激光散斑血流成像系統(tǒng)在揭示糖尿病血管反應性變化新機制中的應用

L型Ca_V1.2通道在細胞興奮、增殖、基因表達和肌肉收縮中起關(guān)鍵作用。Ca_V1.2通道的一個基本特性是它們內(nèi)在的功能耦合能力，例如“合作門控”（cooperative gating）。Ca_V1.2的這種協(xié)同作用導致Ca²⁺內(nèi)流放大，這種門控模式能夠調(diào)節(jié)癌細胞、心肌細胞、神經(jīng)元和動脈肌細胞的功能。在動脈肌細胞中，大約50%的Ca²⁺內(nèi)流依賴于Ca_V1.2的合作門控，這對于動脈功能至關(guān)重要，因為Ca²⁺通過Ca_V1.2流入，將膜電位的變化與動脈肌細胞收縮耦合，從而影響動脈的直徑、血流量和血壓。然而，Ca_V1.2的合作門控是如何被調(diào)節(jié)的，目前的研究仍然知之甚少。

2022年12月2日，UC Davis分校的Manuel F. Navedo 和Madeline Nieves-Cintrón團隊在Circulation Research雜志上發(fā)表題為“Spatiotemporal Control of Vascular Ca_V1.2 by α1_C S1928 Phosphorylation”的研究論文。該研究證實，PKA依賴的pS1928（Ca_V1.2 α1_C亞基S1928位點磷酸化）作為一個關(guān)鍵起始步驟，促進了糖尿病高血糖期間血管α1_C亞基的空間重組，形成“超簇”，從而增加Ca_V1.2的活性和合作門控，直接影響血管反應性。因此，作者提出α1_C亞基的pS1928是血管Ca_V1.2功能和血管反應性的變阻器，也是糖尿病高血糖期間血管并發(fā)癥的危險因素。這一結(jié)果可能為開發(fā)糾正糖尿病高血糖時期Ca_V1.2和動脈功能的治療方法奠定了基礎(chǔ)。
 

Ca_V1.2通道是由成孔的α1_C亞基和輔助的β、α₂δ亞基組成。先前的研究表明，α1_C亞基長羧基端是Ca_V1.2合作門控所必需的，兩個或多個相鄰α1_C亞基羧基端之間的相互作用促進了Ca_V1.2合作門控。新的證據(jù)表明，蛋白激酶可以刺激Ca_V1.2的協(xié)同作用。α1_C亞基可以形成有利于α1_C亞基功能相互作用的簇，α1_C亞基的磷酸化可能是誘導和促進α1_C亞基聚集以及Ca_V1.2合作門控的關(guān)鍵起始步驟。最近的研究顯示，高血糖（hyperglycemia, HG）和糖尿病引起的血管Ca_V1.2通道活性增加依賴于S1928磷酸化的增強（pS1928）。盡管初步的研究表明HG和糖尿病可增加血管Ca_V1.2的合作門控，但pS1928是否會介導這種門控模式尚不清楚。闡明這其中的機制十分重要，因為它可以確定pS1928作為一個關(guān)鍵事件，可以通過α1_C亞基的重新排布形成更大的簇來介導Ca_V1.2的合作門控，這可能是糖尿病高血糖等病理條件下血管功能改變的基礎(chǔ)。

在該研究中，作者首先利用膜片鉗技術(shù)檢測了2型糖尿病患者動脈肌細胞的Ca_V1.2通道特性，結(jié)果顯示，糖尿病患者動脈肌細胞內(nèi)Ca_V1.2通道的活性和協(xié)同性增強。Ca_V1.2協(xié)同性增加意味著α1_C亞基必須在物理上接近，為此作者利用超分辨率納米顯微鏡對α1_C亞基的空間排布進行了觀察，結(jié)果觀察到糖尿病人動脈肌細胞中質(zhì)膜α1_C亞基重組成更大的簇，這可能是Ca_V1.2通道活性和協(xié)同性增強的基礎(chǔ)。考慮到已有研究認為糖尿病高血糖引起的血管Ca_V1.2通道活性增加依賴于pS1928，作者進一步探討了pS1928在高糖誘導的動脈肌細胞Ca_V1.2合作門控中的作用。利用野生型或者S1928A小鼠（1928絲氨酸位點突變?yōu)楸�氨酸以防止其磷酸化）的動脈肌細胞，作者證實：高糖刺激引起的Ca_V1.2合作門控需要PKA依賴的pS1928，此外，高糖刺激能夠誘導P2Y₁₁/PKA依賴的pS1928，并導致α1_C亞基的寡聚化/聚集增加。這些數(shù)據(jù)支持以下假設(shè)：高糖刺激誘導的pS1928能夠促進動脈肌細胞α1_C亞基空間重排成更大的簇，從而使動脈肌細胞Ca_V1.2的協(xié)同作用增強。

圖1. pS1928介導了高糖誘導的動脈肌細胞α1_C聚集增加

隨后，作者進一步探討了高糖環(huán)境下ps1928介導α1_C聚集和Ca_V1.2協(xié)同性增加的生理效應。利用鈣離子指示劑，作者觀察到pS1928是高糖誘導的胞內(nèi)Ca²⁺增加所必需的，并導致了動脈肌細胞的收縮。為了證實高糖環(huán)境下pS1928在體內(nèi)的生理作用，作者利用激光散斑成像技術(shù)測量了麻醉小鼠的腦動脈肌源性張力和血流量（作者采用了RWD激光散斑血流成像系統(tǒng)）。在野生型小鼠中，用20 mmol/L D -葡萄糖向顱窗灌注導致動脈直徑減小，進而轉(zhuǎn)化為肌源性張力增加和血流量減少，而S1928A小鼠未見此情況。這些結(jié)果表明，高糖誘導的腦動脈肌源性張力和血流的改變需要依賴pS1928�？紤]到高血糖與糖尿病的聯(lián)系，作者利用鏈脲佐菌素（streptozotocin, STZ）誘導的1型糖尿病小鼠模型進一步驗證了動脈肌細胞Ca_V1.2的結(jié)構(gòu)和功能重塑是否需要pS1928。結(jié)果表明，糖尿病高血糖促進了ps1928依賴的動脈肌細胞內(nèi)α1_C的聚集，以及Ca_V1.2通道活性和協(xié)同性的增加。利用激光散斑血流成像技術(shù)，作者觀察到，STZ誘導的野生型糖尿病小鼠腦血管的肌源性張力增加，血流量減少，而STZ誘導的S1928A小鼠腦血管的肌源性張力和血流量則與對照組無明顯差異。這些結(jié)果表明，糖尿病高血糖誘導小鼠血管收縮張力和血流量的改變需要依賴pS1928。
 

圖2.糖尿病引起的動脈收縮張力增加和血流量減少需要依賴pS1928
 

圖3.糖尿病高血糖時期Ca_V1.2合作門控的調(diào)節(jié)機制和血管反應變化示意圖

該研究結(jié)果可為開發(fā)糾正糖尿病高血糖期間CaV1.2和動脈功能的治療方法奠定基礎(chǔ)。本研究采用了膜片鉗電生理學、超分辨率納米顯微鏡、鄰近結(jié)扎測定、鈣成像和激光散斑血流成像等技術(shù)。瑞沃德深耕生命科學研究領(lǐng)域20年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務(wù)。在該研究中，研究人員采用了瑞沃德激光散斑血流成像系統(tǒng)，為實驗的順利開展提供了助力。此外，瑞沃德還可提供該研究所涉及的腦立體定位手術(shù)、化學遺傳學、在體鈣成像、免疫組化以及行為學評估等實驗的完整解決方案。
 

論文原文鏈接：https://www.ahajournals.org/doi/suppl/10.1161/CIRCRESAHA.122.321479