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Science子刊:Piezo1通道在成纖維細(xì)胞中起關(guān)鍵作用

時(shí)間 : 2024-10-27
1. 促纖維化巨噬細(xì)胞與成纖維細(xì)胞急性接觸可依賴巨噬細(xì)胞αvβ3整合素和成纖維細(xì)胞Piezo1激活成纖維細(xì)胞。
 
2. Piezo1通道在成纖維細(xì)胞中起著核心作用，它能夠響應(yīng)巨噬細(xì)胞的接觸信號，引發(fā)細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平的變化，促進(jìn)成纖維細(xì)胞的活化。
 
近日，“Science Advances”（IF=11.7）上發(fā)表了一篇題為“Acute contact with profibrotic macrophages mechanically activates fibroblasts via αvβ3 integrin–mediated engagement of Piezo1”的文章。這篇文章研究了在纖維化過程中，促纖維化巨噬細(xì)胞如何通過機(jī)械方式激活成纖維細(xì)胞，以及這一過程中涉及的分子機(jī)制。
 
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研究背景介紹

 
纖維化是一種病理過程，其中正常的組織被異常的纖維組織所替代，導(dǎo)致器官結(jié)構(gòu)和功能的破壞。纖維化可發(fā)生在多個(gè)器官，如肺、肝和腎，是許多疾病進(jìn)展的關(guān)鍵因素。
 
肌成纖維細(xì)胞是一種具有收縮能力的細(xì)胞類型，它們在組織修復(fù)和纖維化過程中起著核心作用。
 
Piezo1是一種機(jī)械敏感離子通道，它在細(xì)胞對機(jī)械刺激的感知中起重要作用。
 
 

研究思路分析

 
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研究技術(shù)路線圖
 
01
 巨噬細(xì)胞與成纖維細(xì)胞的相互作用及其信號通路
 
 
①研究提出，巨噬細(xì)胞（M?）通過與成纖維細(xì)胞初次接觸，通過啟動(dòng)TGF-β1信號或機(jī)械刺激（或兩者兼有）來激活成纖維細(xì)胞。研究中，通過用巨噬細(xì)胞集落刺激因子（M-CSF）（=MM-CSF）處理培養(yǎng)的小鼠骨髓來源的單核細(xì)胞，再分別用LPS（=MLPS，促炎）或IL-4加IL-13（=MIL-4/13，促纖維化）處理來極化初級M?。
 
②追蹤轉(zhuǎn)錄因子YAP和轉(zhuǎn)錄共激活因子TAZ，作為機(jī)械肌成纖維細(xì)胞激活的指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與MIL-4/13接觸可以迅速通過YAP/TAZ信號途徑激活成纖維細(xì)胞，而MLPS則沒有這種效果。此外，在軟質(zhì)基質(zhì)上，MIL-4/13并不通過Smad2/3信號通路激活成纖維細(xì)胞，而在硬質(zhì)基質(zhì)上則可以觀察到Smad2/3的核轉(zhuǎn)位。表明，巨噬細(xì)胞的極化狀態(tài)和基質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)共同影響成纖維細(xì)胞的激活和轉(zhuǎn)化。
 
③研究發(fā)現(xiàn)，MIL-4/13接觸活的成纖維細(xì)胞時(shí)，TAZ-citrine核易位且彈性硅膠底物變形增強(qiáng)，推測其可啟動(dòng)ECM與肌成纖維細(xì)胞激活的正反饋回路。實(shí)驗(yàn)使用了熒光標(biāo)記彈性收縮表面（FLECSs）來量化收縮程度。結(jié)果顯示，與MIL-4/13接觸可提高成纖維細(xì)胞收縮率和速度，而MLPS無顯著影響。
 
④此外，增加MIL-4/13與成纖維細(xì)胞的接觸數(shù)量可以進(jìn)一步增強(qiáng)收縮反應(yīng)，而MLPS則沒有這種效應(yīng)。還使用三維膠原蛋白凝膠來觀察成纖維細(xì)胞的局部收縮反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)MIL-4/13接觸可以在局部區(qū)域顯著提高成纖維細(xì)胞的收縮能力。表明，促纖維化巨噬細(xì)胞通過特定的機(jī)械信號傳導(dǎo)途徑激活成纖維細(xì)胞，促進(jìn)了纖維化過程中的細(xì)胞收縮和基質(zhì)硬化。
 
02
局部力學(xué)變化與細(xì)胞收縮
 
 
①通過將粒子圖像測速技術(shù)（PIV）轉(zhuǎn)換為牽引力顯微圖像，發(fā)現(xiàn)與MIL-4/13接觸后，成纖維細(xì)胞的局部收縮應(yīng)力顯著增加。此外，在硬質(zhì)玻璃基質(zhì)上培養(yǎng)成纖維細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)MIL-4/13接觸增強(qiáng)了成纖維細(xì)胞中磷酸化肌球蛋白輕鏈（p-MLC）的染色強(qiáng)度，這是肌球蛋白激活的一個(gè)指標(biāo)。MIL-4/13接觸還導(dǎo)致成纖維細(xì)胞在接觸區(qū)域發(fā)生局部膜回縮，減少了細(xì)胞周長的“實(shí)體性”和“圓形度”。還發(fā)現(xiàn)在與MIL-4/13接觸區(qū)域的膜張力和局部硬度較高，這與p-MLC的積累一致。表明，與MIL-4/13的接觸而非MLPS的接觸，會(huì)在接觸點(diǎn)引發(fā)成纖維細(xì)胞的收縮和機(jī)械應(yīng)力。
 
② p-MLC由肌球蛋白輕鏈激酶（MLCK）調(diào)控，MLCK受胞質(zhì)Ca2+濃度調(diào)控，通過轉(zhuǎn)染GCaMP6s，一種在結(jié)合Ca2+時(shí)發(fā)光的蛋白質(zhì)，觀察到與MIL-4/13接觸后5分鐘內(nèi)熒光增加，表明Ca2+濃度升高。此外，核因子活化T細(xì)胞1（NFAT1）的水平在接觸MIL-4/13的成纖維細(xì)胞中比未接觸的細(xì)胞高1.7倍，進(jìn)一步證實(shí)了Ca2+的激活。表明，與MIL-4/13的接觸可以引發(fā)成纖維細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的增加，并導(dǎo)致NFAT1的核轉(zhuǎn)位，而與MLPS的接觸則沒有這種效果。
 
03
分子機(jī)制與藥物干預(yù)
 
 
①測試了兩種可能的物理接觸依賴性情景：(i)通過異細(xì)胞間隙連接直接從M?向成纖維細(xì)胞傳遞鈣離子；(ii)巨噬細(xì)胞觸摸導(dǎo)致成纖維細(xì)胞膜上的拉伸激活的離子通道（SACs）開放。結(jié)果顯示，雖然成纖維細(xì)胞和MIL-4/13都表達(dá)Cx43蛋白，但它們似乎沒有形成功能性間隙連接來介導(dǎo)小分子（如鈣離子）的直接交換。進(jìn)一步的研究表明，SACs對于MIL-4/13誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)鈣離子升高以及隨后的成纖維細(xì)胞收縮是必需的。特別是Piezo1通道，在感應(yīng)MIL-4/13接觸方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鈣離子增加，從而驅(qū)動(dòng)成纖維細(xì)胞的收縮。
 
②通過篩選單細(xì)胞RNA測序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)整合素β3亞單位（CD61）在MIL-4/13中獨(dú)特表達(dá)，而在MLPS中幾乎不表達(dá)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)αv和β3整合素在大多數(shù)MIL-4/13表面表達(dá)，但在MLPS中僅少量表達(dá)。用αvβ3整合素抑制劑cyclo(-RGDfK)和β3整合素阻斷抗體Axum4處理MIL-4/13，發(fā)現(xiàn)這些抑制劑減少了接觸誘導(dǎo)的Ca2+依賴的NFAT1核轉(zhuǎn)位和成纖維細(xì)胞收縮。
 
③在博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化小鼠模型中，證實(shí)了β3整合素在促纖維化巨噬細(xì)胞中的表達(dá)，并在高度纖維化的肺組織中與α-SMA陽性的肌成纖維細(xì)胞相鄰。表明MIL-4/13上αvβ3整合素的表達(dá)對于促進(jìn)急性接觸介導(dǎo)的成纖維細(xì)胞激活是必需的。
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結(jié)論與討論

 
本研究發(fā)現(xiàn)MIL-4/13通過其表面的αvβ3整合素與成纖維細(xì)胞接觸，迅速激活成纖維細(xì)胞內(nèi)的Piezo1通道，引發(fā)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高和YAP/TAZ信號通路激活，從而導(dǎo)致成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞，促進(jìn)纖維化過程。
 
未來的研究需要進(jìn)一步探索αvβ3整合素與成纖維細(xì)胞膜上潛在配體的相互作用，以及這些相互作用如何調(diào)節(jié)Piezo1通道的開啟和細(xì)胞內(nèi)鈣離子的變化。此外，還需要驗(yàn)證Piezo1通道激活與YAP/TAZ信號通路之間的直接聯(lián)系，以及NFAT1在肌成纖維細(xì)胞激活中的作用。這些研究將有助于深入理解纖維化的分子機(jī)制，并為開發(fā)新的治療策略提供科學(xué)依據(jù)。