Electro-mechanical coupling directs endothelial activities through intracellular calcium ion deployment

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作者
Changhao Li,Peng Yu,Zhengao Wang,Cheng Long,Cairong Xiao,Jun Xing,Binbin Dong,Jinxia Zhai,Lei Zhou,Zhengnan Zhou,Yan Wang,Wenjun Zhu,Guoxin Tan,Chengyun Ning,Yahong Zhou,Chuanbin Mao
出处
期刊:Materials horizons [Royal Society of Chemistry]
卷期号:10 (11): 4903-4913 被引量:11
标识
DOI:10.1039/d3mh01049j
摘要

Conversion between mechanical and electrical cues is usually considered unidirectional in cells with cardiomyocytes being an exception. Here, we discover a material-induced external electric field (Eex) triggers an electro-mechanical coupling feedback loop in cells other than cardiomyocytes, human umbilical vein endothelial cells (HUVECs), by opening their mechanosensitive Piezo1 channels. When HUVECs are cultured on patterned piezoelectric materials, the materials generate Eex (confined at the cellular scale) to polarize intracellular calcium ions ([Ca2+]i), forming a built-in electric field (Ein) opposing Eex. Furthermore, the [Ca2+]i polarization stimulates HUVECs to shrink their cytoskeletons, activating Piezo1 channels to induce influx of extracellular Ca2+ that gradually increases Ein to balance Eex. Such an electro-mechanical coupling feedback loop directs pre-angiogenic activities such as alignment, elongation, and migration of HUVECs. Activated calcium dynamics during the coupling further modulate the downstream angiogenesis-inducing eNOS/NO pathway. These findings lay a foundation for developing new ways of electrical stimulation-based disease treatment.
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