RET imaging of Piezo1–calcium signal activation induced by chemical agonist and microfluidic shear forces

Mingxing Ouyang, Qingshun Lu, Xin Zhang, Chenyan Zhu, Teng Luo, Xiang Wang, Yingxiao Wang, and Linhong Deng

Journal of Innovative Optical Health Sciences Vol. 18, No. 06, 2550021 (2025)

https://doi.org/10.1142/S179354582550021X

在生物医学光子学领域，细胞如何感知并响应机械刺激一直是研究热点。Piezo1作为一种重要的机械敏感阳离子通道，在多种生理过程中发挥关键作用。然而，如何实时、动态地监测Piezo1的激活一直是技术难题。最近，常州大学邓林红/欧阳明星教授团队发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》上的研究利用Förster共振能量转移（FRET）技术，成功开发了一种基于Piezo1的钙信号生物传感器，为研究力学生物学提供了新的视角。

研究背景

细胞在其微环境中不仅受到化学信号的影响，还需要感知和响应各种机械信号，如流体力学剪切力、基底刚度以及拉伸或压缩力。这一过程被称为力学/机械生物学，在细胞生存、增殖、分化和迁移等生理功能中起着至关重要的作用。例如，在心血管系统中，血流产生的剪切力对内皮细胞功能的调节至关重要；而在骨骼系统中，机械负荷促进骨骼形成和分化。

Piezo1作为机械敏感离子通道家族的重要成员，其独特的结构和功能使其在力学生物学中占据核心地位。类似风力发电的三个叶片结构，组成三聚体的Piezo1单体具有三个主要结构域：N端叶片参与力学感知，传导模块由梁和锚组成，C端离子传导孔模块负责离子通道的开放和关闭。特别是，Piezo1对拉伸力和剪切力极为敏感，但目前监测细胞中Piezo1活性的方法仍存在挑战。

研究方法

研究人员开发了一种基于FRET技术的Piezo1-Ca²⁺生物传感器，通过将钙感应模块紧密连接到Piezo1通道孔附近，实现了对Piezo1激活的动态检测。该生物传感器在293T细胞中表达，并通过特定化学激动剂Yoda1评估了Piezo1激活的响应。此外，研究人员还比较了细胞质和膜定位钙生物传感器的响应，以确定Piezo1-Ca²⁺ FRET生物传感器是否能反映细胞膜附近的局部钙信号。

实验结果

实验结果表明，Piezo1-Ca²⁺ FRET生物传感器对Yoda1的响应显著，FRET变化率达到120%。与细胞质钙生物传感器相比，Piezo1-Ca²⁺ FRET生物传感器主要反映细胞膜附近的局部钙信号。此外，结合微流体力学剪切条件，该生物传感器在2.8 dyn/cm²;剪切力下显示出显著但瞬态的响应，FRET变化率达到70%，且有效激活阈值约为1.0 dyn/cm²;（即10 nN/cm²）。

主要创新点

高时空分辨率：通过将钙感应模块与Piezo1通道孔紧密结合，该生物传感器显著提高了对Piezo1激活检测的时空分辨率。

局部信号检测：实验结果表明，Piezo1-Ca²⁺FRET生物传感器主要反映细胞膜附近的局部钙信号，而非细胞质中的全局钙信号。

机械刺激响应：该生物传感器能够有效检测微流体力学剪切力引起的钙信号变化，为研究机械生物学提供了新的工具。

应用前景

Piezo1在多种生理和病理过程中发挥重要作用，如血管炎症、动脉粥样硬化和高血压等。Piezo1-Ca²⁺FRET生物传感器的开发为研究Piezo1在这些过程中的作用提供了新的技术手段。未来，结合更复杂的机械刺激模型或体内实验，该生物传感器有望进一步揭示Piezo1在机械感知和信号转导中的多样化功能。

结语

这项研究通过开发Piezo1-Ca²⁺FRET生物传感器，为实时监测Piezo1激活提供了一种新的技术手段。该生物传感器不仅提高了对Piezo1激活的时空分辨率，还能够检测微流体力学剪切力引起的钙信号变化。未来，该技术有望在机械生物学研究中发挥重要作用，为相关疾病的诊断和治疗提供新的思路。

通讯作者简介

欧阳明星，男，博士，教授，1976年生。2005年在中国科学院生物物理研究所博士毕业。2006年起先后在伊利洛伊大学香槟分校（UIUC）和加州理工学院（Caltech）做博士后；2011年起先后在耶鲁大学（Yale）和加州大学圣地亚哥分校（UCSD）做助理研究员；2017年加入常州大学，2019年入选江苏省特聘教授。在生物医学工程领域有10多年的研究经验，重点方向是细胞分子生物学和生物力学，在显微镜活细胞成像和荧光共振能量转移技术（FRET）领域累积了丰富的经验。主要研究方向：生物力学/力生物学、细胞分子生物学、FRET技术。

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邓林红，男，1960年7月生，汉族，四川夹江人，当前国际生物力学界最为活跃的青年科学家之一。近年来的研究主要针对哮喘病等呼吸道疾病的生理病理机制，在微纳米尺度下研究细胞的动力学行为规律，特别是细胞对应力-应变等物理因素刺激的响应及其引发的结构与功能变化在哮喘病生理病理过程中的作用。在细胞骨架动力学，细胞对机械刺激的响应等方面取得了一系列重要的成果，在《Nature》、《Nature Materials》等国际一流学术杂志上发表了一系列高水平的研究论文，其中《Nature Materials》论文当选美《Science Watch》2008年材料科学领域“快速突破论文”。 2007年作为高水平引进人才回国工作后，已主持承担和完成了多项国家和省部级科研项目，发表研究论文30余篇，其中SCI收录10余篇，申报专利1项，获得“全国侨界创新贡献奖”，重庆市“科技领军人才奖”，“全国优秀教学论文一等奖”等奖项。2008年当选教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。

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