机械敏感离子通道-高通量机械刺激

机械敏感离子通道，又称为机械激活离子通道，是一种能够将机械刺激转换为电信号的离子通道。这些通道广泛存在于从细菌到人类的各种生物细胞中，在不同生物体内具有多样化的生物学功能。在细菌中，它们调节渗透压，在变化的环境中对于生存至关重要；在植物中，参与诸如气孔调节和根部生长等过程；在动物中，则发挥作用于听觉、触觉感知、本体感觉以及胚胎发育过程。

机械激活离子通道的多样性：

最近的研究取得了重大进展，极大地拓展了我们对机械敏感离子通道的理解，揭示了其结构和功能的惊人多样性。迄今为止，已有数个离子通道家族被认为参与了机械转导过程：

PIEZO通道，即PIEZO1和PIEZO2，在机械转导过程中扮演重要角色，涉及触觉、机械性超敏和血压感知等生理过程。这些通道由三个亚基组成的大型蛋白质构成，其独特结构赋予其机械敏感功能。

MscL和MscS通道源自原核生物，对渗透压冲击作出反应，允许离子和溶质通过，防止细胞破裂。它们的结构和作用机制已经得到了深入研究，为我们理解其在细菌和植物中的功能提供了洞见。

K2P通道（TREK-1、TREK-2和TRAAK）具有天生的机械敏感性，能够参与细胞对多种机械刺激的响应，包括刺戳、肿胀和拉伸，以及对温度和多种化学物质的响应。

OSCA/TMEM63通道是在植物和动物体内发现的两种通道，已被证实为伸展激活离子通道，在细胞对机械压力和渗透压的多种反应中发挥作用。

MET通道：位于听觉毛细胞中的机械电转换（MET）通道，以TMC1和TMC2作为其孔形成亚基，对于将声学刺激转换为电信号至关重要，从而实现听力。

NOMPC是一种由机械激活的TRP通道，在果蝇、线虫和斑马鱼的机械感受器中发挥关键作用，但在哺乳动物中没有同源物。

除了已经得到证实作用的离子通道外，还有其他一些通道也被提出参与了机械感受过程，但它们的功能尚未得到充分证实。这些通道包括：

钙离子通道DEG/ENaC和ASIC通道虽然与机械转导相关，但在哺乳动物中直接的机械敏感性证据仍然难以确凿。它们在血压感知和疼痛感知等过程中的作用表明可能具有机械敏感性功能。

瞬时受体电位（TRP）通道中，几个家族成员参与了机械感觉过程；然而，只有NOMPC被明确证明直接由机械刺激所激活。哺乳动物TRP通道在机械感觉中的作用，尤其是TRPV4，在间接证据支持下得到了认可，但需要进一步确认。

TACAN和Elkin通道代表着最近提出的机械激活离子通道家族，并且展示出未来研究领域的巨大发展前景。这些渠道在机械转导中确切作用仍需深入探讨，突显了该领域不断发现新知识的过程。

这种多样性凸显了生命体中机械力传导机制的复杂性，每个通道家族都以独特的方式为生物体对机械力的响应能力做出贡献。随着研究的深入，预计这些通道的功能作用将得到进一步阐明，从而增进我们对它们在生理学和疾病中的贡献的理解。

机械力传导检测：

研究机械激活离子通道的技术多种多样且复杂精密，这反映了机械转导现象的复杂性。全细胞膜片钳技术仍然是研究机械激活通道活动的基石，可直接测量机械刺激下的离子流。从流体剪切应力和细胞肿胀到膜拉伸和压痕，各种机械力施加方法模拟生理刺激，有助于阐明这些通道在细胞环境中的作用。现代自动化膜片钳平台（Patchliner和SyncroPatch 384）现在允许以高通量方式同时使用机械和化学刺激来研究机械敏感离子通道。这些平台可快速向细胞施加溶液，为在机械应力下研究机构敏感通道活性提供了一种可靠方法。

利用SyncroPatch 384进行PIEZO1研究：

PIEZO1通道在感知机械力方面起着至关重要的作用，其功能障碍与多种病理生理状况相关，因此PIEZO通道对药物发现至关重要。已有研究使用化学激活剂（如Yoda1）进行高通量自动化膜片钳（APC）实验，但仅利用机械刺激（M-Stim）和APC方法尚未应用于PIEZO1通道。最近的研究表明，在SyncroPatch 384上使用多孔NPC-384芯片可以优化高通量APC实验，从而实现M-Stim的高通量电生理研究。在SyncroPatch 384上通过M-Stim激活PIEZO1通道需要以较高吸液速度施加溶液。同时比较机械和化学刺激对于PIEZO1通道的影响是非常重要的，在高通量膜片钳实验中为药物开发提供了宝贵工具。

图表解释了机械刺激（M-Stim）在SyncroPatch 384上的应用。图示为NPC-384芯片一个孔的横截面示意图。M-Stim通过局部输送少量溶液至细胞（1和2），并使用吸液步骤（3，虚线箭头）回收施加的溶液量。右侧展示了一个NPC-384芯片一个孔的顶部视图，该孔包括1x贴片孔和4x贴片孔。图中呈现了单个细胞在不同M-Stim刺激下（40μl/s，浅蓝色轨迹）、（60μl/s，蓝色轨迹）和（110μl/s，深蓝色轨迹）的代表性PIEZO1原始轨迹，并且显示被GdCl3阻断后mPIEZO1、hPIEZO1以及未转染细胞的轨迹。

Murciano N., et al. J Gen Physiol (2023)