“心”研究！上海精准医学研究院团队揭示线粒体移植治疗心衰之路

心脏作为高耗能器官，线粒体约占心肌细胞体积的 20%-35%，是为心肌细胞收缩提供能量的关键。线粒体稳态破坏可直接导致心肌病，线粒体功能障碍已被证明在心力衰竭中起关键作用。

针对损伤线粒体、恢复心肌细胞自身的细胞功能是心衰治疗的重要靶点。线粒体移植是将外源健康线粒体移植到受损组织细胞中，替代或修复受损伤的线粒体，进而恢复线粒体及细胞组织功能的一种新兴的治疗策略，目前已被证明能够恢复心脏功能，但其作用机制仍未明确。

2023 年 2 月，上海交通大学医学院附属第九人民医院上海精准医学研究院张家毓教授和王长谦教授团队在 Molecular Therapy 上发表了“Delivery of mitochondria confers cardioprotection through mitochondria replenishment and metabolic compliance”的研究论文，讨论线粒体移植保护心肌细胞的作用机制，以及作为心力衰竭潜在治疗方案的可行性。

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流式细胞术定量具有不同代谢状态的线粒体

为了明确不同代谢特点来源的线粒体提取后是否保持活性以及原来的代谢特性，研究者检测了四种不同类型细胞和其分离的线粒体，包括了人结肠腺癌细胞系 (R)、乳鼠原代心肌细胞 (H)，以及小鼠成纤维细胞 (F) 和小鼠肌肉细胞 (M)。结果显示，四种细胞的线粒体数量 (MTG)、膜电位 (TMRM) 和氧化状态 (MitoSox) 存在差异，但在分离的线粒体中，线粒体膜电位和氧化状态的差异都消失了。接下来的问题是，分离的线粒体是否可以在被细胞摄取后恢复功能。

Figure 1 流式细胞术定量线粒体

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线粒体移植保护心肌细胞免受阿霉素诱导的线粒体功能障碍

在研究中，阿霉素 (DOX) 被用于诱导心衰细胞损伤模型。研究者首先将人 R-mito 注射到野生型小鼠心脏中，并在注射后 2 和 24 小时分离基因组 DNA，人类 mtDNA 的存在证实了移植的线粒体可以被小鼠心肌细胞吸收。此外，小鼠内源性 mtDNA 有显著的增加，表明线粒体移植刺激 mtDNA 复制。

随后，研究者证实了线粒体移植对于 DOX 诱导的心衰有保护作用。实验对 8 周龄的 C57/Bl6J 雄性小鼠进行了 DOX 刺激前的单剂量心肌内线粒体移植 (M-mito + DOX) 或磷酸盐缓冲盐水 (PBS + DOX) 处理。结果表明，PBS + DOX 处理的心肌细胞表现出细胞总 ROS 升高，线粒体氧化减少和膜电位降低；而线粒体预处理可阻止这些变化。

Figure 2 线粒体移植对阿霉素 (DOX) 诱导的心肌细胞线粒体功能障碍具有保护作用

接下来，研究者探寻了线粒体移植通过何种机制保护心脏。将线粒体移植到新生小鼠心室肌细胞 (NMVMs) 中，并用 DOX 进行刺激，发现线粒体移植会抑制 DOX 诱导的心肌细胞凋亡信号，随后对新生小鼠心室肌细胞的收缩和线粒体呼吸功能进行检测。结果显示，线粒体移植能够改善小鼠心室肌细胞的收缩功能，并恢复基础线粒体呼吸，但只有 H-mito 处理恢复了线粒体最大呼吸。

Figure 3 线粒体移植可改善阿霉素 (DOX) 诱导的心肌功能障碍

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代谢相容的线粒体移植恢复扩张型心肌病心肌细胞的收缩性

研究者在扩张型心肌病 (DCM) 人诱导多能干细胞分化的心肌细胞 (hiPSC-CM) 模型中测试了线粒体移植是否可以挽救线粒体功能障碍和心肌收缩力。实验从等基因的健康 hiPSC-CM 中分离线粒体移植到来自扩张性心肌病患者的 hiPSC-CM 中，观察到心脏收缩速度的改善和搏动频率的降低。但令人惊讶的是，尽管离体小鼠心室和心房心肌细胞的线粒体摄取率相同，但线粒体移植仅改善了心室细胞的收缩功能，而未改善心房细胞的收缩功能。与 NMVM DOX 实验的发现一致，H-mito 移植到 DCM hiPSC-CM 单层中增加了最大的线粒体呼吸。这些结果说明线粒体移植优先恢复心室心肌细胞的收缩功能，同时保持心房心肌细胞的完整。

Figure 4 线粒体移植可改善 DCM hiPSC-CMs 的收缩功能

最后，利用单细胞 RNA-seq，研究者证明了线粒体移植在很少发生转录组改变的情况下增强了营养不良心肌细胞的收缩性。得出结论：线粒体移植可产生心肌保护作用，并可能作为心力衰竭的潜在治疗方案。

值得一提的是，研究者在评估心肌细胞能量代谢时，选择使用安捷伦 Seahorse XF 分析仪与 Seahorse XF 细胞线粒体压力测试试剂盒，通过实时测量细胞耗氧率 (OCR) 测定线粒体呼吸，对比经过不同处理的细胞之间的线粒体功能差异。

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