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）是皮膚損傷后引發的纖維增生性疾病，嚴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。雖然傳統研究聚焦于細胞因子機制，但近年來生物力學信號在瘢痕形成中的作用逐漸受到關注，機械牽張能促使成纖維細胞向肌成纖維細胞分化，加劇細胞外基質（ECM）沉積，不過細胞機械感知的具體分子機制尚不明確。Piezo1 通道作為一種新型機械激活陽離子通道（MAC），據報道能夠調節力介導的細胞生物學行為。然而，Piezo1 在 HS 形成中的機械轉導作用尚未被研究。

基于此，上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院整復外科的研究團隊提出假設：瘢痕異常的機械微環境通過 Piezo1 調控真皮成纖維細胞活性，推動 HS 形成。通過實驗驗證，研究發現 Piezo1 在人及大鼠 HS 組織中過表達；體外模擬機械應力表明其可調節人真皮成纖維細胞中 Piezo1 的表達及纖維增生表型；動物實驗則證實 Piezo1 抑制劑能減輕大鼠 HS 形成。研究結果發表在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胞中 Piezo1 和 Piezo2 的表達，發現 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 組織的肌成纖維細胞中呈現高表達（圖 1D）。為進一步驗證，研究人員在牽張誘導的大鼠尾部 HS 模型中進行研究，免疫組化結果顯示 Piezo1 在大鼠 HS 真皮層廣泛過表達（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 組織中的現象一致（圖 1G）。這些結果共同證實了 Piezo1 在 HS 組織中的高表達及其與肌成纖維細胞的關聯性，即Piezo1 可能參與 HS 形成。

圖1    正常皮膚和HS 組織中 Piezo1 的表達。

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

鑒于 Piezo1 作為跨膜離子通道可響應機械牽張介導鈣內流，為了測試 Piezo1 活性是否影響 HDFs 中的鈣內流，研究人員進一步用 Fluo - 8 熒光染料檢測發現，CMS 能促進 HDFs 胞內鈣濃度升高，而使用 Piezo1 拮抗劑 GsMTx4 或 siRNA 敲低 Piezo1 后，該鈣內流現象被顯著抑制，表明 Piezo1 介導了 CMS 作用下 HDFs 的鈣內流（圖 2E-H）。這些結果表明 CMS 可能促進 HDFs 中 Piezo1 過表達及 Piezo1 介導的鈣內流。

圖 2    CMS 作用下 HDFs 中 Piezo1 的表達及 Piezo1 依賴性鈣內流。

為了探究 Piezo1是否參與機械力誘導的成纖維細胞增殖，研究人員通過 Ki67 免疫熒光染色評估 HDFs 增殖能力。結果發現 ，CMS 顯著增加 Ki67 陽性細胞比例，而 GsMTx4 處理或 Piezo1 敲低則抑制牽張誘導的增殖（圖 3A-D）。這表明 Piezo1 可能參與牽張誘導的 HDFs 增殖 。并進行了流式細胞術檢測，以確定 Piezo1 活性是否在體外調節 HDFs 的細胞凋亡，結果顯示各組細胞凋亡率無差異。此外，Transwell 遷移實驗表明 CMS 可增強 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 可能參與機械牽張誘導的 HDFs 增殖與遷移過程。

圖 3    CMS 通過激活 Piezo1 誘導 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，結果發現 CMS 可顯著促進 HDFs 中 α-SMA 的表達，而 GsMTx4 處理或 Piezo1 敲低則抑制了這一現象（圖 4A-H）。

鑒于 α-SMA 表達與肌成纖維細胞收縮力正相關，膠原凝膠收縮實驗顯示 CMS 處理的 HDFs 收縮力更強，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 結果表明 CMS 能上調 I 型膠原、III 型膠原和纖連蛋白的表達，而抑制或敲低 Piezo1 可顯著減弱 HDFs 的 ECM 分泌能力（圖 4M-P）。這些實驗結果表明機械牽張誘導的 HDFs 分化可能受 Piezo1 活性的調控。

圖4    CMS 通過 Piezo1 介導的機制促進 HDFs 分化。

最后，為了明確Piezo1 在機械牽張誘導HS中的關鍵作用，研究人員在牽張誘導的大鼠瘢痕模型中檢測了 GsMTx4 處理的效果 （圖 5A）。結果顯示，相比對照組，GsMTx4 處理可減輕瘢痕充血與隆起（圖 5B），組織學分析表明其橫截面積和瘢痕隆起指數（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 表達減少，即肌成纖維細胞活化受抑（圖 5I, J）。這些發現表明，施加于傷口部位的持續機械牽張可能通過 Piezo1 誘導 HS 形成（圖 6）。

圖 5    GsMTx4 減輕牽張誘導的大鼠尾部模型中的過度瘢痕形成。

圖6     機械牽張通過 Piezo1 促進 HS 形成的示意圖。

總之，研究證實 Piezo1 的激活可介導增生性瘢痕的形成，機械牽張通過激活真皮成纖維細胞中的 Piezo1，促進其增殖、遷移、向肌成纖維細胞分化及細胞外基質過度分泌，進而推動 HS 進展。而通過施用 GsMTx4 或 Piezo1-siRNA 抑制 Piezo1 活性，能減輕成纖維細胞的機械感知功能，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：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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