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）是皮膚損傷后引發(fā)的纖維增生性疾病，嚴(yán)重影響患者的功能與外觀，目前的治療手段效果欠佳，亟需探索新療法。雖然傳統(tǒng)研究聚焦于細(xì)胞因子機(jī)制，但近年來生物力學(xué)信號在瘢痕形成中的作用逐漸受到關(guān)注，機(jī)械牽張能促使成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化，加劇細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）沉積，不過細(xì)胞機(jī)械感知的具體分子機(jī)制尚不明確。Piezo1 通道作為一種新型機(jī)械激活陽離子通道（MAC），據(jù)報道能夠調(diào)節(jié)力介導(dǎo)的細(xì)胞生物學(xué)行為。然而，Piezo1 在 HS 形成中的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)作用尚未被研究。

基于此，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院整復(fù)外科的研究團(tuán)隊提出假設(shè)：瘢痕異常的機(jī)械微環(huán)境通過 Piezo1 調(diào)控真皮成纖維細(xì)胞活性，推動 HS 形成。通過實驗驗證，研究發(fā)現(xiàn) Piezo1 在人及大鼠 HS 組織中過表達(dá)；體外模擬機(jī)械應(yīng)力表明其可調(diào)節(jié)人真皮成纖維細(xì)胞中 Piezo1 的表達(dá)及纖維增生表型；動物實驗則證實 Piezo1 抑制劑能減輕大鼠 HS 形成。研究結(jié)果發(fā)表在Cell death & disease期刊題為“Mechanical stretch promotes hypertrophic scar formation through mechanically activated cation channel Piezo1”。

首先，研究人員通過 RT-qPCR 分析人真皮成纖維細(xì)胞中 Piezo1 和 Piezo2 的表達(dá)，發(fā)現(xiàn) Piezo1 的 mRNA 水平顯著高于 Piezo2（圖 1A）。在人類組織層面，利用 Western blot、免疫熒光及免疫組化等方法證實，HS 組織中 Piezo1 蛋白表達(dá)水平較正常皮膚明顯升高（圖 1B, C），且通過 Piezo1 與 α-SMA 的共染色觀察到，Piezo1 在 HS 組織的肌成纖維細(xì)胞中呈現(xiàn)高表達(dá)（圖 1D）。為進(jìn)一步驗證，研究人員在牽張誘導(dǎo)的大鼠尾部 HS 模型中進(jìn)行研究，免疫組化結(jié)果顯示 Piezo1 在大鼠 HS 真皮層廣泛過表達(dá)（圖 1E, F）。免疫熒光共染色亦表明 Piezo1 與 α-SMA 在大鼠 HS 組織中存在明顯共定位，這與人類 HS 組織中的現(xiàn)象一致（圖 1G）。這些結(jié)果共同證實了 Piezo1 在 HS 組織中的高表達(dá)及其與肌成纖維細(xì)胞的關(guān)聯(lián)性，即Piezo1 可能參與 HS 形成。

圖1    正常皮膚和HS 組織中 Piezo1 的表達(dá)。

為了探究 HS 組織中增加的基質(zhì)硬度是否影響 Piezo1 上調(diào)，研究人員借助 CMS 模型模擬 HS 發(fā)展中組織硬度增加。研究人員檢測了不同牽張強(qiáng)度下 HDFs 中 Piezo1 的蛋白水平（圖 2A,B），發(fā)現(xiàn)Piezo1 表達(dá)隨牽張強(qiáng)度增加而上調(diào)。此外，當(dāng)施加 10% 牽張強(qiáng)度時，Piezo1 表達(dá)也隨時間增加（圖 2C,D）。這些結(jié)果表明，CMS 以時間和強(qiáng)度依賴性方式顯著增加 HDFs 中 Piezo1 的表達(dá)。

鑒于 Piezo1 作為跨膜離子通道可響應(yīng)機(jī)械牽張介導(dǎo)鈣內(nèi)流，為了測試 Piezo1 活性是否影響 HDFs 中的鈣內(nèi)流，研究人員進(jìn)一步用 Fluo - 8 熒光染料檢測發(fā)現(xiàn)，CMS 能促進(jìn) HDFs 胞內(nèi)鈣濃度升高，而使用 Piezo1 拮抗劑 GsMTx4 或 siRNA 敲低 Piezo1 后，該鈣內(nèi)流現(xiàn)象被顯著抑制，表明 Piezo1 介導(dǎo)了 CMS 作用下 HDFs 的鈣內(nèi)流（圖 2E-H）。這些結(jié)果表明 CMS 可能促進(jìn) HDFs 中 Piezo1 過表達(dá)及 Piezo1 介導(dǎo)的鈣內(nèi)流。

圖 2    CMS 作用下 HDFs 中 Piezo1 的表達(dá)及 Piezo1 依賴性鈣內(nèi)流。

為了探究 Piezo1是否參與機(jī)械力誘導(dǎo)的成纖維細(xì)胞增殖，研究人員通過 Ki67 免疫熒光染色評估 HDFs 增殖能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn) ，CMS 顯著增加 Ki67 陽性細(xì)胞比例，而 GsMTx4 處理或 Piezo1 敲低則抑制牽張誘導(dǎo)的增殖（圖 3A-D）。這表明 Piezo1 可能參與牽張誘導(dǎo)的 HDFs 增殖 。并進(jìn)行了流式細(xì)胞術(shù)檢測，以確定 Piezo1 活性是否在體外調(diào)節(jié) HDFs 的細(xì)胞凋亡，結(jié)果顯示各組細(xì)胞凋亡率無差異。此外，Transwell 遷移實驗表明 CMS 可增強(qiáng) HDFs 遷移能力，同樣可被 GsMTx4 或 Piezo1 敲低所抑制（圖 3E-H）。綜上，研究證實 Piezo1 可能參與機(jī)械牽張誘導(dǎo)的 HDFs 增殖與遷移過程。

圖 3    CMS 通過激活 Piezo1 誘導(dǎo) HDFs 增殖和遷移

為了確定 Piezo1 在 HDFs 分化中的作用，研究人員通過 Western blotting 和免疫熒光檢測 α-SMA 表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn) CMS 可顯著促進(jìn) HDFs 中 α-SMA 的表達(dá)，而 GsMTx4 處理或 Piezo1 敲低則抑制了這一現(xiàn)象（圖 4A-H）。

鑒于 α-SMA 表達(dá)與肌成纖維細(xì)胞收縮力正相關(guān)，膠原凝膠收縮實驗顯示 CMS 處理的 HDFs 收縮力更強(qiáng)，同樣可被 Piezo1 抑制或敲低所減弱（圖 4I-L 。此外，針對瘢痕形成中膠原過度沉積的特征，Western blotting 結(jié)果表明 CMS 能上調(diào) I 型膠原、III 型膠原和纖連蛋白的表達(dá)，而抑制或敲低 Piezo1 可顯著減弱 HDFs 的 ECM 分泌能力（圖 4M-P）。這些實驗結(jié)果表明機(jī)械牽張誘導(dǎo)的 HDFs 分化可能受 Piezo1 活性的調(diào)控。

圖4    CMS 通過 Piezo1 介導(dǎo)的機(jī)制促進(jìn) HDFs 分化。

最后，為了明確Piezo1 在機(jī)械牽張誘導(dǎo)HS中的關(guān)鍵作用，研究人員在牽張誘導(dǎo)的大鼠瘢痕模型中檢測了 GsMTx4 處理的效果 （圖 5A）。結(jié)果顯示，相比對照組，GsMTx4 處理可減輕瘢痕充血與隆起（圖 5B），組織學(xué)分析表明其橫截面積和瘢痕隆起指數(shù)（SEI）顯著降低（圖 5C-F），天狼星紅染色顯示膠原密度下降（圖 5G, H），免疫組化證實 α-SMA 表達(dá)減少，即肌成纖維細(xì)胞活化受抑（圖 5I, J）。這些發(fā)現(xiàn)表明，施加于傷口部位的持續(xù)機(jī)械牽張可能通過 Piezo1 誘導(dǎo) HS 形成（圖 6）。

圖 5    GsMTx4 減輕牽張誘導(dǎo)的大鼠尾部模型中的過度瘢痕形成。

圖6     機(jī)械牽張通過 Piezo1 促進(jìn) HS 形成的示意圖。

總之，研究證實 Piezo1 的激活可介導(dǎo)增生性瘢痕的形成，機(jī)械牽張通過激活真皮成纖維細(xì)胞中的 Piezo1，促進(jìn)其增殖、遷移、向肌成纖維細(xì)胞分化及細(xì)胞外基質(zhì)過度分泌，進(jìn)而推動 HS 進(jìn)展。而通過施用 GsMTx4 或 Piezo1-siRNA 抑制 Piezo1 活性，能減輕成纖維細(xì)胞的機(jī)械感知功能，在體外和大鼠模型中均有效抑制瘢痕過度增生，提示 Piezo1 阻斷肽 GsMTx4 具有作為 HS 治療策略的潛力。

參考文獻(xiàn)：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.

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