种机械力刺激，对钙离子有选择性，其激活可被 GsMTx4 阻断，但压力增加能抵消这种抑制。同时，小分子 Yoda1 可在无机械拉伸条件下特异性激活 Piezo1，而对 Piezo2 无作用。

Piezo1 在多种组织中承担重要生理功能，如在血管内皮中响应血流剪切应力，其基因缺失会导致胚胎发育异常及血管畸形；在膀胱中，Piezo1 可对机械牵张产生反应。尽管胰腺的机械感受机制尚不明确，但推测机械激活离子通道可能参与压力诱发胰腺炎的过程。

基于此，美国达勒姆退伍军人事务医疗中心及杜克大学内科学系的研究团队通过向胰管内滴注 Piezo1 激动剂 Yoda1 来诱导胰腺炎，从而证明胰腺腺泡细胞表达机械感受器 Piezo1，并且在腺体内施加压力会产生胰腺炎。研究成果发表在Nature communications 期刊题为“Piezo1 is a mechanically activated ion channel and mediates pressure induced pancreatitis”

首先，为建立贴近临床的胰腺压力模型，研究团队通过向胰管内输注缓冲盐溶液来模拟压力刺激（图 1a）。该方法避免了外部施压（如挤压）导致的组织损伤并发症。实验设定两种压力模式：以 5 μL / 分钟速度输注 10 分钟形成 7-11 mmHg 的低压输入，及以 80 μL / 分钟速度输注 5 分钟形成 25-33 mmHg 的 高压输入。在盐溶液中加入 1% 亚甲蓝后观察到，注射液可从胰头扩散至胰尾（图 1b）。据此研究人员于胰管注射 24 小时后采集胰腺中部组织进行分析。实验结果显示，高压注射会导致胰腺重量增加、血清淀粉酶水平升高，代表中性粒细胞浸润的 MPO 浓度显著上升，组织学观察可见中性粒细胞浸润、水肿、出血及组织坏死等典型急性胰腺炎病理改变（图 1c-f）。该研究证实，胰管内压力升高是诱发急性胰腺炎的直接因素。

图1 胰管内压力导致急性胰腺炎。

然后，为了探究机械激活离子通道是否介导胰腺的压力响应，研究团队通过定量 RT-PCR 检测了小鼠胰腺腺泡细胞中 TRPC、DEG/ENaC 和 Piezo 家族通道的表达，发现 Piezo1 的 mRNA 水平在各基因中最为丰富（图 2a）。进一步通过共聚焦显微镜观察小鼠胰腺组织冷冻切片，证实 Piezo1 蛋白存在于腺泡细胞表面，且可通过细胞形态及顶端酶原颗粒的胰蛋白酶染色明确腺泡细胞身份（图 2b）。

为了探究 Piezo1 对胰腺腺泡细胞内钙的调节作用，研究发现 Piezo1 激动剂 Yoda1 可显著升高细胞内钙浓度 [Ca²⁺] i，而机械敏感通道拮抗剂 GsMTx4 能抑制这一效应（图 2c-e ）。为验证特异性，研究团队构建了 Ptf1a 启动子驱动的腺泡细胞特异性 Piezo1 敲除小鼠（Piezo1aci KO），他莫昔芬诱导后超 93% 腺泡细胞缺失功能性 Piezo1。该模型中，腺泡细胞对 Yoda1 刺激无 [Ca²⁺] i 响应，但对胆囊收缩素（CCK ）刺激的钙反应正常，证实 Piezo1 特异性介导机械刺激引发的细胞内钙升高，而不影响其他信号通路的钙调节功能。

为了验证 Yoda1 对胰腺腺泡细胞中 Piezo1 的直接作用，研究人员通过检测 LDH 释放量评估细胞损伤。结果发现Yoda1 以剂量依赖性方式增加了 C57BL/6J 小鼠分离腺泡上清液中的 LDH 释放量 ，而 EGTA 螯合细胞外钙或 GsMTx4 预处理可阻断该效应，这表明 Yoda1 对腺泡细胞的作用需要细胞外钙。孵育 4 小时后，GsMTx4 仍能保护腺泡细胞免受细胞死亡（图 2f）。为进一步探讨 Piezo1 激活的潜在有害作用，研究了 Yoda1 对 Piezo1 基因缺失的腺泡细胞的影响。在 Piezo1 腺泡细胞特异性敲除小鼠（Piezo1aci KO）中，缺失功能性 Piezo1 的腺泡细胞完全抵抗 Yoda1 诱导的损伤（图 2g）。

图2 Piezo1 在胰腺腺泡细胞中表达。

接下来，为了进一步探究 GsMTx4 是否会改变体内压力激活型胰腺炎模型中压力的作用。研究人员在向胰腺施加压力前 1 小时，腹腔注射 GsMTx4（270 μg/kg）。如图 3 所示，所有由高胰管内压力诱导的胰腺炎指标均因 GsMTx4 预处理而改善，这表明压力对胰腺的有害作用涉及机械敏感离子通道的活性。

图3 Piezo1 拮抗剂 GsMTx4 可减轻胰腺炎的严重程度。

为了明确 Piezo1 在急性胰腺炎中的核心作用，研究人员对 Piezo1 腺泡细胞特异性敲除小鼠（Piezo1aci KO）进行高胰管压力刺激实验。免疫染色证实 Piezo1aci KO 小鼠腺泡细胞表面 Piezo1 蛋白显著缺失（图 4），表明大多数腺泡细胞中 Piezo1 已被敲除。与野生型小鼠相比，Piezo1aci KO 小鼠在压力刺激后，胰腺水肿、MPO 水平及组织学损伤（水肿、中性粒细胞浸润、坏死、出血）均显著减轻，其保护效果与 GsMTx4 药物抑制相似。

图4 胰腺腺泡细胞中 Piezo1 的基因缺失可减轻胰腺炎的严重程度。

最后，为了验证确定在无压力情况下使用特异性 Piezo1 激动剂激活 Piezo1 是否能重现在高压条件下观察到的效应，研究人员在低压条件下（胰管内压≤11 mmHg，剪切应力可忽略）向野生型小鼠胰管注入 Piezo1 特异性激动剂 Yoda1（0.4 mg/kg，5 μL/min×10 min）。结果显示，与载体处理组相比，Yoda1 处理组小鼠的所有胰腺炎参数均显著增加 （图 5a-d）。实验显示， Yoda1 在野生型小鼠中可诱发急性胰腺炎，但在腺泡细胞特异性敲除 Piezo1 的 Piezo1aci KO 小鼠中，Yoda1 无法引起水肿、淀粉酶升高、MPO 活性增强及组织学损伤等胰腺炎相关病理改变（图 5a-d）。这些研究表明，施加于胰腺的压力通过 Piezo1 诱发胰腺炎。

图5 Piezo1 激动剂 Yoda1 诱导急性胰腺炎的特异性依赖于腺泡细胞 Piezo1 表达。

总之，研究揭示了胰腺机械刺激诱发胰腺炎的分子机制：胰腺腺泡细胞表达的机械感受器 Piezo1 在受压后激活，通过介导钙内流引发酶原过早激活与胰腺损伤。实验证实，Piezo1 激动剂 Yoda1 可独立诱导胰腺炎，而 Piezo1 拮抗剂或腺泡细胞特异性基因缺失能阻断这一过程。

参考文献：Romac JM, Shahid RA, Swain SM, Vigna SR, Liddle RA. Piezo1 is a mechanically activated ion channel and mediates pressure induced pancreatitis. Nat Commun. 2018 Apr 30;9(1):1715. doi: 10.1038/s41467-018-04194-9. PMID: 29712913; PMCID: PMC5928090.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29712913/

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