综述：Piezo1介导的力传导在骨形成与骨折修复中的作用

《Biochemistry and Biophysics Reports》：Piezo1-mediated mechanotransduction in bone formation and fracture repair

　　

摘要：机械敏感离子通道Piezo1是将机械力转化为生物信号的关键转导器，这些信号调控骨骼发育与骨折修复。本综述总结了Piezo1在骨形成中的核心作用，主要通过软骨内成骨（endochondral ossification）实现。研究人员详细阐述了Piezo1如何调控关键过程，包括软骨细胞向成骨细胞的转分化（chondrocyte-to-osteoblast transdifferentiation）、骨骼干/祖细胞（skeletal stem/progenitor cells, SSCs）的成骨命运决定，以及成熟成骨细胞的功能激活。来自遗传模型的证据表明，这些细胞谱系中Piezo1缺失可导致严重的骨骼缺陷和骨脆性。此外，Piezo1对于骨折愈合至关重要，它协调修复愈伤组织中的骨膜干细胞活性、软骨细胞命运和巨噬细胞调控，从而实现成功的骨再生。最后，研究人员讨论了新兴的靶向Piezo1的治疗策略，如低强度脉冲超声（low-intensity pulsed ultrasound, LIPUS）、基于生物材料的策略和药理学方法，强调了其作为治疗骨骼疾病和增强骨折修复的新型靶点的潜力。

1. 引言
骨形成受多种因素影响，其中机械力尤为重要。Piezo1是一种大型跨膜机械敏感阳离子通道，于2010年发现，在细胞和系统水平感知外部机械力变化并将其转化为细胞内生物信号方面发挥核心作用。Piezo1在骨骼系统的多种细胞类型中广泛表达，包括成骨细胞、破骨细胞和软骨细胞。Piezo1通道激活后，细胞通常表现出细胞内钙离子浓度变化和YAP转位，表明Piezo1与Wnt和Hippo等信号通路密切相关。本综述总结了Piezo1与骨形成相关信号通路和因子之间相互作用的最新研究。

2. 骨骼发育与Piezo1的分子基础
2.1 胚胎骨发育：膜内成骨与软骨内成骨
膜内成骨主要发生于扁骨，间充质细胞直接分化为成骨细胞。软骨内成骨是大多数长骨的主要形成方式，间充质细胞先凝聚并分化为软骨细胞，随后经历肥大、血管侵入、初级骨化中心形成等步骤。生长板中软骨细胞持续增殖和肥大，部分直接分化为成骨细胞参与骨形成。损伤后的骨修复过程与软骨内成骨高度相似。
2.2 Piezo1通道的分子结构与机制
Piezo1是一种大型保守跨膜蛋白，其膜上构象类似三叶螺旋桨三聚体。独特的拓扑结构和离子传导通路赋予其杠杆样机械转导机制，通过弯曲的叶片和长梁将远端叶片的巨大构象变化转化为中央孔道的相对微小开放，实现选择性阳离子渗透。Piezo1介导的机械转导与多种信号通路（如Wnt、TGF-β、Hedgehog、FGF、Notch、Hippo和NF-κB）共同调控成骨谱系细胞的命运和功能。

3. Piezo1在生理性骨形成中的作用
3.1 调控软骨细胞肥大和向成骨细胞转分化
在软骨内成骨过程中，Col10a1-Cre和Agc1-CreERT2谱系追踪研究证实，肥大软骨细胞（hypertrophic chondrocytes, HCs）可存活并转分化为功能性成骨细胞。Gretl Hendrickx等构建的Piezo1^Runx2Cre和Piezo1^Col2a1Cre转基因小鼠显示多处原发性骨折和次级小梁骨形成受损。Piezo1缺失导致软骨细胞中Col10a1和SOX9等软骨细胞标志基因表达升高，但生长板结构仅轻度增宽，破骨细胞数量未增加，提示表型源于骨形成不足而非过度骨吸收。强有力的证据表明，软骨细胞中的Piezo1在生理性软骨内成骨中发挥关键作用，但直接证明转分化过程受Piezo1调控仍需明确的谱系追踪实验和更深入的分子机制研究。
3.2 影响骨骼干/祖细胞的成骨分化命运
骨骼干/祖细胞（SSCs）包括骨髓基质细胞（BMSCs）及其亚群。Piezo1敲除导致Yap1和Ctnnb1磷酸化失活和降解，损害BMSCs对流体剪切应力的成骨分化反应。机制上，Piezo1依赖性Yap1和Ctnnb1激活通过细胞内钙感受器Ppp3ca激活NFAT介导，Nfat、YAP1和Ctnnb1相互激活形成协同信号枢纽。骨髓间充质干细胞（BMMSCs）在缺乏正常机械力环境下成骨分化受损；Yoda1处理可增强Ppp3ca/Nfat/YAP1/Ctnnb1通路活性。Gli⁺间充质干细胞中Piezo1激活促进β-catenin核转位，激活靶基因ATF4，促进增殖分化。LEPR⁺Oln⁺骨髓基质细胞的成骨和淋巴分化潜能依赖于Piezo1和外界机械应力。此外，静水压（HP）刺激下Piezo1介导力转导并升高BMP2水平，促进间充质干细胞向成骨细胞分化。
3.3 激活成熟成骨细胞功能并促进骨基质形成
Sun等构建的Piezo1^OcnCre条件敲除小鼠表现出严重骨骼缺陷，包括高发自发性骨折，皮质厚度和横截面积显著减少，骨形成速率和成骨标志物表达下降，而杨氏模量和组织矿物质密度未变，表明骨丢失源于成骨细胞数量减少。体外研究显示，流体剪切应力（FSS）激活MC3T3-E1成骨细胞中的Piezo1，促进PKB/AKT磷酸化，进而导致GSK-3β磷酸化、β-catenin稳定和核转位，上调Runx2表达。siRNA敲低Piezo1降低Alp、Ocn和Col1a1表达。原代成骨细胞中，Piezo1缺失导致钙内流减少，CaMKII和Creb磷酸化降低，Runx2和Atf4表达下降。Wang等利用Piezo1^Prx1小鼠发现Piezo1缺陷成骨细胞中细胞外基质（ECM）基因Col2a1和Col9a2表达显著降低，通过YAP信号通路调控，而II型胶原和IX型胶原均可抑制破骨细胞激活，揭示Piezo1在成骨细胞-破骨细胞串扰中的关键作用。

4. Piezo1在骨折修复中的作用
4.1 Piezo1在骨骼祖细胞中：促进早期愈伤组织形成
骨折愈合早期阶段依赖骨膜干细胞（PSCs）的激活、迁移和分化。Liu等发现Piezo1在骨膜干细胞中高表达，机械力激活Piezo1后提高胞质YAP表达并启动其核转位，YAP与β-catenin形成复合物转位至核内，调节成骨、成软骨和血管生成相关因子的表达。Piezo1缺陷导致成骨和成软骨分化受损，并间接影响血管生成。
4.2 Piezo1在软骨细胞中：介导软骨-骨转换
软骨细胞中Piezo1特异性缺失加速细胞衰老，导致ApoE大量积累，引起异染色质破坏，加速衰老和凋亡，延迟软骨向骨转换。Piezo1缺失还损害线粒体功能，表现为膜电位降低、ATP合成减少、耗氧率下降和线粒体超氧化物产生增加。机制上，软骨细胞中Piezo1连接下游β-catenin信号通路，影响Lars2表达；敲除Piezo1升高Lars2表达，损害线粒体功能。此外，Piezo1缺失大幅上调促炎蛋白Fstl1，激活NF-κB信号，触发活性氧（ROS）爆发，开放线粒体通透性转换孔（mPTP），破坏线粒体动力学。软骨-骨转换受损源于代谢重编程（β-catenin/LARS2）和氧化/炎症损伤（Fstl1/NF-κB）的协同作用。
4.3 Piezo1在巨噬细胞中：炎症与再生阶段的机械-免疫枢纽
机械力激活巨噬细胞中的Piezo1，触发Ca²⁺内流，上调Z-DNA结合蛋白1（ZBP1），驱动促炎反应，释放IL-1β和TNF-α，促进破骨细胞生成和骨吸收。在股骨骨折模型中，巨噬细胞特异性Piezo1缺失通过减少破骨细胞数量加速愈合。机械负荷刺激巨噬细胞分泌富含let-7g-5p等特异性microRNA的小细胞外囊泡（sEVs），靶向成骨细胞中的Adrb2，抑制β2-肾上腺素能受体信号，保留成骨分化活性。在胫骨缺损模型中，机械负荷通过Piezo1显著增加CD206⁺再生性（M2样）巨噬细胞比例，减少iNOS⁺炎性（M1样）巨噬细胞，促进血管生成-成骨偶联和细胞增殖。Piezo1激活的功能结果高度依赖局部微环境：非炎症再生环境中促进M2极化和组织修复，炎症条件下则驱动M1极化，加重炎症并损害间充质干细胞成骨分化。
4.4 整合总结：Piezo1在骨折愈合各阶段的功能
巨噬细胞贯穿骨折愈合多个阶段，其M1/M2极化状态动态变化。骨膜干细胞中的Piezo1主要在软骨愈伤组织阶段驱动迁移和成软骨分化。软骨细胞中的Piezo1在硬愈伤组织形成和软骨-骨转换阶段维持线粒体稳态和能量代谢。这些细胞类型并非严格局限于单一愈合阶段，而是在阶段过渡界面发挥重叠和协同功能。仍需探究Piezo1是否直接调控软骨细胞转分化的起始因子、如何精确调节巨噬细胞极化，以及不同阶段M1/M2巨噬细胞动态平衡的实现机制。

5. 靶向Piezo1促进骨生长的全新治疗策略
5.1 基于物理因素的治疗
超声干预：低强度脉冲超声（LIPUS）已获FDA批准用于无创骨修复，机制上通过Piezo1促进MC3T3-E1成骨细胞钙内流，导致ERK1/2磷酸化和核周F-actin聚集。斑马鱼鳍骨折模型中骨细胞被鉴定为LIPUS的主要靶点，但哺乳动物中是否等效尚待确认。较高强度脉冲超声也可通过Piezo1加速小鼠胫骨骨折愈合。超声还可与压电生物材料结合产生局部电信号，如BaTiO₃/多壁碳纳米管/胶原（BMC）仿生骨膜和聚多巴胺修饰黑磷/脱细胞脂肪组织（pDA-mBP@DAT）支架，在LIPUS暴露下汇聚于Piezo1激活。
高压氧（HBO）治疗：在小鼠胫骨缺损模型中，HBO治疗通过Piezo1/Yap/Runx2轴促进祖细胞成骨分化，提示氧张力可作为Piezo1的上游调节因子，但高压氧与Piezo1门控之间的分子串扰仍未明确。
5.2 基于生物材料的微环境调控与递送系统
植入物涂层重塑代谢微环境：Pei等在不锈钢和钛植入物上构建单原子催化涂层（VN4/RhN4），维持乳酸脱氢酶和NADH氧化酶样活性超过两年，重塑局部代谢环境间接激活Piezo1，促进成骨分化，但金属单原子的长期滞留和潜在全身毒性需评估。
机械响应水凝胶：Yang等制备近红外II区响应NIPAM/Nb2C水凝胶，光热刺激下可逆收缩/膨胀产生受控微运动（优化约1/300 Hz），直接激活间充质干细胞中的Piezo1，增强颅骨和股骨缺损骨形成，但组织穿透深度和重复照射安全性是实际问题。
靶向递送平台：Zhang等构建负载软骨细胞靶向脂质纳米颗粒（封装Fstl1 shRNA）的透明质酸-苯硼酸/单宁酸（HA-PBA/TA）自愈合水凝胶，局部注射抑制Fstl1表达，减轻炎症和线粒体氧化应激，促进软骨内成骨。Gan等开发了口服酵母微胶囊（YC）包装SRT2104或白藜芦醇，利用M细胞转胞吞和巨噬细胞介导的炎症归巢实现骨折位点靶向；以及可注射明胶-多巴胺水凝胶（RSV@GelDa）提供长达28天的持续局部释放。
5.3 Piezo1信号网络的药理学调控
直接激动剂、拮抗剂和天然产物结合剂：除合成激动剂Yoda1和拮抗剂GsMTx4外，Dong等通过分子对接、细胞热位移分析（CETSA）和药物亲和响应靶标稳定性（DARTS）鉴定出地肤子皂苷Ⅵ（ASP）为Piezo1直接结合剂，激活Piezo1及其下游ERK1/2–YAP–VEGF轴，促进LEPR⁺骨髓基质细胞和内皮细胞的成骨-血管生成偶联，加速骨质疏松性骨折愈合，但其对Piezo1相对于其他机械敏感通道的选择性尚未严格量化。
Sirt1介导去乙酰化的翻译后调控：Gan等发现Sirt1直接结合并在K2174赖氨酸残基处去乙酰化Piezo1，Sirt1激活剂（SRT2104和白藜芦醇）显著增强Piezo1介导的钙内流，口服或局部递送显著改善小鼠骨折修复，该效应被软骨细胞特异性Piezo1缺失所消除，但其对其他Sirt1底物的多效性影响使骨骼特异性结果的解读复杂化。
下游效应物阻断：Jia等设计了温敏可注射结冷胶水凝胶释放ApoE拮抗剂，逆转Piezo1缺陷诱导的软骨细胞衰老并恢复软骨-骨转换。Zhu等通过靶向Zα结构域的虚拟筛选鉴定ZBP1调节剂JNJ-10311795，抑制ZBP1可阻断Piezo1驱动的促炎细胞因子释放和破骨细胞生成，实现骨重塑的双向调节。
5.4 临床转化的共同挑战与未来方向
Piezo1的细胞类型依赖性功能二重性（成骨祖细胞中促成骨，巨噬细胞中促炎）要求精确的细胞类型特异性靶向。软骨内成骨过程中的阶段特异性需求意味着Piezo1激活在愈伤组织形成期可能有益，但在炎症早期可能有害。啮齿类动物与人类在Piezo1表达水平、剪接变体和相关信号伙伴方面的物种差异直接影响当前小鼠数据的可转化性。金属纳米颗粒滞留、多靶点药物效应和生物递送系统重复给药等长期安全性问题尚未在大动物模型中得到充分解决。多组分水凝胶、酵母微胶囊和压电支架的制造复杂性对GMP合规和批次一致性构成重大障碍。未来研究应优先在临床相关大动物模型中进行不同方式头对头比较，开发体内Piezo1活性实时监测技术，并设计响应动态愈合环境的自适应递送系统。

6. 讨论
6.1 关于实验模型
当前研究广泛使用Cre-driver系统构建Piezo1特异性敲除小鼠，但Cre-loxP系统存在几个潜在缺陷。Ocn-Cre仅实现约88%的切除效率，残余Piezo1功能可能掩盖真实剂量效应。Prrx1-Cre的广泛靶向范围不仅删除成骨细胞中的Piezo1，还删除肢体间充质中软骨、肌腱和结缔组织祖细胞中的Piezo1，难以将骨骼缺陷完全归因于成骨细胞功能障碍。诱导系统中他莫昔芬给药窗口（通常在骨折愈合急性炎症期）可能独立干扰愈合动态。未来功能缺失研究应优先采用空间限制的双重组酶系统并结合延迟诱导策略。
不同细胞类型Piezo1缺失导致不同骨骼表型：Col2a1-Cre转基因小鼠中Piezo1缺失严重影响次级小梁骨形成，导致肋骨生长板附近自发性骨折；成骨细胞中Piezo1缺失主要表现为皮质骨变薄。不同解剖部位（骨干、干骺端、骨骺）的骨形成机制存在差异，胚胎起源、血供模式、负荷方案和细胞组成均可能影响Piezo1介导的机械响应。当前骨折模型主要采用啮齿动物胫骨或股骨中段骨干骨折模型，这些部位血供丰富且愈合相对稳定，但骨干部位模型得出的促愈合结论可能无法直接外推至干骺端或骨骺骨折。建立标准化不同部位骨折模型在小型动物中面临重大技术挑战，需要显微手术器械创新、3D打印个体化固定装置和多学科合作。
6.2 关于临床转化
临床转化应针对具有挑战性的骨科问题，而非仅仅验证已知疗效。目前大多数Piezo1相关研究集中在标准骨折模型上，对延迟愈合、骨不连和血供较差部位（如距骨、舟骨、股骨头）骨折的机制探索极为有限。在Zhu等的研究中，尽管小分子化合物成功抑制Piezo1激活并加速早期愈伤组织形成，但观察窗口仅限于早期时间点，未进行延伸到重塑阶段的纵向随访。药理学干预Piezo1介导的机械转导不可避免会破坏成骨细胞介导的骨形成与破骨细胞介导的骨吸收之间的动态平衡，单药策略需进行严格的长期生物力学和组织形态计量学验证。不同细胞表面Piezo1激活引发不同的细胞内和细胞外级联反应，研究治疗方法的微观机制时应避免单一通路解释，且干预时机至关重要——炎症-免疫期过度激活Piezo1可能适得其反，而在软骨愈伤组织向硬愈伤组织转变期间激活则可能发挥更显著的促愈合作用。

7. 结论
目前Piezo1在骨形成和骨折愈合中的研究方向多样，机制探索已取得实质性进展。未来研究应重点关注：开发部位特异性骨折模型以系统比较骨干、干骺端和骨骺骨折愈合中的Piezo1机制；锚定骨不连和血供较差部位骨折等临床难题建立动物模型；将观察窗口延长至完整重塑阶段并加入三点弯曲或扭转力学测试评估愈伤组织质量；整合单细胞测序和空间转录组学解析Piezo1的实时动态和信号网络；促进多中心动物实验数据标准化共享，构建涵盖不同品系、年龄、性别和骨骼部位的综合Piezo1表型数据库。只有通过系统的模型创新、机制探索和数据整合，才能将Piezo1的基础研究发现有效转化为针对骨科难题的精准治疗策略，最终改善骨折患者的长期预后。