Comparison of Piezo1-mediated relaxation in the mesenteric resistance arteries in diabetic and control mice

Abstract

Piezo1, a mechanosensitive ion channel, plays a significant role in vascular physiology and disease. However, the involvement of Piezo1 in vascular dysfunction in diabetes remains unclear. This study aims to elucidate the vascular responses and mechanisms elicited by Piezo1 activation. Furthermore, we sought to investigate the differences induced by Piezo1 activation in the arteries of diabetic mice and control mice. Ten-to 12-week-old male C57BL/6 (control) and type 2 diabetic mice (db-/db-) were used. Second-order mesenteric arteries (~150 μm) were used for isometric tension experiments. Western blot analysis and immunofluorescence staining were conducted to assess protein expression. The expression level of Piezo1 was significantly reduced in the mesenteric arteries of type 2 diabetic mice (db-/db- mice) compared to control mice (C57BL/6J), as determined through western blot and immunofluorescence staining analysis. The Piezo1 agonist, Yoda1, induced relaxation in mesenteric arteries in a concentration-dependent manner in both control and db-/db- mice. Interestingly, the relaxation response was notably greater in control mice than in db-/db- mice. Removal of the endothelium diminished the relaxation responses induced by Yoda1, with a more pronounced effect observed in control mice compared to db-/db- mice. Pre-treatment with L-NNA (a nitric oxide synthase inhibitor) and ODQ (a soluble guanylate cyclase inhibitor) significantly reduced Yoda1-induced relaxation in both groups. Furthermore, in endothelium-intact arteries of control mice, pre-treatment with apamin (an SKCa channel blocker), TRAM-34 (an IKCa channel blocker), and charybdotoxin (a BKCa channel blocker) decreased the relaxation response. In endothelium-denuded arteries, pre-incubation with charybdotoxin (a BKCa channel blocker) significantly attenuated Yoda1-induced relaxation in db-/db- mice, whereas it had no effect in control mice. Co-immunofluorescence staining revealed greater structural coupling between Piezo1 and BKCa channels in db-/db- mice compared to control mice. These findings suggest that Yoda1-induced relaxation in db-/db- mice mainly caused by BKCa channel activation in vascular smooth muscle cells. The present study represents the first report detailing the distinctive aspects of vascular responses induced by Piezo1 activation in the mesenteric resistance arteries of type 2 diabetic mice. Our findings have the potential to offer novel insights into the identification of mechanisms that may contribute to vascular dysfunction in diabetes. 기계적인 자극에 민감한 이온 통로인 피에조1은 혈관의 생리학적 기능 및 질병 발생에 중요한 역할을 하지만, 당뇨병에서 나타나는 혈관 기능 이상에서 피에조1의 활성화 기전은 명확하게 밝혀지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 피에조1의 활성화로 유도된 혈관 반응을 확인하고, 제 2형 당뇨 쥐와 정상 쥐의 장간막동맥에서 피에조1 활성화로 유도되는 이완 기전의 차이를 규명하고자 연구를 수행하였다. 당뇨 쥐에서는 내피세포가 손상된 것으로 나타났으며, 피에조1 단백질의 발현은 정상 쥐보다 당뇨 쥐에서 발현이 유의하게 감소된 것으로 나타났다. 피에조1 작용제인 Yoda1은 정상 쥐와 당뇨 쥐 모두에서 농도 의존적으로 혈관의 이완을 유도하였으며, 정상 쥐와 비교하여 당뇨 쥐에서 이완 반응의 크기가 유의하게 감소된 것으로 나타났다. 내피세포가 제거된 혈관에서 Yoda1에 의해 유도된 이완 반응의 크기는 두 그룹 모두에서 유의하게 감소된 것으로 나타났으며, 당뇨 쥐보다 정상 쥐에서 이완의 크기가 유의하게 감소된 것으로 나타났다. 내피세포가 온전한 혈관에서 Yoda1의 혈관 이완 효과는 L-NNA와 ODQ의 전처치로 인하여 이완 효과가 두 그룹에서 유의하게 억제된 것으로 나타났다. 정상 쥐의 내피세포가 온전한 혈관에서 apmain, TRAM-34 및 ChTX의 전처치는 Yoda1으로 유도된 혈관 이완을 억제시킨 것으로 나타났다. 한편, 당뇨 쥐의 내피세포가 제거된 혈관에서 ChTX의 전처치는 Yoda1의 이완의 크기를 유의하게 감소시킨 것으로 나타났으나, 정상 쥐에서는 Yoda1에 이완 효과에 영향을 주지 않는 것으로 보여진다. 공동-면역형광 분석 결과, 두 그룹 모두에서 전도도가 큰 칼슘 의존성 포타슘 통로 (BKCa) 통로와 피에조1 통로의 공동 발현을 보여주었다. 피어슨 상관 계수로 두 통로의 발현 상관관계를 측정한 결과, 정상 쥐보다 당뇨 쥐에서 공동 발현이 증가된 것으로 보여지며, 이는 당뇨 쥐에서 구조적 결합이 더 많다는 것을 나타낸다. 즉. 당뇨 쥐에서는 내피세포의 기능이 손상되어있기 때문에 보상기전으로 평활근 세포에 존재하는 전도도가 큰 칼슘 의존성 포타슘 통로의 활성화를 통해 혈관을 이완 시키는 것으로 설명될 수 있다. 본 연구는 제 2형 당뇨 쥐의 장간막동맥에서 피에조1 활성화로 유도된 혈관 이완 기전이 정상 쥐와 다르다는 것을 규명한 첫번째 연구로, 이상의 결과들은 당뇨병에서 나타나는 혈관 기능 이상에 기여하는 잠재적인 기전을 확인하는데 유용한 기초자료를 제공할 것으로 기대된다.