TRPV4 通道开放介导由 Piezo1 激活引发的压力诱导的胰腺炎

胰腺对压力高度敏感、胰管压力升高是引起急性胰腺炎的主要原因。胰管和胆总管交界处的胆结石会增加胰管压力并引发胰腺炎。已有研究证明，胰腺腺泡细胞通过机械激活的离子通道 Piezo1 感知压力，并且通过压力或 Piezo1 特异性激动剂激活腺泡细胞上的 Piezo1 诱导急性胰腺炎。此外，腺泡细胞特异性 Piezo1 缺失的小鼠可免受压力诱导的胰腺炎的影响。因此，Piezo1 的机械激活足以引起胰腺炎。

包括静压、流体剪切应力和膜拉伸在内的机械力会激活 Piezo1 通道开口，从而允许阳离子，尤其是Ca²⁺ 流入细胞。Piezo1 在许多对剪切力有反应的组织中表达，包括血管内皮、肺、皮肤和膀胱等。由于胰腺腺泡细胞对细胞内钙水平变化的独特敏感行为，研究胰腺中 Piezo1 的信号转导为揭示病理反应提供了一个有吸引力的模型。

细胞内Ca²⁺ 浓度在胰腺腺泡细胞中受到严格调控，并为消化酶的分泌提供主要信号。缩胆囊素 (CCK)、乙酰胆碱和铃蟾肽是胰腺分泌剂，可提高细胞溶质钙 ([Ca²⁺]i)，从而刺激分泌。值得注意的是，Ca²⁺ 升高是正常细胞信号传导所必需的。Ca²⁺ 信号的扰动与胰腺腺泡细胞死亡有关。

钙渗透离子通道TRPV4在各种组织和细胞（例如膀胱平滑肌、肾上皮细胞、气道、感觉神经元和血管内皮）中表达，并参与多种生理过程和疾病，包括血流调节、剪切诱导的血管舒张和上皮纤毛活动。TRPV4 可能被物理力（例如剪切应力、膜拉伸）和低渗细胞肿胀激活，但这种感知似乎是间接的。然而，这些物理力激活 TRPV4 的机制尚不清楚。

低渗细胞肿胀和剪切应力刺激磷脂酶A2 (PLA2) 活性。一般来说，PLA2 活性升高会触发花生四烯酸 (AA) 及其代谢物5',6'-EET 的释放 ( 43 )。5',6'-EET 是一种内源性配体，可以激活 TRPV4 。然而，物理刺激激活 PLA2 的机制尚不清楚。

基于此，来自美国杜克大学医学系、生物学系，美国洛杉矶Cedars-Sinai 医疗中心等多家机构进行了合作研究，于 The Journal of Clinical Investigation 上发表了题为《TRPV4 channel opening mediates pressure-induced pancreatitis initiated by Piezo1 activation》的论文。

实验结果：

首先，实验证明了 Piezo1 会诱导持续的细胞质 Ca²⁺ 升高和细胞死亡；随后确定在胰腺腺泡细胞中通过 Yoda1 刺激和 Piezo1 激活所观察到的细胞质 [Ca²⁺ ] 升高会影响线粒体去极化；而且Piezo1 的长期激活可能通过钙介导的途径导致胰蛋白酶原激活。

剪切应力诱导胰腺腺泡 [Ca²⁺]i 升高

在包括血管内皮在内的许多组织中，机械剪切应力是Piezo1 的生理激活剂。为了确定 Piezo1 通道是否对胰腺中的流体剪切应力有反应，实验评估了接种在剪切流室中的新分离的胰腺腺泡中 [Ca²⁺ ]i 的变化。

在短短 30 秒后，胰腺腺泡中 [Ca ²⁺ ]i 的峰值强度随着施加更大的剪切应力而增加。4、12 和 30 dyne/cm² 的剪切应力使 [Ca²⁺ ]i 的峰值分别增加了1.5 ± 0.1、1.8 ± 0.1和 2.5 ± 0.1倍。12 和 30 dyne/cm² 的应力导致 [Ca²⁺ ]i 持续升高。然而，4 dyne/cm² 的较低剪切应力仅引起瞬时 [Ca²⁺ ]i 上升，而没有延长 [Ca²⁺ ]i 的升高。

此外，12 dyne/cm² 的流体剪切应力施加 1 秒或 5 秒不足以引起 [Ca²⁺ ]i 的持续升高。在胰腺腺泡细胞中Piezo1基因选择性缺失的小鼠（Piezo1^aci -KO）中，[Ca²⁺ ]i 在12 dyne/cm² 水平上的持续升高并没有发生，尽管在某些细胞中可以看到有规律间隔的短暂的[Ca²⁺ ]i 峰值。研究人员怀疑，在[Ca²⁺ ]i 中，在有规律的时间间隔内出现的小的瞬时峰值可能来自其他机械敏感通道的低表达。

流体剪切应力诱导胰腺腺泡中的病理事件

为了确定流体剪切应力激活的 Piezo1 是否促进线粒体去极化，实验监测了来自 WT 和 Piezo1^aci -KO 小鼠的携带线粒体螯合剂染料TMRE (200 nM)的胰腺腺泡中的活细胞线粒体去极化。

施加12 dyne/cm² 的流体剪切应力作用30 秒导致 [Ca²⁺ ]i 持续升高，随着时间的推移降低了 WT 胰腺腺泡中的 TMRE 强度，但在 Piezo1^aci -KO 细胞中没有。在这些实验中，流体剪切应力导致了与线粒体功能障碍状态一致的持续去极化。Piezo1 缺失的胰腺腺泡的线粒体电位不受这些流体剪切应力条件的影响。这些结果表明 Piezo1 通道介导了流体剪切应力诱导的线粒体去极化。

胰腺腺泡细胞中的胰腺活化是胰腺炎的关键病理特征。正如上文提到的，Piezo1 激动剂 Yoda1 诱导胰蛋白酶原激活，这是激活胰腺中其他酶原的第一步。为了确定流体剪切应力是否模拟 Yoda1 效应和胰蛋白酶活化，用胰蛋白酶活性测定探针BZiPAR加载胰腺腺泡细胞。然后使胰腺腺泡经受 12 dyne/cm² 的流体剪切应力30 秒。通过活细胞成像监测的胰蛋白酶活性在施加 10 分钟的流体剪切应力后被检测到，并在50分钟后逐渐增加。在 Piezo1^aci -KO 细胞中未观察到 BZiPAR 染料（胰蛋白酶活性）的增加。然而，相比之下，在 12 dyne/cm² 的力下，5 秒而不是 30 秒的短脉冲并不会触发 WT 腺泡细胞中的胰蛋白酶激活。

此外，实验还发现 Piezo1 直接感知流体剪切应力并启动钙内流，然而，TRPV4 的激活是造成钙的二次持续流入的原因，导致 [Ca ²⁺ ]i 的持续升高；Piezo1 诱导了 PLA2，这也是随后 [Ca²⁺ ]i 升高的原因； TRPV4 在压力诱导的胰腺炎中起关键作用，TRPV4-KO 小鼠可免受 Piezo1 介导的胰腺炎的影响。

实验结论：

该实验证明，在胰腺腺泡细胞中，Piezo1 的激活导致细胞内钙水平、线粒体去极化、细胞内胰蛋白酶激活和细胞死亡的延长升高。值得注意的是，这些效应取决于施加到细胞上的力的程度和持续时间。低或短暂的力不足以激活这些病理变化，而施加更高和长时间的力会引发细胞内钙的持续升高，导致酶激活和细胞死亡。所有这些病理事件都在用 Piezo1 拮抗剂处理的腺泡细胞和来自有 Piezo1 基因缺失的小鼠的腺泡细胞中被挽救。

实验发现 Piezo1 刺激触发TRPV4 通道开放，这是导致细胞内细胞器功能障碍的细胞内钙持续升高的原因。此外，TRPV4 基因-KO 小鼠免受 Piezo1 激动剂和压力诱导的胰腺炎的影响。这些研究揭示了一个钙信号通路，其中 Piezo1 诱导的 TRPV4 通道开放可能会导致胰腺炎。

参考文献：

Swain SM, Romac JM, Shahid RA, Pandol SJ, Liedtke W, Vigna SR, Liddle RA. TRPV4 channel opening mediates pressure-induced pancreatitis initiated by Piezo1 activation. J Clin Invest. 2020 May 1;130(5):2527-2541. doi: 10.1172/JCI134111. PMID: 31999644; PMCID: PMC7190979.

原文链接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/31999644/

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