机械信号刺激Piezo1促进骨代谢
当我们运动时，骨骼会变得强壮。相反，如果缺乏运动，将会导致骨质流失，增加骨折的风险。且随着年龄的增长，人体骨骼对运动的反应能力也会逐渐减弱，这导致老年人成为患骨质疏松症高危人群。想要预防此类疾病，空闲时间多运动，让骨骼变强壮起来。
当我们运动时，所引起的机械负荷，刺激成骨细胞形成，增加骨质强度。但引起这种刺激的机制尚不清楚，骨骼含有一种叫做骨细胞的细胞，骨细胞驻留在骨基质中，感知机械负荷的变化，并产生信号改变成骨细胞的骨形成。
以此为基点，来自美国小石城阿肯色大学医学系 、美国圣路易斯华盛顿大学 骨科外科 的研究团队进行了相关研究，在 eLife期刊上发表了名为《Stimulation of Piezo1 by mechanical signals promotes bone anabolism. 》的研究论文。
实验发现，Piezo1，一种机械感应离子通道，在骨细胞中表达强烈，其表达的活性因流体剪切力而增加。此外，在成骨细胞和骨细胞中有条件缺失Piezo1会降低皮质厚度和骨量。作者研究报道，离子通道Piezo1是流体剪切应力诱导的骨细胞基因表达变化所必需的，而小分子激动剂对Piezo1的刺激足以复制流体流动对骨细胞的影响。
部分实验结果
1.Piezo1 在骨细胞系中调解机械转移。
为了识别骨细胞中响应机械信号的钙通道，实验通过RNA-seq比较了骨细胞系MLO-Y4在静态和流体剪切力条件下的基因表达谱。实验表明，静态和流体剪切作用下，大量基因在MLO-Y4细胞中有差异表达。此外，通过RNA-seq(图1A)和RT-qPCR(图1B)检测，MLO-Y4细胞中的流体流动也可以显著上调Piezo1的表达。
在MLO-Y4细胞中，Piezo1的表达量约为Piezo2的200倍(图B)。在12周龄小鼠分离的骨细胞皮质骨中，Piezo1的表达也远高于Piezo2(图C)。因此，在MLO-Y4细胞中，敲除Piezo1可以显著抑制液体流动引起的细胞内钙的增加(图D)。敲除Piezo1还会减弱Ptgs2和Tnfrsf11b的流体流动刺激(图E)。这些结果表明，Piezo1有助于MLO-Y4细胞对流体剪切应力的反应。
(A） MLO-Y4细胞中钙通道的mRNA水平受流体剪切应力的调节，由RNA-seq决定。(B)静态或流体剪应力条件下培养2小时MLO-Y4细胞中Piezo1和Piezo2 mRNA的qPCR。*p<0.05相对于静态。（C）3个月大的野生类型C57BL/6J小鼠皮质骨中Piezo1和Piezo2 mRNA水平 （D） 在液体流动开始前后，在控制或Piezo1击倒MLO-Y4细胞时测量的细胞内钙浓度。箭头表示流体流动开始的时间。（E）Piezo1、Ptgs2和Tnfrsf11b的 qPCR 控制或Piezo1击倒 MLO-Y4 细胞，在静态或流体剪切应力条件下培养，每组 2 小时 n = 3。（F）括号中使用2-way ANOVA表示比较。灰色表示静态状态，蓝绿色表示流体剪应力。
2.Piezo1激活模拟了机械刺激对骨细胞的影响
我们确定Piezo1的激活是否足以模仿骨细胞和骨骼的机械刺激效果。用Piezo1的小分子激动剂Yoda1处理MLO-Y4细胞，增加细胞内钙浓度（图A），并刺激表达Ptgs2，Wnt1和Tnfrsf11b(图B) ，类似于流体流动对这些细胞的影响。
重要的是，Piezo1完全防止细胞内钙的增加(A)，以及Yoda1引起的基因表达变化(图B)。同样，在MLO-Y4细胞中Yap1和Taz显著减弱了Yoda1的Ptgs2、Wnt1和Tnfrsf11b的增加，表明对Yoda1的反应也需要Yap1和Taz（图C）。Yoda1还促进Ptgs2，Wnt1，Tnfrsf11b，Cyr61的表达，并减少了C57BL/6J小鼠皮质骨器官培养的 Sost（图D）。这些结果表明，Yoda1模拟了真实骨细胞中对流体流动的反应。
(A） 在治疗 DMSO 或 10 μM Yoda1 后立即测量控制或Piezo1击倒 MLO-Y4 细胞的细胞内钙浓度。（B、C） 用 Dmso 或 10 μm Yoda1 处理， 每组 2 小时 n = 3 。*p<0.05处理控制相同的基因型由双向ANOVA。（D） Ptgs2、 Wnt1、 Tnfrsf11b、 Cyr61和Sost的 qpcr， 来自 5 周大的老鼠用 Dmso 或 10 μm Yoda1 治疗的 5 周大小鼠的体外培养骨皮质， 每组 4 小时 n = 3 。（E）在 C57BL/6J 小鼠的头骨中，Wnt1的 qPCR 为每组 4 小时 n = 12 小时。（f） 体内Yoda1管理的时间表。（g， h）皮质厚度和取消在分离股骨（G）4个月大的Yoda1治疗雌性C57BL/6J小鼠（n = 每组12）的腰椎（H）。（I） 在4个月大Yoda1治疗雌性C57BL/6J小鼠的血清中循环骨钙素水平（n = 每组12）。
为了确定Yoda1是否能够增加体内的骨量，我们使用Yoda1给4个月大的雌性WT C57BL/6J小鼠服用了2周时间。Yoda1没有改变体重，但增加了股骨皮质厚度和松质骨量。Yoda1还增加了椎骨皮质厚度。实验结果表明，Yoda1对Piezo1激活模拟了流体剪切应力对骨细胞的影响，并增加了小鼠的骨量。
(A） C57BL/6J 小鼠在 Yoda1停留 2 周前后体重 （n = 每组 12 只小鼠）。（B） ELISA在小鼠中测量的血清CTX，如（A）所述。
总之，实验研究表明，Piezo1在维持骨稳态中起着关键作用，并表明这是通过调节成骨细胞、骨细胞两者的机械感应来实现的。研究发现，Piezo1的激活模拟了机械刺激对骨细胞的影响，并增加了小鼠骨量，为探索这一途径作为骨质疏松症的治疗奠定了基础。
参考文献：[1]Li Xuehua,Han Li,Nookaew Intawat,Mannen Erin,Silva Matthew J,Almeida Maria,Xiong Jinhu. Stimulation of Piezo1 by mechanical signals promotes bone anabolism.[J]. eLife,2019,8{5}:文章来源：Stimulation of Piezo1 by mechanical signals promotes bone anabolism (nih.gov)
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