机械敏感性离子通道蛋白Piezo在机体机械转导中作用的研究进展

Piezo1和Piezo2是近年来新发现的机械敏感性离子通道,对机械门控非选择性阳离子电流的产生至关重要,在机械转导过程中发挥重要作用。本文系统地总结了国内外相关文献,重点论述Piezo通道在组织器官中的分布及表达,阐述其在机械转导途径中的作用,探讨其在不同组织器官中的表达及对机械转导作用的影响,为揭示Piezo基因相关的人类疾病探索新的路径。本文就Piezo家族对生物体生理功能的重要性及其与疾病的相关性进行介绍,主要概述Piezo通道的发现过程,总结Piezo1通道在血管、膀胱和肾脏等组织器官中的机械转导功能及Piezo2通道在触觉、本体感觉和伤害感觉等感觉系统中的机械转导功能,并介绍Piezo1和Piezo2突变体与多种人类疾病的关联,展望其作为重要基因或药物治疗靶点的前景。

衰老对骨细胞机械转导功能影响的研究进展

骨细胞能够通过其机械转导功能协调骨骼对机械负荷的适应性反应,以维持骨稳态。随着年龄的增长,骨细胞及其微环境会出现一系列衰老相关的变化。衰老可能损伤骨细胞机械转导功能,引起下游信号的改变,造成骨重塑不平衡,进而导致骨质疏松、脆性骨折等退行性骨病的发生。笔者从“骨细胞复杂的机械转导过程”“骨细胞及其微环境的衰老相关改变”以及“衰老引起的骨细胞机械转导相关信号通路的改变”3个方面进行了综述,并对目前的研究难点和未来的研究方向进行总结和展望,以期为相关研究和衰老骨病防治提供新思路。

牵张激活离子通道在间充质干细胞机械转导中的作用机制

背景:间充质干细胞因其多向分化潜能以及诸多优点成为组织工程最热门的种子细胞之一,如何诱导其定向分化是一大难题。力学刺激是影响间充质干细胞增殖与分化的重要因素,目前很多研究通过体外加载途径模拟体内不同组织器官的力学环境,得出不同力学环境对间充质干细胞的影响,但是间充质干细胞机械转导的具体途径依然是未知的。牵张激活离子通道是机械转导中的重要组分,已有的研究表明其在间充质干细胞的机械转导过程中起着重要作用。目的:总结间充质干细胞力学调控的研究,分析归纳牵张离子通道在间充质干细胞机械转导中的作用及可能机制。方法:检索SCI数据库和PubMed数据库,检索词为"mesenchymal stem cell,stretch-activated channel,mechanical,tension,compression,fluidflow,hydrostaticpressure,piezo,TRP"。检索建库至2018年4月发表的有关间充质干细胞和牵张激活通道相关进展的文章。共检索到相关文献160篇,按照纳入与排除标准,最终纳入70篇文献进行总结。结果与讨论:间充质干细胞因为具有自我更新能力及多向分化潜能是组织工程重要的种子细胞,探讨影响其增殖与分化的因素及机制一直是研究的热点。在众多影响因素中,力学因素尤为重要,目前作用在间充质干细胞上的力主要分为牵张、压缩、流动剪切力与静水压力4种,这些力学刺激都可以调控间充质干细胞的命运。牵张激活离子通道感受细胞表面受到的力,被激活后介导特定的离子如钙离子进入细胞,同时可以与其他离子通道、细胞骨架、转录因子等共同成分完成机械信号转导,调控间充质干细胞的命运。

微重力环境下心血管系统的机械应答及转导机制研究进展

重力是对地表生物影响最广泛的机械力学信号之一,在维持心血管正常结构和功能方面发挥关键作用。在太空环境中,重力缺失会导致心血管系统的生理机械环境发生变化,可能引起心血管系统结构和功能方面的适应性改变或重塑。然而,人类对微重力环境下心血管系统如何感知、转导和响应机械应力改变仍知之甚少。本文综述了近年来心血管系统在微重力环境下的机械应力感受器和信号转导研究成果,对心血管系统感知和响应微重力的分子机制,以及新型力学感受器、关键信号通路和潜在干预靶点展开预测和讨论,旨在为防治空间微重力引起的心血管系统适应性改变提供新思路。

机械信号转导在血小板粘附等过程中的研究进展

血小板是由巨核细胞生成的细胞质片状结构,主要功能为止血和组织修复。血小板功能的发挥不仅涉及其形态上的改变,还涉及多种血小板相关分子在血流机械剪切力环境下发生的构象变化,这些构象变化可导致更多或更强的蛋白分子间相互作用以及生物化学信号转导。近年来,随着机械信号转导(Mechanotransduction)检测技术的发展和应用,血小板机械信号转导亦得到多方面研究,这些研究对阐明血小板生理病理下的变化具有重要意义。本文就该方面的研究进展做一简要概述。

应力诱导自噬的机械转导过程研究进展

细胞自噬广泛发生在所有真核细胞的基础生理过程中,是细胞通过降解自身结构或物质从而获得能量的一种自我保护机制。近年来,学者们发现各种组织和细胞在体内受到不同类型的机械应力同样可以通过多种机械转导途径诱导自噬,调控细胞代谢功能,并参与多种疾病的病理过程。细胞膜上的应力感受器以及细胞内的多条信号通路和细胞骨架已被证明在该过程中发挥了重要作用。目前,由于应力加载模型建立的困难以及相关研究手段的局限,机械应力诱导细胞自噬的具体机械转导机制尚不清楚。因此,需要更可靠的体内外模型和更先进的研究方法来了解机械应力诱导自噬的机械转导过程,并最终促进自噬相关疾病及其治疗方法的进展。本文就机械应力在生理及疾病过程中对自噬的调节作用以及机械应力诱导自噬的相关信号转导过程作一综述。

基于软骨细胞机械敏感性离子通道力学转导的疼痛机制探讨

关节局部慢性疼痛是骨性关节炎(osteoarthritis,OA)软骨组织缺损后的核心症状,严重影响中老年人的生活质量,但其起源和具体诱发机制尚不清楚。OA软骨组织一方面存在机械载荷损伤诱导的炎症修复过程,另一方面伴随着骨赘、毛细血管和周围神经纤维的新生。因此软骨组织可能是有别于滑膜组织的介导OA慢性疼痛的另一重要源头。但目前国内外均缺乏系统全面的总结和论述,机械敏感性离子通道(mechanically sensitive ion channel,MSC)所诱导的生物力学疼痛机制是其中一个较为关键的因素。研究MSC的生物物理学及神经生物学机制是研发干预OA软骨损伤及慢性疼痛的重要前提。本文将主要介绍其中三种钙离子调控的软骨细胞MSC的机械转导机制及其级联下游细胞通路介导骨性关节炎疼痛发生发展的分子机制。

瘢痕疙瘩相关机械信号转导通路

背景:瘢痕疙瘩是整形外科中非常棘手的问题,其发病机制十分复杂,是多种因素共同作用的结果,如多种细胞因子,信号转导通路,细胞外基质等。目前关于机械力及其力学信号转导通路影响瘢痕疙瘩的进展研究已开始受到广泛关注,并逐渐成为研究瘢痕疙瘩发病机制的热点之一。目的:总结参与瘢痕疙瘩发病机制的相关机械信号转导通路进展,为进一步认识瘢痕疙瘩发病机制及防治瘢痕疙瘩的相关研究提供新思路。方法:应用计算机检索Pub Med数据库、Elsevier数据库2000年1月至2014年7月期间相关文章,检索词为"keloid,molecular mechanism,mechanical stress;cutaneous scar,mechanobiology,mechanosignaling pathway",限定文章语言种类为English。选择内容与瘢痕疙瘩相关分子信号转导机制及其参与其机械力改变的力学信号转导通路相关的文章,共纳入23篇文献。结果与结论:瘢痕疙瘩相关机械信号转导通路如转化生长因子β/Smad,MAPK,整合素,Wnt/β-catenin,Rho A/ROCK和肿瘤坏死因子α/核因子κB信号通路等在瘢痕疙瘩的形成及发展起着重要作用,多项临床实验也表明了部分机械信号转导通路抑制剂在伤口愈合或减轻瘢痕增生方面的有效性。从机械信号转导通路研究瘢痕疙瘩发病机制虽已取得一定的进展,但大部分还停留在动物实验阶段。其次,各个机械信号转导通路的相关性及交叉性还需深入研究,以便实现防治瘢痕疙瘩的突破。

机械应力下初级纤毛在骨和颞下颌关节软骨改建中力学感知作用的研究进展

正畸治疗过程中的牙齿移动和颞下颌关节改建与生物力学息息相关,涉及到机械力作用下的骨重塑和软骨内稳态的维持。初级纤毛作为机械感受器,广泛存在于间充质干细胞、成骨细胞、骨细胞、软骨细胞等细胞表面,在机械应力下通过转导多种信号通路促进间充质干细胞的成骨向分化,维持成骨细胞的机械敏感性,促进骨基质的沉积,上调骨细胞的功能活动,间接调节破骨细胞的活性,促进软骨细胞的增殖分化及软骨内骨化等,在骨-软骨组织改建中发挥重要作用。本文对初级纤毛在机械应力下的牙槽骨改建和颞下颌关节软骨改建中的作用及相关分子机制的研究进展进行综述,为深入探讨正畸过程中骨和软骨组织的改建机制提供参考。

PECAM-1在机械信号转导的作用

动脉粥样硬化(Atherosclerosis, As)是一种慢性炎症性疾病,好发于血管分支、分叉及弯曲内侧这些血流紊乱部位。局部因素如血流动力学在动脉粥样硬化好发局部位置过程中起重要作用。内皮细胞表面有很多可以感受力刺激的机械敏感受体,机械敏感受体一旦活化会激活细胞内数条信号通路,引起某些转运因子发生磷酸化,与机械敏感响应原件结合调控机械敏感基因的表达,调节细胞功能变化。本文就机械敏感受体PECAM-1在机械信号转导中的作用进行综述。

机械应力对巨噬细胞的功能调节作用及机制

巨噬细胞作为先天免疫系统识别外界环境刺激的先锋,能够响应环境细微变化对自身功能实现适应性调节,在维持体内稳态和抵抗感染方面起关键作用。生理或病理组织微环境存在多种机械应力刺激,对巨噬细胞的免疫功能具有重要影响。本文围绕机械应力对巨噬细胞的功能调节,从影响细胞行为和极化的角度综述,总结巨噬细胞机械应力感知及转导的分子机制,展望巨噬细胞力学生物学研究在组织工程、再生医学以及肿瘤免疫治疗领域的应用前景,为深入理解巨噬细胞功能可塑性提供有力支持。

真核生物神经元机械敏感性离子通道的研究进展

躯体一些基本的生理功能如触觉、听觉、本体感受以及血压感受等是通过不同的机械感受器（机械敏感性神经元）完成的。这些特殊的神经元细胞体及末梢的细胞膜上存在机械敏感性离子通道（M S通道）。机械转导是指机械刺激与生物反应的转换，由位于神经末梢上的MS通道的开放开始，由神经末梢将机械信号迅速转化成生物电信号进而向中枢传递的过程。

整合素在细胞响应机械应力中的作用

机械应力在细胞生长、分化和基因表达等生理学过程和某些病理学过程中起了重要的作用 .细胞粘附分子———整合素是机械信号转导中重要的跨膜分子 .细胞通过整合素与胞外基质蛋白、细胞骨架蛋白以及聚焦粘附激酶等的反应 ,将感应的力信号转化为化学信号 ,从而调节细胞的生理机能 。

肌肉和骨骼结构适应性重塑的机械化学耦合作用

运动锻炼和重力等机械加载使肌肉和骨骼结构适应性重塑,始终保持动态稳定的状态。但是,在缺乏机械刺激和重力卸载状态下,力学相应细胞和损伤组织会适应性改变重塑机制,甚至慢性炎症引发肌肉和骨髓组织内脂肪浸润,容易导致骨质疏松症、肌肉减少症等退行性疾病;在适应性重塑过程中,机械刺激可通过流体施加的变形应力(拉伸和压缩)或剪切应变来传递,使力学相应细胞中的粘附分子感知机械应变并将其转化为生化反应,通过与其生态位的机械化学耦合作用,从而调节细胞生物学的基本机制,如谱系定型、组织形成和成熟等,最终使细胞外基质成分、粘附分子和细胞骨架的结构变化,从而影响抗断裂性和肌肉力量;最新研究表明,衰老现象与机械刺激和病理改变所致的表观遗传学调控密切相关。基于此,本文综述力学相应细胞的机械化学生态位条件,阐明肌肉和骨骼结构的重塑机制,为疾病和衰老过程的预防和治疗提供新的靶点。

机械敏感分子Talin在动脉粥样硬化中的表达意义

目的动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)是当前严重危害人类生命和健康的主要疾病之一。研究表明,血管内皮细胞形态、功能的改变为AS发生发展的重要因素,其受到血流低剪切应力作用会导致内皮损伤和修复的失衡而诱发AS斑块。课题组前期研究发现层流低剪切应力可诱导体外血管内皮细胞踝蛋白(Talin)异常表达,为此本实验旨在研究动脉粥样硬化动物模型主动脉弓、主动脉根及血清中Talin-1的表达及意义,为探讨力学感受器Talin分子在力-化学信号协同调控AS发生的机制及其作为AS分子标志物的可能性奠定理论基础,为AS的预防和治疗提供新思路。方法实验组为西方饮食饲料(Western-type diet,WTD)喂养的载脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠构建AS模型,对照组为普通饲养的C57BL/6 J小鼠。检测血清总胆固醇(total cholesterol,TC)、甘油三酯(triglyceride,TG)、低密度脂蛋白(low density lipoprotein cholesterol,LDL-C)、高密度脂蛋白(high density lipoprotein cholesterol,HDL-C)的含量并通过HE染色观察管腔与斑块结构鉴定AS模型;免疫荧光检测小鼠主动脉弓、主动脉根部Talin-1含量;ELISA法检测小鼠血清中可溶性Talin-1(sTalin-1)的水平。结果实验组sTalin-1、TC、TG、LDL-C均高于对照组(P<0.01);Person相关性检验分析显示血清中sTalin-1与脂质参数存在显著性正相关;免疫荧光结果显示,实验组Talin-1表达较对照组明显增高(P<0.01)。结论 Talin-1在AS模型小鼠的病灶组织和血清中均明显增高,其作为AS诊断标志物具有一定潜在价值。

机械敏感性离子通道Piezo对干细胞增殖、迁移、分化的影响

在细胞外的物理刺激如声、光、温度和机械力等转化为胞内生物信号反应的过程中,例如听力、疼痛、触摸、本体感觉、血压调节等,机械敏感性离子通道都在其中发挥了关键性作用。近年来,瞬时受体电位通道家族、机械活化双孔钾通道家族、上皮钠通道家族。

机械敏感分子踝蛋白-1在动脉粥样硬化小鼠中表达和意义

目的探讨动脉粥样硬化(AS)动物模型主动脉弓、主动脉根及血清中踝蛋白(Talin)-1的表达及意义。方法实验组为西方饮食饲料(WTD)喂养的载脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠构建AS模型,对照组为普通饲养的C57BL/6J小鼠。检测血清总胆固醇(TC)、三酰甘油(TG)、低密度脂蛋白(LDL-C)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)的含量并通过苏木素-伊红(HE)染色观察管腔与斑块结构鉴定AS模型;免疫荧光检测小鼠主动脉弓、主动脉根部Talin-1含量;酶联免疫吸附试验(ELISA)检测小鼠血清中可溶性Talin-1(sTalin-1)的水平。结果实验组sTalin-1、TC、TG、LDL-C、HDL-C均高于对照组(P<0.01);血清中sTalin-1与脂质参数存在显著性正相关;实验组Talin-1表达较对照组明显增高(P<0.01)。结论Talin-1在AS模型小鼠的病灶组织和血清中均明显增高,其作为AS诊断标志物具有一定潜在价值。

血管平滑肌细胞中机械力信号受体的研究进展

血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell,VSMC)在血管生理功能维持和动脉粥样硬化、动脉硬化与钙化、动脉瘤与夹层等血管疾病发生、发展、转归过程中发挥重要作用。因其表型的高度可塑性,VSMC可对血液动力学因素、管壁细胞外基质刚度和拓扑等多种机械力刺激予以应答,通过表型转换而参与血管稳态和重塑调控。本文阐述了VSMC感知、转导和响应其所处力学微环境的关键受体和信号转导途径,并基于作者研究团队近年来的工作,重点介绍了酪氨酸激酶受体型机械力信号受体和核机械力信号受体等在机械力感知过程中的作用和机制。

多囊蛋白,钙离子信号转导与常染色体显性遗传性多囊肾病

多囊肾疾病是由多囊蛋白-1或-2失能导致的,其囊肿的发生涉及到上皮细胞的过度增殖、轻度的分化不良以及囊液的积聚。多囊蛋白-1和多囊蛋白-2构成多囊蛋白离子通道复合物,参与Ca^(2+)信号转导,该通道复合物的病变直接引起细胞内Ca^(2+)调节的失衡导致囊肿的形成。

生物力学作用对成骨细胞生物特性的影响

背景:骨形成是成骨细胞合成和分泌类骨质并促进其矿化的过程,在此过程中普遍存在力学信号转导。成骨细胞在体内主要受到重力、压应力、拉伸力、流体剪切力和静水压力等力学因素的调节,不同的力学作用通过激素、细胞骨架蛋白和微小RNA等调节成骨细胞的增殖、分化和凋亡等生物特性。通过明确生物力学作用对成骨细胞的影响,为成骨细胞在骨代谢疾病中的治疗提供思路及参考依据。目的:综述不同生物力学作用对成骨细胞生物特性的影响。方法:采用PubMed、Web of Science、FMRS、中国知网及万方数据库进行文献检索,检索2000-2023年发表的相关文献,纳入与生物力学作用对成骨细胞影响有关的包括基础研究及组织工程研究在内的所有文献,最终对70篇文献进行综述。结果与结论:不同生物力学作用对成骨细胞的增殖、分化和凋亡等生物特性产生影响,这些影响和作用力的强度和时间相关,具体作用如下:①微重力条件下,成骨细胞的增殖和分化受到抑制,导致骨密度下降,从而形成骨质疏松症。②相比于微重力,超重力对成骨细胞的增殖产生促进作用。③压应力对成骨细胞的影响存在加载强度和时间的依赖性。适宜的压应力可促进成骨细胞的增殖和分化,有益于骨组织的形成和修复;而过度的压应力则会导致成骨细胞凋亡和骨组织的破坏。④在成骨细胞上施加不同类型的拉伸力,其生物学效应存在差异。研究表明,伸长率在0-12%的范围内对成骨细胞的增殖有促进作用。⑤流体剪切力具有促进成骨细胞增殖和分化的作用,同时还能够增强生物材料的骨诱导作用。⑥静水压可以对成骨细胞的增殖、分化和凋亡等生物学行为产生影响,这些作用与静水压施加的时间和强度密切相关。研究不同生物力学作用对成骨细胞的影响,对于深入理解骨生长和维护机制具有重要意义。