巨噬細胞是人體非常重要的免疫細胞，最主要的作用是引起機體免疫反應，產(chǎn)生免疫應答。巨噬細胞的表型與功能受多種環(huán)境因素的精細調(diào)節(jié)，如溫度、pH 值和氧濃度等。研究表明，多種類型的機械應力，包括靜水壓力、剪切應力和拉伸力，與巨噬細胞炎癥反應程度密切相關。例如，周期性靜水壓力（CHP） 和機械壓力促進巨噬細胞促炎細胞因子的分泌。然而，機械感覺誘導的免疫反應的潛在機制仍未完全清楚。

代謝重編程對巨噬細胞的激活狀態(tài)至關重要。促炎巨噬細胞的激活常伴隨代謝從氧化磷酸化（OXPHOS）向有氧糖酵解的轉(zhuǎn)化，類似于腫瘤中的 Warburg 效應。糖酵解是一種將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸的代謝途徑，受各種糖酵解酶的控制。有氧糖酵解盡管是一種低效產(chǎn)生ATP的過程，但其通過快速提供分子合成的代謝中間體來支持活化巨噬細胞的能量和營養(yǎng)需求。環(huán)境信號可誘導巨噬細胞的代謝重編程，然而，物理刺激對巨噬細胞代謝狀態(tài)的影響尚不清楚。一些研究報告稱，Piezo1介導的Ca²+ 信號在巨噬細胞中可促進細胞骨架重塑、細胞內(nèi)囊泡轉(zhuǎn)運和延長促炎表達譜�？紤]到代謝狀態(tài)與免疫反應之間的關聯(lián)，Piezo1激活可能有助于巨噬細胞的代謝重編程，但是，這尚未有報道。

基于此，山東大學齊魯醫(yī)院血液科、山東省血液免疫學省級重點實驗室的課題組在一項研究中旨在探討機械力是否通過機械控陽離子通道 Piezo1 的激活來調(diào)節(jié)巨噬細胞的代謝狀態(tài)從而影響炎癥的發(fā)生發(fā)展。研究表明，Piezo1介導的機械感覺誘導代謝轉(zhuǎn)向有氧糖酵解，并增強巨噬細胞的炎癥反應。具體內(nèi)容發(fā)表在 Frontiers in Immunology 期刊題為“Ion channel Piezo1 activation promotes aerobic glycolysis in macrophages”。
 

首先，實驗檢查了BMDMs中幾個機械敏感通道的mRNA表達，發(fā)現(xiàn)無論是靜息狀態(tài)，還是化學信號（LPS，脂多糖）和機械力刺激（CHP，45 mmHg-60 mmHg）下，Piezo1在BMDMs中高表達。通過構(gòu)建髓系細胞特異性敲除 Piezo1 轉(zhuǎn)基因小鼠Lyz2cre/+ Piezo1flox/flox，證明了巨噬細胞上Piezo1 的激活促進 LPS 誘導的炎癥因子的表達和分泌。

為了確定 Piezo1 敲除誘導的促炎譜改變的機制，分析了 scRNA-seq 數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)Piezo1敲除細胞中下調(diào)的基因顯著參與了碳代謝的生物學過程，提示了Piezo1在葡萄糖代謝中的作用。此外，糖酵解相關基因（Alodoa、Pkm、Eno1、Gapdh、Ldha 和 Gpi1）在 Piezo1 敲除髓系細胞中表達降低（圖1 A-C）。然后進行 XF 糖酵解速率測定，以驗證 Piezo1 敲除巨噬細胞的糖酵解變化。結(jié)果顯示，當 Piezo1 完全敲除時，巨噬細胞呈現(xiàn)從有氧糖酵解向 OXPHOS 的代謝重編程（圖1 D、E）。

此外，對LPS處理的BMDMs進行糖酵解速率分析以研究Piezo1對LPS誘導的代謝重塑的影響，發(fā)現(xiàn)LPS刺激顯著提高了BMDMs的糖酵解速率。LPS刺激下Piezo1敲除的BMDMs的基礎糖酵解、補償性糖酵解和加入2-DG（2-脫氧葡萄糖）后酸化明顯低于LPS刺激的對照BMDMs（圖1 F、G），而 LPS 刺激的 Piezo1 敲除 BMDMs 的 mitoOCR/基礎 PER 比值更高（圖1 H）。這一結(jié)果表明，Piezo1缺失破壞了LPS誘導的代謝重編程。此外，2-DG 抑制了BMDMs 中 IL-6 和 TNF-α 的分泌，表明 Piezo1 介導的代謝重編程會影響巨噬細胞誘導的免疫應答（圖1 I）。

由于Piezo1是由外部機械信號激活的，因此使用代謝組學進一步分析了有或沒有CHP處理的BMDMs中葡萄糖代謝關鍵產(chǎn)物的變化。結(jié)果顯示，CHP顯著增加糖酵解多種中間產(chǎn)物的含量，表明糖代謝增強（圖1 J）。在CHP刺激下，Piezo1缺失BMDMs中的幾種糖酵解產(chǎn)物顯著減少，可以直接提示糖酵解通路受抑。與Piezo1缺失BMDMs相比，玻珀酸和檸檬酸在CHP處理后野生型BMDMs中表現(xiàn)出更高的積累水平，而富馬酸和蘋果酸在兩組之間無統(tǒng)計學差異，表明Piezo1是CHP誘導的TCA（三羧酸循環(huán)）循環(huán)所必需的（圖1 K）。

圖1 Piezo1對巨噬細胞中的糖酵解重編程至關重要。

Yoda1 是一種特異性 Piezo1 通道激動劑。為了確定 Yoda1 是否參與葡萄糖代謝的調(diào)節(jié)，接下來測定了有或沒有 Yoda1 預處理的 BMDMs的糖酵解通量。結(jié)果顯示，Yoda1預處理增加了BMDMs的糖酵解通量。LPS刺激顯著提高了糖酵解能力，Yoda1進一步增強了這一作用。此外，在 IL-4 刺激下，BMDMs 中的 mitoOCR/基礎 PER 比率顯著增加，反映了替代激活巨噬細胞向 OXPHOS 的代謝轉(zhuǎn)化，但被 Yoda1 處理逆轉(zhuǎn)。為了驗證 Yoda1 誘導的代謝調(diào)節(jié)依賴于 Piezo1 離子通道，用 Yoda1 預處理的正常或 Piezo1敲除 BMDMs 的糖酵解率，顯示Piezo1 敲除降低了 Yoda1 對 BMDMs 糖酵解的促進作用，表明 Yoda1 介導的代謝調(diào)控是 Piezo1 依賴性的。

從機制上講，Piezo1介導細胞外Ca²+ 內(nèi)流和細胞內(nèi)Ca²+ 超載，從而增加鈣依賴性信號轉(zhuǎn)導的激活。因此，使用無鈣培養(yǎng)基來消耗細胞外鈣離子以評估 Yoda1 處理的 BMDMs 中糖酵解相關基因的轉(zhuǎn)錄。Yoda1 可促進 Glut1、Pkm 和 Ldha 的糖酵解關鍵酶的轉(zhuǎn)錄，但鈣消耗顯著抑制了這些效應（圖2 A）。此外，KN93 （競爭性鈣調(diào)蛋白依賴性激酶2型抑制劑）降低了 Yoda1 誘導的糖酵解水平升高（圖2 B）。這說明，Piezo1對于巨噬細胞內(nèi)糖酵解水平的調(diào)節(jié)依賴于鈣依賴信號通路的活化。

HIF1α 是調(diào)節(jié)多種糖酵解相關基因表達的主要轉(zhuǎn)錄因子，因此，對HIF1α進行了免疫熒光分析，顯示Piezo1敲除降低了LPS誘導的HIF1α表達和核轉(zhuǎn)位（圖2 C）。此外，HIF1α 及其共激活因子 P300 的蛋白水平在 Piezo1 敲除BMDMs 中降低（圖2 D）。核內(nèi)的 HIF1α 蛋白水平也降低（圖2 E）。

據(jù)報道，CaMKII 激活可由 Piezo1 激活誘導，參與維持 HIF1α 的穩(wěn)定。實驗發(fā)現(xiàn)LPS刺激或CHP顯著促進正常細胞中的CaMKII磷酸化，而Piezo1敲除通過干擾鈣穩(wěn)態(tài)來降低CaMKII磷酸化。KN93 的施用抑制了 CaMKII 的磷酸化以及 LPS 或 CHP 誘導的野生型巨噬細胞中 HIF1α 的穩(wěn)定和 P300 的表達（圖2 D）。此外，HIF1α 的下調(diào)消除了正常BMDMs和Piezo1敲除BMDMs之間糖酵解的差異（圖2 F）。同樣，KN93也減弱了Piezo1敲除引起的代謝差異（圖2 G）。這些結(jié)果表明，Ca²+-CaMKII-HIF1α 信號通路參與了 Piezo1 誘導的代謝重編程。

圖2 Piezo1通過Ca²+-CaMKII-HIF1α軸促進巨噬細胞的代謝開關。

腸道炎癥伴有機械力的變化，包括腸腔內(nèi)壓、結(jié)腸血流量和基質(zhì)硬度的增加。葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導的小鼠結(jié)腸炎是一種自限性疾病，受巨噬細胞啟動的先天免疫應答高度調(diào)節(jié)。最后，實驗旨在使用轉(zhuǎn)基因小鼠確認 Piezo1 在 DSS 誘導的結(jié)腸炎小鼠模型中的體內(nèi)作用。結(jié)果顯示，Piezo1 缺失顯著改善了 DSS 誘導的炎癥，表現(xiàn)為體重降低的減少，腸道長度增加，組織學評分降低及炎癥因子水平降低（圖3 A-E）。此外，Piezo1敲除小鼠結(jié)腸中巨噬細胞中糖酵解相關基因的mRNA水平降低（圖3 F）。這些結(jié)果顯示，髓系Piezo1 敲除改善小鼠潰瘍性結(jié)腸炎，且與HIF1α 的表達及糖酵解水平降低相關。

然后確定了 Yoda1 誘導的 Piezo1 激活是否受小鼠結(jié)腸炎進展的影響，結(jié)果證明，在生理條件下，只有 Yoda1 不影響小鼠體重、結(jié)腸長度和組織學評分，但在炎癥狀態(tài)下，Yoda1加劇了疾病進展，在DSS處理后表現(xiàn)為體重減輕、結(jié)腸長度更短及組織學評分的增加（圖3 G-I）。組織學染色和免疫熒光顯示，Yoda1促進免疫細胞浸潤（圖3 J），還導致 IL-6、TNF-α 和 IL-1β 水平升高（圖3 K），以及結(jié)腸巨噬細胞中 Glut1 和Ldha mRNA 水平升高（圖3 L）。這說明，外源 Yoda1 加劇小鼠潰瘍性結(jié)腸炎的進展。

圖3 Piezo1缺乏可改善小鼠潰瘍性結(jié)腸炎。

總之，該研究表明機械敏感離子通道蛋白 Piezo1 通過 Ca²+-CaMKII-HIF1α 軸調(diào)控巨噬細胞有氧糖酵解，并促進LPS誘導產(chǎn)生的免疫應答，在小鼠潰瘍性結(jié)腸炎的發(fā)展中具有重要作用。機械力改變是急慢性炎癥中一個重要的環(huán)境特征，并可能同時重塑免疫細胞的炎癥反應強度。該研究結(jié)果證明了機械刺激誘導巨噬細胞的代謝重編程，也為外源環(huán)境因素調(diào)節(jié)免疫細胞炎癥反應提供了新的見解。

參考文獻：Leng S, Zhang X, Wang S, Qin J, Liu Q, Liu A, Sheng Z, Feng Q, Hu X, Peng J. Ion channel Piezo1 activation promotes aerobic glycolysis in macrophages. Front Immunol. 2022 Sep 2;13:976482. doi: 10.3389/fimmu.2022.976482. PMID: 36119083; PMCID: PMC9479104.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36119083/

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