揭秘不可逆镰状细胞循环生命周期：异常活跃的脱氧 PIEZO1 或是关键 “元凶”

为探究不可逆镰状细胞（ISCs）在循环中的形成和演变机制，研究人员开展了关于 ISCs 循环生命周期的研究。通过构建红细胞模型模拟，发现异常强烈的脱氧 PIEZO1 反应是 ISCs 形成的主要原因，这为相关疾病研究和治疗提供了新方向。

　　镰状细胞病（Sickle cell disease，SCD）是一种全球影响数百万人的血液疾病，由异常血红蛋白（HbS）的纯合遗传引起。在这种疾病中，红细胞会变成镰刀状，导致各种严重的健康问题。不可逆镰状细胞（irreversibly sickled cells，ISCs）被认为是引发血管阻塞和器官衰竭的主要因素，然而，尽管在实验方面对 ISCs 有诸多了解，但它们在血液循环中的生命周期却一直是个谜，就像隐藏在迷雾中的神秘宝藏，等待着科学家们去揭开其面纱。为了填补这一关键空白，来自英国剑桥大学（University of Cambridge）生理学、发育与神经科学系生理实验室的 Virgilio L. Lew 和英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）计算科学学院的 Simon D. Rogers 开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《Biophysical Journal》上，为我们深入理解 ISCs 的循环生命周期提供了全新视角。
研究人员采用了一种经过充分验证的红细胞稳态和循环动力学模型，该模型能够高分辨率地探索长时间的事件，详细展现 ISCs 在短暂的毛细血管间转运过程中的动态变化如何塑造其循环生命周期。研究中，他们仔细筛选了大量已验证的实验和临床结果，以此来严格约束模型参数，确保研究的准确性和可靠性。
研究结果主要分为三个阶段：

• 第一阶段：超密集塌陷（hyperdense collapse）：研究发现，为了使 ISCs 在循环中大约一天内发生超密集塌陷，脱氧 PIEZO1 通道的平均 Ca²⁺渗透率需要设定为比初始参考状态下血浆膜钙泵通量高约 10 倍的水平。当 ISCs 注定的应激网织红细胞进入循环后，每次在静脉循环中的脱氧转运都会激活随机部分的 PIEZO1 通道，使 Ca²⁺内流，进而激活 Gardos 通道，导致细胞内 K⁺、Cl^-和水的净流失。随着时间推移，细胞逐渐脱水，血红蛋白的渗透系数增加，细胞内胶体渗透压升高，进一步促使水外流，最终细胞达到超密集的脱水状态。在这个过程中，膜电位的变化起着重要作用。由于红细胞血浆膜对可扩散阴离子（如 Cl^-和 HCO₃^-）的基础渗透率远高于对 Na⁺或 K⁺的渗透率，随着细胞脱水，可扩散阴离子浓度下降，膜电位 Em 逐渐接近可扩散阴离子的能斯特平衡电位 EA，导致膜超极化。而超极化又会进一步加速 Ca²⁺内流，形成一个正反馈循环，加速细胞脱水。
• 第二阶段：超密集致病阶段（hyperdense pathogenic stage）：在超密集塌陷后的第二阶段，ISCs 保持超密集、低钾的状态。此时，细胞体积和其他内稳态变量呈现出显著的稳定性。这种稳定性源于脱氧 PIEZO1 介导的内向 Na⁺泄漏和钠泵介导的 Na⁺外排之间的平衡。随着细胞内 K⁺浓度的下降，对钠泵的抑制作用减弱，钠泵活性逐渐增加，最终达到泵 - 漏平衡，维持细胞体积稳定。尽管 Ca²⁺通过脱氧 PIEZO1 通道的内流无法使低钾细胞进一步脱水，但升高的 [Ca²⁺] 仍会持续激活血浆膜钙泵（PMCA）和所有依赖 ATP 的钙积累过程，这使得 ISCs 需要维持比成熟正常红细胞或镰状圆盘细胞高得多的代谢活动来支持这些转运过程。
• 第三阶段：快速终末再水化阶段（fast track terminal rehydration）：在 ISCs 生命周期的后期，会进入快速终末再水化阶段。实验发现，从镰状细胞密度分级中最低密度部分回收的细胞包含多种不同阶段的镰状细胞，通过特定的实验方法可以分离出处于第三阶段的 ISCs。研究表明，这一阶段的 ISCs 具有低 HbS 含量、反转的 Na⁺-K⁺梯度和异常高的钠泵介导通量。通过模拟和分析，研究人员推测钠泵抑制是触发 ISCs 从第二阶段向第三阶段再水化转变的机制。在第二阶段，钠泵活动逐渐下降，导致细胞无法平衡脱氧 PIEZO1 介导的大量内向 NaCl 泄漏，从而使细胞逐渐获得 NaCl 和水，发生再水化。虽然目前还不清楚钠泵下降的确切时间和原因，但最可能的解释是在第二阶段的高强度代谢后，细胞代谢耗尽限制了泵的 ATP 供应。
  在讨论部分，研究结果引发了一系列重要问题。例如，为什么 PIEZO1 通道在 ISCs 注定的应激网织红细胞中表现不同？这可能与膜脂质组成和细胞骨架相互作用有关，但具体机制仍有待进一步研究。此外，HbS 聚合与 PIEZO1 通道激活之间的关系也存在诸多疑问，ISCs 中似乎存在一些与传统聚合物 - 渗透性连接不同的机制。另外，ISCs 中钙积累的过程也充满未知，包括钙积累小泡的身份、相对比例以及它们对细胞内 [Ca²⁺] 变化的影响等。
  总的来说，这项研究首次全面阐述了 ISCs 在循环中的生命周期，揭示了异常强大的脱氧 PIEZO1 反应是 ISCs 形成和致病的主要原因。这一发现为未来的研究指明了方向，有望推动针对 SCD 的新临床和治疗干预措施的开发，就像为攻克这一疾病点亮了一盏明灯，让我们离彻底战胜镰状细胞病的目标又近了一步。
  在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是构建红细胞模型（RBC model），该模型可模拟红细胞在体内的生理过程，通过设定不同参数来研究 ISCs 的循环生命周期；二是模拟氧合 - 脱氧 - 再氧合转变，利用血红蛋白等电点（pI）对 pO₂变化的响应，结合 Dalmark 方程将 pI 变化转化为细胞 pH 变化，进而研究其对红细胞内稳态的影响；三是严格设定模型约束条件，基于大量已验证的实验和临床结果对模型参数进行限制，确保研究的准确性。