知豆号排尿的意义
撰文丨Qi
责编丨兮
亨利·米勒（Henry Miller）表示“减轻膀胱充盈是人类最大的快乐之一”，排尿对于健康而言至关重要。控制排尿的排尿反射（micturition reflexes）是由周围机械刺激如膀胱舒张和尿道流量引起的，虽然已有报道提出若干离子通道与尿路功能相关，但排尿反射所需的机械传导通道仍然未知【1】。目前已知PIEZO2可以介导小鼠的触觉，本体感受和机械性疼痛觉，其功能丧失突变同样可以导致人类在这些感觉上的完全缺陷。此外，PIEZO2在小鼠中还可以介导诸如肺舒张感和压力感受器的内感受性过程（interoceptive processes），但尚未在PIEZO2缺陷的人类中研究相关内感受器缺陷【2】。鉴于排尿是由机械性内感受器反射驱动的，因此，PIEZO2是否在排尿反射中发挥作用呢？
近日，来自美国斯克里普斯研究所的Ardem Patapoutian课题组和美国国立卫生研究院的Alexander T. Chesler课题组联合在Nature杂志上发表了一篇题为“PIEZO2 in sensory neurons and urothelial cells coordinates urination”的文章，在这项研究中，作者们确认了PIEZO2是排尿功能的关键机械传感器，这一发现为将来确定泌尿道上皮细胞与控制排尿的感觉神经元之间的相互作用奠定了基础。
首先，作者对PIEZO2缺陷个体完成排尿功能相关调查问卷，并对泌尿科病史进行评估。这些患者分别报告存在偶发夜间遗尿，体位转变引起压力性尿失禁，膀胱充盈时的骨盆沉重感以及需要施加外力排尿等症状。总体而言，这些数据表明PIEZO2在人类排尿中发挥关键作用。
接下来，作者在小鼠中进行研究以细致了解PIEZO2在尿路中的定位和功能。作者在将神经示踪剂霍乱毒素B–Alexa Fluor 488（choleratoxin B, CTB）注入膀胱壁后，对小鼠的背根神经节（dorsal root ganglia, DRG）组织中进行RNA荧光原位杂交实验（fluorescent in situ hybridization, FISH）。结果显示，Piezo2在下尿路中分别表达于用CTB标记的部分膀胱支配神经元和表达Krt20的部分膀胱上皮细胞中，而Krt20是膀胱腔内伞状细胞的标志物，可用于检测膀胱充盈。
随后，作者使用钙成像来确定感觉神经元中的膀胱舒张反应是否依赖于Piezo2。作者向携带Cre依赖性钙指示剂GCaMP6f和条件性Piezo2基因敲除（Piezo2cKO）的P0至P3幼鼠中注射了携带Cre重组酶的病毒载体。结果显示，对照组DRG神经元对膀胱充盈生理盐水（高压）表现出快速而强烈的反应，而Piezo2cKO DRG神经元中这些反应明显减弱。值得注意的是，Piezo2cKO DRG神经元中完全没有响应低压刺激的细胞，而野生型DRG神经元显示出对压力刺激的分级反应。此外，Piezo2cKO DRG对膀胱舒张反应的细胞数量较少，而对捏迫的疼痛反应的细胞数目却正常，这些数据表明PIEZO2是膀胱舒张的关键传感器（见图1）。
图1，野生型和Piezo2cKO小鼠DRG神经元对压力刺激的反应
机械诱发的排尿反射可协调膀胱逼尿肌和尿道括约肌，以介导有效的排尿控制，这对于有效排尿至关重要。作者首先假设排尿反射依赖于PIEZO2功能来提供对膀胱压力和尿道活动的反馈控制。因此，检测了PIEZO2缺陷的小鼠的排尿反射。这些Hoxb8Cre; Piezo2fl/fl小鼠在膀胱神经支配的DRG神经元和膀胱上皮细胞中表达Cre重组酶，将膀胱测压仪与尿道肌电图仪结合使用，以同时监测膀胱压力和括约肌活动。结果显示，Piezo2敲除小鼠表现出不规则的排尿时间，平均而言排尿期间膀胱收缩的间隔更长，即PIEZO2缺陷型小鼠对膀胱充盈的敏感性较低。
接下来，作者测试了Piezo2基因敲除小鼠的排尿行为是否异常以及是否会引起长期后果。首先将小鼠放在滤纸上4小时，并用紫外照射成像获取排尿模式。野生型小鼠通常在笼子的四角和边缘大面积排尿，而Piezo2敲除小鼠的排尿模式多种多样，比如漏尿（斑点状图像）或在中心位置排尿。需要注意的是，慢性尿路功能障碍通常会导致组织重塑，膀胱壁变厚以弥补无效排尿，这种重塑最终可能导致“代偿失调”，引起膀胱松弛并伴随排尿不完全，膀胱输尿管反流和尿路感染频率增加等后遗症。因此，作者在Piezo2缺陷的小鼠中，通过苏木精和曙红染色观察到膀胱壁增厚，同时新鲜切除的膀胱组织也显出重量增加。因此，Piezo2基因敲除小鼠存在排尿行为异常，并且排尿反射减弱会导致逼尿肌肥大，而这是慢性排尿功能障碍的指标（见图2）。
图2，两种小鼠排尿模式展示（m-o）以及膀胱壁的苏木精和曙红染色（q-t）
作者想要知道PIEZO2对于哪些细胞类型而言是必要的。使用Upk2-cre等位基因消除了尿路上皮细胞中的PIEZO2活性，发现Upk2-cre; Piezo2fl/fl小鼠表现出与Hoxb8Cre; Piezo2fl/fl小鼠相似的表型，即具有更高的膀胱舒张阈值，排尿时膀胱压力增加和尿道反射减弱。结合FISH数据表明PIEZO2在伞状细胞中起作用，证实伞状细胞作为参与启动排尿的机械感觉细胞。与此同时，作者使用Scn10a-cre小鼠删除膀胱中两种主要感觉神经元类型中的PIEZO2，这些小鼠也表现出类似的排尿膀胱压力增加以及尿道反射高度减弱的特点。然而，Piezo2单个组织中基因敲除的小鼠并没有表现出在完全敲除小鼠中观察到的明显的膀胱重塑现象。总之，这些结果表明，伞状细胞和感觉神经元中涉及PIEZO2的信号传导机制分为两部分，这些机制可设置膀胱敏感性并促进排尿反射，未来还需要进一步研究以解决这些不同细胞类型间沟通的问题。
总的来说，在这项研究中，作者使用来自小鼠和人类的证据证实机械转导通道PIEZO2作为泌尿道功能的关键介质。值得注意的是，小鼠中Piezo2缺陷不会导致尿路麻痹和死亡，并且PIEZO2缺陷的人类仍然能够完成排尿行为，提示可能存在除PIEZO2以外的机械转导蛋白。这项研究结果还提出了泌尿道机械感觉信号的两部分模型，令人联想到皮肤上皮细胞-神经元感觉机制（麦克尔氏细胞-轴突复合体），肺神经上皮体和肠嗜铬细胞【2-4】。因此，未来的研究将继续探讨尿路上皮细胞和感觉神经元如何协同控制泌尿功能。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2830-7
参考文献
1, Garry, R. C., Roberts, T. D. & Todd, J. K. Reflex responses of the external urethral sphincter of the cat to filling of the bladder. J. Physiol. 139, 13–14 (1957).2, Nonomura, K. et al. Piezo2 senses airway stretch and mediates lung inflation-induced apnoea. Nature 541, 176–181 (2017).3, Woo, S. H. et al. Piezo2 is required for Merkel-cell mechanotransduction. Nature 509, 622–626 (2014).4, Maksimovic, S. et al. Epidermal Merkel cells are mechanosensory cells that tune mammalian touch receptors. Nature 509, 617–621 (2014).
