醫學1區: 山東中醫藥大學李靜教授揭示Piezo1通過線粒體動態調控改善糖尿病心肌病

研究背景

糖尿病心肌病（DCM）是糖尿病患者常見且嚴重的心血管并發癥，由長期高血糖誘導的心肌纖維化及微循環障礙引發。隨著全球糖尿病患病率持續攀升，DCM發病率呈逐年上升趨勢，對患者健康構成重大威脅，但其確切分子機制尚未完全闡明。近年來，機械敏感離子通道Piezo1因其在心血管疾病發生發展中的關鍵調控作用，逐漸成為DCM病理機制研究的熱點方向。
Piezo1蛋白廣泛表達于多種細胞類型，通過調控鈣離子（Ca2?）內流參與細胞機械信號轉導，在細胞形態重塑、血管生成、組織修復及炎癥反應等生理過程中發揮關鍵作用。在基礎研究、疾病治療及生物工程領域備受關注。

研究亮點

（一）從動物到細胞，多層次模型構建進行互補驗證，證明Piezo1能調控DCM進展；

（二）結合表型（心臟功能、組織學、線粒體）研究與機制（分子/通路）研究并重，多維度分析，逐層解析Piezo1對DCM的影響；

（三）通過基因敲除、臨床干預雙重驗證Piezo1對DCM的作用機制，為靶向治療藥物開發提供作用靶點。

主要內容

山東中醫藥大學李靜教授、姜月華團隊研究證實，Piezo1在糖尿病心肌病（DCM）中發揮心臟保護作用，通過改善心臟舒張/收縮功能及纖維化程度實現。其機制為：Piezo1表達增加促進心肌細胞鈣離子內流，激活鈣蛋白酶活性并啟動細胞外信號調節激酶（ERK1/2）信號通路，進而誘導Drp1磷酸化，推動線粒體分裂及功能障礙。值得注意的是，心臟特異性缺失Piezo1可有效改善心臟重塑和線粒體穩態失調，揭示了DCM中Piezo1通過ERK/Drp1軸調控線粒體動態平衡的關鍵機制，為將Piezo1作為DCM潛在治療靶點提供了實驗依據。

Piezo1通過Calpain/ERK1/2/Drp1通路調控糖尿病心肌病（DCM）的示意圖

研 究 結 果

Figure 1、糖尿病小鼠心臟和經高糖處理的 H9C2 細胞中 Piezo1 表達增加。

(A)熱圖顯示正常和 HFD/STZ 誘導 DCM 心臟中差異表達的離子通道基因（n = 3）。(B)正常和 HFD/STZ 誘導 DCM 小鼠心臟中離子通道基因的相對 mRNA 水平。(C)T2DM 小鼠心臟中 RFP 免疫熒光染色的代表性圖像（n = 5）。標尺，20 μm。(D)(C)中 RFP 熒光強度的定量。(E)T1DM 小鼠心臟中 RFP 免疫熒光染色的代表性圖像（n = 5）。標尺，20 μm。(F)(E)中 RFP 熒光強度的定量。(G)正常葡萄糖（NG）或高糖（HG）處理 H9C2 細胞中 Piezo1（紅色）免疫熒光染色的代表性圖像（n = 3）。細胞核用 DAPI（藍色）共染色。標尺，50 μm。部分細胞使用油鏡觀察（標尺，10 μm）。(H)(G)中 Piezo1 熒光強度的定量。(I)高糖（HG）處理與正常葡萄糖（NG）相比 H9C2 細胞中 Piezo1 的 Western blot（n = 3）。(J)Western blot 的定量。*P < 0.05。

Figure 2、Piezo1 缺陷改善了糖尿病小鼠的心室功能與重構。

(A) 本研究使用的小鼠實驗時間線。(B) 顯示左心室直徑的代表性 M 型超聲心動圖。(C) 四組小鼠的心重（HW）與脛骨長度（TL）比值的量化（n = 6）。(D, E) 小鼠左心室射血分數（EF）和縮短分數（FS）的量化（n = 6）。(F–H) 小鼠左心室舒張內徑（LVID; d）、左心室收縮內徑（LVID; s）和左心室前壁厚度（LVAW; d）的測量（n = 6）。(I) 四組小鼠在 15 分鐘、30 分鐘、60 分鐘、90 分鐘和 120 分鐘時的腹腔葡萄糖耐量試驗。(J) 腹腔葡萄糖耐量試驗的曲線下面積（AUC）。(K–L) ANP 和 BNP 的 mRNA 水平相對于β-肌動蛋白的量化（n = 6）。(M) 心肌橫截面的代表性 H&E 染色（n = 6）。上圖的刻度尺（500 μm），下圖的刻度尺（100 μm）。(N) 心肌細胞的代表性 WGA 染色（n = 6）。刻度尺，50 μm。(O) 四組心肌細胞面積的量化。 *P < 0.05; ns，無顯著差異。

Figure 3、Piezo1 缺失減輕了糖尿病在體內的心臟纖維化。

(A)四組小鼠心臟的 Masson 三色染色代表性圖像（n = 6）。標尺，50 μm(B, C)四組小鼠的血管周圍和間質膠原體積分數（CVF）定量。(D)四組小鼠的膠原 I 和膠原 III 免疫熒光（n = 6）。標尺，50 μm(E, F)膠原 I 和膠原 III 免疫熒光定量。*P < 0.05；ns，無顯著差異。

Figure 4、Piezo1 可預防糖尿病小鼠心臟中線粒體 ROS 產生和功能障礙。

(A)心臟組織 DCFH-DA 和 DHE 染色的代表性圖像（n = 6）。(B, C) A 中熒光強度的定量。(D)四組心肌組織透射電鏡下線粒體超微結構的代表性圖像（n = 6）。上排標尺，0.5 μm；下排標尺，0.2 μm。(E) D 中線粒體面積的定量。*P < 0.05；ns，無顯著差異。

Figure 5、Piezo1 抑制減弱心肌細胞中的線粒體功能。

H9C2 細胞或 NMCMs 被處理高糖和棕櫚酸（HG + PA），然后 H9C2 細胞被處理 GsMTx4。(A–F) DCFH-DA (A)、DHE (B) 和 JC-10 (C) 染色的代表性圖像以及 GsMTx4 處理 H9C2 細胞中熒光強度的定量分析（n = 3）。(G–L) DHE (G)、MitoSox (H) 和 JC-10 (I) 染色的代表性圖像以及 NMCMs 中熒光強度的定量分析（n = 3）。(M–O) 通過 OCR 測定法評估 GsMTx4 處理 H9C2 細胞的線粒體呼吸功能。*P < 0.05；ns，無顯著差異。

Figure 6、Piezo1 抑制通過調節鈣蛋白酶活性來調控線粒體分裂和融合。

(A–D) 小鼠心臟中線粒體動力學相關基因的相對 mRNA 水平（n = 6）。β-actin 作為內參。(E, F) H9C2 細胞中 TOMM20 和 DAPI 的代表性熒光圖像及線粒體長度的定量分析。(G–I) H9C2 細胞中 phos(Ser616)-Drp1 和 OPA1 的代表性熒光圖像及對應定量分析（n = 3）。(J–L) 小鼠心臟組織、H9C2 細胞和 NMCMs 中鈣蛋白酶活性的測定（n = 4）。*P < 0.05；ns，無顯著差異。

Figure 7、Piezo1 通過 Drp1/ERK1/2 調控 DCM 中的線粒體動力學。

(A–G)心肌組織中 OPA1、phos(Ser637)-Drp1、phos(Ser616)-Drp1、Drp1、phos-ERK1/2 和 ERK1/2 的代表性免疫印跡及定量分析，以 GAPDH 進行標準化。(H–L)H9C2 細胞中 phos(Ser616)-Drp1、Drp1、phos-ERK1/2 和 ERK1/2 的代表性免疫印跡及定量分析，以 GAPDH 進行標準化。(M–Q)NMCMs 中 phos(Ser616)-Drp1、Drp1、phos-ERK1/2 和 ERK1/2 的代表性免疫印跡及定量分析，以 GAPDH 進行標準化。n = 3。*P < 0.05；ns，無顯著差異。

Figure 8、Piezo1 在心臟中的激活加劇了糖尿病小鼠的左心室功能及重構。

(A)實驗時間線和顯示三組小鼠心臟功能的超聲心動圖。(B–C) EF 和 FS 的定量分析（n = 5）。(D)三組小鼠的心重（HW）與脛骨長度（TL）比值的定量分析（n = 5）。(E–G)三組小鼠心肌橫截面的代表性 H&E 染色和 Masson 氏三色染色，以及血管周圍和間質膠原體積分數（CVF）的定量分析（n = 5）。(H, I)小鼠心臟中 ANP 和 BNP 的相對 mRNA 水平（n = 5）。β-actin 作為內參。(J–L)三組小鼠膠原 I 和膠原 III 的免疫熒光染色及定量分析（n = 5）。標尺，50 μm。*P < 0.05。

總 結

本研究圍繞Piezo1設計嚴謹的機制研究，結合動物模型+細胞模型雙重驗證，首次揭示了Piezo1在DCM中通過調控線粒體動態發揮重要作用。Piezo1的缺失通過抑制ERK/Drp1通路，減少線粒體分裂，從而改善心臟功能和纖維化。這一發現為DCM的治療提供了新的潛在靶點，提示Piezo1抑制劑可能成為未來臨床干預的有效策略。

參考文獻

Weipin Niu、Xin Liu、Bo Deng、Tianying Hong、Cuifen Wang、Yameng Yan、Jiali Liu、Yuehua Jiang、Jing Li

Piezo1 deletion mitigates diabetic cardiomyopathy by maintaining mitochondrial dynamics via ERK/Drp1 pathway

DOI: 10.1186/s12933-025-02625-8

https://doi.org/10.1186/s12933-025-02625-8

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