能量匮乏选择拥挤活上皮细胞进行挤压清除的机制研究

本研究针对上皮细胞拥挤微环境中特定细胞被选择性清除的机制难题，揭示了能量状态通过离子通道调控细胞挤出的新范式。研究人员发现细胞拥挤激活ENaC通道引起钠内流和膜去极化，低ATP细胞无法通过Na+/K+ ATPase恢复膜电位，进而激活电压门控钾通道(Kv1.1/Kv1.2)和氯通道(SWELL1)导致细胞皱缩，最终触发Piezo1介导的活细胞挤出。该发现建立了能量感应-膜电位-细胞体积调控的机械生物学新通路，为上皮稳态维持和肿瘤抑制提供新视角。

上皮组织作为机体重要屏障，通过精密调控细胞增殖和死亡维持稳态平衡。当细胞增殖与死亡失衡时，可能导致屏障功能破坏或肿瘤发生。机械力通过压电离子通道Piezo1协调这两个过程——拉伸促进细胞分裂，而拥挤则触发活细胞挤出后死亡。然而在拥挤上皮区域，究竟是什么机制选择特定细胞进行挤出清除，始终是领域内未解的核心难题。

为解决这一关键问题，Saranne J. Mitchell等研究团队在《Nature》发表了突破性研究成果。他们通过多学科交叉方法，发现细胞能量状态是决定拥挤环境中哪类细胞被清除的关键选择标准。低能量细胞因膜电位维持能力不足，通过离子通道介导的细胞体积收缩机制被优先清除，这为理解上皮细胞稳态调控提供了全新范式。

研究人员综合运用定量相位成像(QPI)、钙成像、膜电位动态监测(DiBAC₄(3)染料)、ATP实时监测(ATP-Red和Queen37探针)、钠离子荧光示踪(CoroNa-AM)等技术，结合基因编码的钙指示剂GECO1和钾通道光遗传学工具BLINK2，在MDCKII犬肾上皮细胞模型和小鼠精密切割肺切片(ex vivo PCLS)上开展了系统研究。通过siRNA基因沉默、特异性抑制剂干预和高渗应激实验，验证了多个离子通道在细胞挤出过程中的功能作用。

Volume loss leads to LCE

通过定量相位成像和钙成像分析，研究人员首先排除了细胞质量减少或钙信号激活作为挤出触发因素的可能性。相反，他们发现70%的挤出细胞在挤出前经历短暂的体积收缩，平均持续6.5分钟，这一现象被命名为稳态早期收缩(HES)。使用胞质GFP体积测量和Calcein-AM荧光淬灭实验证实，这种体积减少源于水分流失而非物质丢失。重要的是，收缩抑制实验表明该过程位于Piezo1和肌球蛋白收缩的上游。

Voltage-gated ion channels regulate HES

通过离子通道抑制剂筛选库，研究人员发现电压门控钾通道K_v1.1/K_v1.2抑制剂(4-AP)和氯通道SWELL1抑制剂(DCPIB)能显著抑制细胞收缩和挤出。siRNA敲低实验进一步证实这三个通道对高渗诱导细胞挤出(OICE)和稳态挤出都是必需的。免疫荧光显示K_v1.1定位于紧密连接和三相连接处，这些区域是上皮张力感知的关键位点。

Mechanical crowding activates ENaC

膜电位监测发现细胞在收缩前约5分钟发生去极化，且这一过程依赖于上皮钠通道(ENaC)而非钾通道。钠成像显示拥挤促进ENaC依赖的钠内流，而ENaC抑制(amiloride)或亚基(α、β、γ)敲除都能阻止细胞收缩和挤出。这表明ENaC作为机械传感器，感知拥挤并触发钠内流和膜去极化。

Low ATP selects for LCE

最关键的是，ATP实时监测显示细胞在去极化前就出现ATP水平下降。实验性降低ATP(oligomycin-A)增加了细胞收缩和挤出率，而补充葡萄糖则减少挤出。在低ATP情况下，拥挤引起的钠内流无法被Na⁺/K⁺ ATPase泵出，导致膜电位持续去极化，进而激活电压门控钾通道和细胞体积收缩。

研究最终建立了能量感应-选择-清除的新模型：上皮细胞拥挤激活ENaC介导的钠内流，高ATP细胞能通过Na⁺/K⁺ ATPase消耗ATP恢复膜电位，而低ATP细胞无法维持膜电位，通过电压门控钾通道(K_v1.1/K_v1.2)和SWELL1介导的水分流失导致细胞收缩，当收缩超过17%阈值时激活Piezo1和下游挤出程序。

该研究的重大意义在于首次将细胞能量状态与机械传感、离子通道和细胞体积调控联系起来，揭示了上皮细胞选择性清除的能量检查点机制。这不仅为理解上皮稳态维持提供了全新框架，更重要的是为多种疾病机制提供了新解释：ENaC、K_v1.1/K_v1.2和SWELL1等通道的异常与囊性纤维化、多种癌症预后不良密切相关，能量感应障碍可能成为代谢性疾病和肿瘤发生的新机制。此外，该研究揭示的膜电位-体积调控原理可能适用于其他组织类型，为再生医学和疾病治疗提供新靶点。