Piezo1離子通道在口腔醫(yī)學中的研究進展

楊子圓，盧海平，康 婷

人體內(nèi)的多種器官、組織和細胞均可感受外環(huán)境中的力學機械刺激，通過機械敏感性離子通道激活細胞信號轉(zhuǎn)導途徑。壓電離子通道1(Piezo1 ion channels，Piezo1)是2010年Coste等科學家于N2a細胞(Neuro2A Cells，N2a)中發(fā)現(xiàn)的，隨后通過序列同源性發(fā)現(xiàn)第2個蛋白——壓電離子通道2(Piezo1 ion channels，Piezo2)[1]。自這類通道蛋白被發(fā)現(xiàn)以來，Piezo通道蛋白家族便迅速引起各個領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注，成為了一個新的研究熱點。本文將針對Piezo1機械敏感性離子通道的一些研究進展及在口腔醫(yī)學中的研究價值進行歸納和總結(jié)。

1 Piezo1離子通道的研究現(xiàn)狀概述

離子通道作為活體細胞物質(zhì)交換的重要途徑，其活性對細胞實現(xiàn)各種功能具有重要意義。哺乳動物觸覺受體神經(jīng)元和其他機械敏感性細胞(如內(nèi)皮細胞或平滑肌細胞)的活化被認為主要是由機械敏感性離子通道的活化所引起的。Piezo1作為Piezo家族的初始成員，首先是被確定為成神經(jīng)細胞瘤細胞系N2a中膜壓痕和膜拉伸誘導電流所必需的機械活化離子通道。后續(xù)的多個研究也證實Piezo1在哺乳動物機械轉(zhuǎn)導中具有重要作用[2-3]。

Piezo1廣泛存在于人體的器官組織中[2]，機體的免疫應答、神經(jīng)細胞分化、腫瘤發(fā)生發(fā)展、骨形成與改建等生理病理過程都與Piezo1密切相關(guān)。人類染色體疾病——如常染色體隱性全身性淋巴管發(fā)育不良伴胎兒免疫性水腫[4-5]和遺傳性口形紅細胞增多癥[6]等與Piezo1蛋白基因變異息息相關(guān)。在神經(jīng)細胞分化過程中，Piezo1是神經(jīng)干細胞機械敏感譜系選擇的重要因素[7]，它通過激活Ca2+內(nèi)流，促進機械反應轉(zhuǎn)錄共激活因子YAP蛋白(Yes-associated protein，Yap)的核定位，從而影響神經(jīng)元與神經(jīng)質(zhì)的特性。而Piezo1驅(qū)動的Ca2+內(nèi)流，還可激活鈣蛋白酶并組織皮層肌動蛋白支架，將該機械傳感器與TCR信號傳導聯(lián)系起來，以調(diào)節(jié)機體免疫應答[8]。另有學者在癌癥相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，Piezo1在乳腺上皮細胞系的表達程度與乳腺癌細胞的良惡性程度密切相關(guān)[9]，表明Piezo1在癌細胞增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移中可能發(fā)揮作用；Piezo1通過調(diào)節(jié)胃癌細胞(gastric cancer cells，GC)骨架重組來控制GC的增殖、遷移和侵襲等致癌作用[10-11]。此外，在骨的形成和重塑方面已有研究證實，Piezo1參與了具有多向分化潛能的間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)向成骨細胞分化的過程。有學者在靜水壓(hydrostatic pressure，HP)對MSCs活動影響的研究中發(fā)現(xiàn)，HP促進成骨細胞分化取決于MSCs中成骨轉(zhuǎn)錄因子BMP2(bone morphogenetic protein 2，BMP2)的表達，而后者由Piezo1調(diào)節(jié)，因而Piezo1在MSCs充當中HP的受體，促進了成骨細胞分化[12]。在骨骼系統(tǒng)中，骨細胞作為骨骼內(nèi)將機械刺激轉(zhuǎn)換為生化信號的機械刺激感覺系統(tǒng)，使機體不斷適應機械負荷變化[13-14]，而Piezo1通道在小鼠成骨細胞增值分化、骨形成和骨重塑中起著關(guān)鍵作用[15-16]。

2 Piezo1離子通道在口腔醫(yī)學中的研究現(xiàn)狀

2.1 Piezo1離子通道在牙齒感覺系統(tǒng)中的作用

牙本質(zhì)過敏是臨床常見的引起牙齒疼痛的原因。外部刺激引起牙本質(zhì)小管內(nèi)液體流動，激活牙本質(zhì)中的初級傳入神經(jīng)元和成牙本質(zhì)細胞中相應的神經(jīng)傳導通道，使牙髓神經(jīng)產(chǎn)生疼痛感受[17-18]。

Piezo在牙齒感覺系統(tǒng)中作為特定的機械傳感器起著至關(guān)重要的作用[19]。Zhang等通過研究發(fā)現(xiàn)，Piezo1在感覺神經(jīng)元中的異位表達可以使正常小鼠的觸覺和本體感覺敏感，并可使因Piezo2基因缺失而喪失觸覺和本體感覺的小鼠恢復觸覺和本體感覺。因此，Piezo1在感覺神經(jīng)元中表達水平的顯著減少，可抑制機械性疼痛反應，表明Piezo1可以影響觸覺，抑制急性機械性疼痛[20]。另有學者在有關(guān)Aδ類神經(jīng)元是否通過成牙本質(zhì)細胞的神經(jīng)遞質(zhì)引起動作電位從而介導牙本質(zhì)感覺轉(zhuǎn)導的研究中，發(fā)現(xiàn)Piezo1在成牙本質(zhì)細胞中存在功能性表達，且Piezo1拮抗劑能夠顯著抑制成牙本質(zhì)細胞中機械力誘發(fā)的Ca2+內(nèi)流，從而影響牙齒痛覺的形成[21](見圖1)。

2.2 Piezo1通道在人牙髓干細胞組織再生工程方面的作用

細胞感受機械力最常見的方式是將細胞內(nèi)腺嘌呤核苷三磷酸(Adenosine triphosphate，ATP) 釋放到細胞外空間，細胞外ATP可通過激活配體門控離子通道腺嘌呤核苷酸受體X(P2X-purinoceptors，P2X)受體和一些G蛋白-受體來調(diào)節(jié)多種細胞功能，并介導細胞間通信。目前研究證明，Piezo1通道作為一種內(nèi)在的機械傳感器，可對機械刺激做出響應，觸發(fā)ATP釋放，并在隨后的腺嘌呤核苷酸受體(P2-purinoceptors，P2)受體激活中具有信號傳導作用[22]。

人牙髓干細胞(human dental pulp stem cells,DPSCs)中同時存在Piezo1通道和Piezo2通道，并且低強度脈沖超聲可激活Piezo通道的表達，刺激DPSCs的增殖[23]。Mousawi等研究了DPSCs中Piezo1 mRNA和蛋白質(zhì)的表達情況，以及將DPSCs分別暴露于Yoda1(Piezo1通道特異性激活劑)和釕紅或GsMTx4(兩種Piezo1通道抑制劑)時細胞內(nèi)Ca2+濃度，發(fā)現(xiàn)Piezo1通道通過誘導ATP釋放和隨后的P2受體嘌呤信號傳導以及下游蛋白酪氨酸激酶2(prolinerich tyrosine kinase 2，PYK2)和MEK/ERK信號傳導通路的激活，從而刺激人牙髓干細胞(DPSCs)遷移。該發(fā)現(xiàn)揭示了調(diào)節(jié)DPSCs遷移的分子和信號傳導的新機制，將有助于DPSCs的組織工程和再生醫(yī)學方面的研究[24](圖1)。

圖 1 Piezo1作用機制 Fig.1 Piezo1 mechanism of action

2.3 Piezo1離子通道在牙周組織中的作用

牙周膜是位于牙骨質(zhì)和牙槽骨之間的一層膜狀結(jié)構(gòu)，牙周膜細胞通過向周圍細胞發(fā)出信號來響應機械應力，調(diào)節(jié)骨基質(zhì)的吸收和形成，維持牙槽骨吸收和再生之間的平衡[25-27]。

眾所周知，牙周膜細胞是機械敏感性細胞，而作為機械敏感性離子通道一員的Piezo1，其在牙周膜細胞的機械刺激反應中所起的作用引起了研究人員的興趣。Jin等通過半定量逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應評估了Piezo1和破骨細胞生成標志基因表達的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)增加牙周膜細胞的機械負荷可誘導破骨細胞生成標記基因和Piezo1的上調(diào)，Piezo1 mRNA在機械負載0.5 h后會持續(xù)增加。該實驗證實了Piezo1與牙周膜細胞感受機械刺激密切相關(guān)；并在機械應力誘導的破骨細胞形成過程中扮演機械轉(zhuǎn)導的角色[28]。因此，Piezo1是多種牙周組織細胞中的機械換能器(例如，在成牙本質(zhì)細胞分化過程中將HP信號與細胞內(nèi)進行傳導[29])。

機械敏感性離子通道Piezo1在成骨細胞機械轉(zhuǎn)導中亦具有重要作用[25,30]。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)鼠成骨細胞在靜態(tài)機械力作用下，Piezo1通道的介導減少可抑制鼠成骨細胞中的膠凝活性；Piezo1通道的表達與骨保護蛋白(Osteoprotegerin，OPG)的表達之間具有較高的正相關(guān)性[31]。此發(fā)現(xiàn)為進一步研究正畸引起的牙根吸收和修復機制提供新思路。

牙周膜細胞作為機械敏感性細胞，感應和傳導正畸力，引起了牙槽骨改建和重塑，這是正畸牙移動的生物學原理[32]?？垫玫葘iezo通道在正畸牙移動過程中的作用進行了研究，利用大鼠牙移動模型，分析了正畸牙移動過程中牙周組織以及三叉神經(jīng)節(jié)中的Piezo mRNA和蛋白的表達情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正畸力作用于大鼠牙周組織后，Piezo1 mRNA和蛋白的表達量表現(xiàn)為先增高后下降的趨勢；三叉神經(jīng)節(jié)中的Piezo1 mRNA表達則呈現(xiàn)逐漸上升趨勢。由此可見，Piezo1在牙周膜細胞感受和傳導正畸力中具有重要作用，同時可能參與機械力誘發(fā)的牙齒痛覺形成過程[33](圖1)。

2.4 Piezo1離子通道在下頜骨形態(tài)發(fā)生中的作用

顱面畸形是常見的出生缺陷[34]。第一鰓弓的下頜部分產(chǎn)生包括下頜的多個結(jié)構(gòu)，其變異與某些綜合征(如Robinow綜合征)和一些常見畸形特征(例如下頜后縮和骨性偏頜)相關(guān)。已有研究發(fā)現(xiàn)，Piezo1通道基因發(fā)生突變(常染色體隱性突變)與上述發(fā)育不全的面部畸形相關(guān)[35-36]。

最新的一項研究發(fā)現(xiàn)Robinow綜合征的下頜發(fā)育不全與細胞極性和遷移相關(guān)，而非Wnt5a基因的重復、缺失和過表達所引起。學者將下頜弓兩種明顯的生長方式作為3D形態(tài)發(fā)生的兩種不同模式的模型進行研究，發(fā)現(xiàn)三維立體培養(yǎng)的間充質(zhì)細胞(3D間充質(zhì)細胞)的插入對小鼠胚胎下頜弓的形成至關(guān)重要；而Piezo1和Yes相關(guān)蛋白/轉(zhuǎn)錄共激活因子PDZ結(jié)合基序(Yes-associated protein/transcriptional co-activator with PDZ-binding motif，YAP/TAZ)充當了 Wnt5a介導的肌動球蛋白極性和定向驅(qū)動間充質(zhì)細胞嵌入的細胞質(zhì)鈣瞬變的下游效應子[37](圖1)。該發(fā)現(xiàn)促進了我們對發(fā)育途徑中如何通過調(diào)節(jié)生物物理特性和力來塑造一個實體器官原基的理解，同時為發(fā)育缺陷引起的顱面畸形和某些綜合征的防治提供了新思路。

3 總結(jié)及展望

機械敏感性離子通道Piezo1廣泛存在于人體組織中，與人體的多種疾病和生理活動密切相關(guān)，并且在口腔多個組織中充當機械傳感器，在細胞的生理功能中具有重要作用。近幾年國內(nèi)外學者已經(jīng)對Piezo1通道在牙周組織的生理活動、牙本質(zhì)疼痛以及牙髓間充質(zhì)干細胞組織再生等方面的作用開展了初步研究。但是，對于Piezo1在口腔組織生理及病理過程中的具體作用機理以及在各相關(guān)信號通路中的具體角色仍需進一步探索。對Piezo1更深入的研究將為正畸牙移動以及口腔臨床一些疑難病癥——如牙本質(zhì)敏感、顳下頜關(guān)節(jié)疾病以及顱面畸形等方面提供新的研究和治療思路。