Piezo1在糖尿病心肌病中的作用及机制研究

《Cardiovascular Diabetology》：Piezo1 deletion mitigates diabetic cardiomyopathy by maintaining mitochondrial dynamics via ERK/Drp1 pathway

本研究聚焦糖尿病心肌病（DCM），通过构建特异性敲除小鼠模型，揭示Piezo1在其中的关键作用及通过ERK/Drp1通路调控线粒体动态的机制，为DCM治疗提供新靶点

　　糖尿病心肌病（Diabetic Cardiomyopathy, DCM）是糖尿病患者常见的严重并发症之一，其发病机制复杂，涉及多种病理生理过程，如心肌纤维化、氧化应激、线粒体功能障碍等。近年来，机械敏感性离子通道Piezo1在多种心血管疾病中的作用受到广泛关注，但其在DCM中的具体作用尚不清楚。为深入探究Piezo1在DCM中的作用机制，山东中医药大学创新研究院等机构的研究人员开展了一系列实验研究，相关成果发表在《Cardiovascular Diabetology》上。

糖尿病作为一种全球性高发的慢性疾病，其并发症给患者带来了沉重的健康负担。其中，DCM以心肌结构和功能异常为特征，表现为心肌肥大、间质纤维化、舒张功能障碍等，严重威胁患者生命。随着对DCM研究的不断深入，越来越多的研究表明，线粒体功能障碍在DCM的发生发展中起着关键作用。线粒体作为细胞的能量工厂，其动态平衡（包括融合与分裂）对维持细胞正常功能至关重要。而Piezo1作为一种机械敏感性离子通道，在多种生理和病理过程中发挥着重要作用，其在DCM中的表达变化及功能尚待明确。

为了解答这一问题，研究人员构建了心脏特异性敲除Piezo1的小鼠模型（Piezo1?Myh6），并分别采用链脲佐菌素（STZ）诱导1型糖尿病（T1DM）和高脂饮食联合STZ诱导2型糖尿病（T2DM）模型，通过一系列实验手段对小鼠心功能、心肌病理变化及线粒体功能进行了全面评估。研究结果显示，糖尿病小鼠心肌中Piezo1表达上调，而心脏特异性敲除Piezo1可显著改善糖尿病小鼠的心功能，减轻心肌纤维化，并改善线粒体功能障碍。进一步的机制研究发现，Piezo1缺失可通过降低Ca2+内流，进而减少钙蛋白酶（calpain）活性，抑制ERK1/2信号通路介导的Drp1磷酸化，减少线粒体分裂，从而维持线粒体动态平衡，减轻氧化应激损伤。

在实验技术方面，研究人员采用了多种关键方法。首先，通过构建心脏特异性敲除Piezo1的小鼠模型，利用超声心动图评估左心室功能，采用HE染色和Masson染色观察心肌病理变化。其次，运用透射电子显微镜（TEM）观察线粒体超微结构，检测线粒体膜电位（MMP）、活性氧（ROS）水平及线粒体呼吸功能，以评估线粒体功能。此外，还通过免疫荧光（IF）和西方印迹（Western blot）检测相关蛋白表达及磷酸化水平，明确Piezo1对线粒体动态相关蛋白的调控作用。

具体研究结果如下：

1. Piezo1在糖尿病心肌及高糖处理细胞中的表达上调。研究人员通过分析GEO数据库中的RNA-seq数据，发现与正常心肌相比，DCM心肌中Piezo1表达显著增加。进一步利用Piezo1dtT/dtT小鼠构建T1DM和T2DM模型，免疫荧光染色结果显示，糖尿病小鼠心肌中Piezo1蛋白水平显著升高。此外，在高糖处理的H9C2细胞中，Piezo1表达也较正常葡萄糖条件显著增加，Western blot结果进一步证实了这一现象。
2. 心脏特异性敲除Piezo1改善糖尿病小鼠心功能及心肌重构。与对照组相比，Piezo1fl/fl + HFD组小鼠出现心功能障碍，表现为心重增加、左心室射血分数（LVEF）和左心室短缩分数（LVFS）降低，以及左心室内部尺寸（LVID）和左心室后壁厚度（LVPW）等指标异常。而Piezo1?Myh6小鼠的这些异常指标均得到显著改善。此外，心脏特异性敲除Piezo1还降低了糖尿病小鼠心肌中ANP和BNP的mRNA水平，减轻了心肌纤维化程度，表现为Masson三色染色显示的胶原沉积减少，免疫荧光染色检测到的胶原I和胶原III水平降低。
3. Piezo1缺失减轻糖尿病小鼠心肌氧化应激及线粒体功能障碍。研究人员利用DHE和DCFH-DA探针检测心肌组织中的ROS水平，发现Piezo1fl/fl + HFD组小鼠心肌组织中ROS水平显著升高，而Piezo1?Myh6小鼠的ROS水平显著降低。透射电子显微镜（TEM）观察结果显示，Piezo1fl/fl + HFD组小鼠心肌线粒体出现异常密度、排列紊乱及分裂现象，而Piezo1?Myh6小鼠的线粒体形态得到改善，线粒体长度增加。此外，Piezo1缺失还改善了糖尿病小鼠心肌线粒体膜电位（MMP），降低了线粒体ROS水平，增加了线粒体最大呼吸率和备用呼吸能力。
4. Piezo1通过调节线粒体动态相关蛋白发挥调控作用。研究人员发现，在糖尿病小鼠心肌中，与线粒体分裂相关的基因Drp1和Fis1表达显著增加，而与线粒体融合相关的基因Mfn1和Mfn2表达降低。Piezo1缺失显著逆转了这些基因的表达水平。免疫荧光染色结果显示，高糖处理的H9C2细胞中线粒体出现分裂现象，而Piezo1抑制剂GsMTx4处理可逆转这一效应。此外，研究人员还发现，糖尿病小鼠心肌中磷酸化Drp1（p-Drp1）在ser616位点的表达显著增加，而总Drp1水平不变，同时ERK1/2的磷酸化水平也显著升高。Piezo1缺失则显著增加了OPA1水平，降低了p-Drp1（ser616）和p-ERK1/2水平。这些结果表明，Piezo1通过ERK1/2介导的Drp1磷酸化调控线粒体动态。

综上所述，本研究首次揭示了Piezo1在糖尿病心肌病中的重要作用及其通过ERK/Drp1通路调控线粒体动态的分子机制。心脏特异性敲除Piezo1可通过减轻心肌纤维化、改善心功能和线粒体功能障碍，为糖尿病心肌病的治疗提供了新的潜在靶点。然而，研究也存在一些局限性，如未深入探讨炎症、胰岛素抵抗等其他因素在DCM中的作用机制，以及未进一步研究其他可能参与线粒体动态调控的蛋白。未来的研究需要进一步深入探索Piezo1在不同类型糖尿病心肌病中的作用差异，并验证其作为治疗靶点的可行性和安全性，为临床治疗提供更有力的理论支持。