陳迪 程德琴 劉曉紅 徐志云

急性心肌梗死多由冠狀動脈閉塞引起，目前主要通過藥物、冠狀動脈旁路移植術(shù)以及經(jīng)皮冠狀動脈介入術(shù)(PCI)等恢復(fù)血流供應(yīng)的手段治療急性心肌梗死。心肌缺血再灌注損傷是指由于各種原因?qū)е滦募∪毖獡p傷，在恢復(fù)血流供應(yīng)后再次引起心肌損傷[1]。線粒體在維持心肌持續(xù)收縮和調(diào)節(jié)細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)中起著重要作用[2]。在心肌缺血再灌注損傷中，引起心肌細胞損傷的生物化學改變主要起源于線粒體功能障礙[3]。線粒體功能障礙導(dǎo)致三磷酸腺苷(ATP)合成減少，活性氧(ROS)生成增加[4-5]。ATP合成減少導(dǎo)致心肌細胞功能障礙[6]，過量的ROS引起心肌細胞損傷和凋亡[7]，最終引起心力衰竭[8-9]。

對線粒體功能障礙發(fā)生機制中的某個環(huán)節(jié)進行干預(yù)可以使心功能得到明顯改善，這提示線粒體替換是心臟保護的重要途徑[10]。線粒體移植是指從健康細胞或組織中分離出功能完好的線粒體替代受損的線粒體，減輕因線粒體功能障礙導(dǎo)致的心肌損傷，為心臟提供充足的能量，維持心臟穩(wěn)態(tài)[11]。

1 線粒體移植產(chǎn)生心肌保護的機制

移植的線粒體具有細胞內(nèi)和細胞外的心肌保護作用。超聲心動圖和壓力容積測量實驗顯示，線粒體進入心臟10 min后即可改善心功能[12]。蛋白質(zhì)組學分析表明，在線粒體移植后，心肌細胞的能量代謝產(chǎn)物和細胞呼吸前體代謝物增加，心肌細胞活力增強[12-13]。移植后10 min至1 h，線粒體通過肌動蛋白依賴的內(nèi)吞作用轉(zhuǎn)移至心肌細胞中[14]。進入心肌細胞后，移植的線粒體可進一步增加心肌細胞ATP水平并上調(diào)心肌保護性細胞因子[12]。后者通過刺激細胞生長、增殖、遷移[15]及促進血管形成，減少心肌細胞凋亡，促進心功能恢復(fù)[16]，改善心肌重構(gòu)，此過程不依賴于心肌細胞再生。研究發(fā)現(xiàn)移植后的線粒體可完整取代受損的線粒體從而挽救心肌細胞[17]。

研究表明，移植的線粒體可使心肌細胞的活力和功能至少維持28 d，線粒體移植后未發(fā)生心律失常，未發(fā)生自身免疫反應(yīng)[12,18]，炎性細胞因子水平也未明顯提高[19]。

2 線粒體的內(nèi)化、來源和移植方法

細胞中的線粒體可以從一個細胞轉(zhuǎn)移到另一個細胞中[20]。關(guān)于線粒體的內(nèi)化機制有多種假說，如肌動蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用[14]、巨胞飲作用[21]等。采用針對這些機制的特異性抑制劑對心肌細胞進行研究，發(fā)現(xiàn)抑制肌動蛋白聚合的特異性抑制劑降低了線粒體內(nèi)化，表明直接注射的線粒體可能通過肌動蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用轉(zhuǎn)移至心肌細胞內(nèi)[14]。

線粒體的來源主要有心室肌[22]、骨骼肌[12]、腹直肌[23]、胸大肌[11]和腓腸肌[24]。研究發(fā)現(xiàn)，移植間充質(zhì)干細胞來源的線粒體可成為治療組織損傷的新策略[25]。同等質(zhì)量的不同組織提供的線粒體數(shù)量不同，肝臟提供的最多，其次是骨骼肌，再次是心肌。從不同組織分離的線粒體在被細胞攝取的方式和對細胞的保護作用上沒有顯著差異[13,17]。線粒體移植對心臟的保護作用高度依賴于完整的、功能完好的線粒體[17]，未存活的線粒體、線粒體組分(蛋白質(zhì)、復(fù)合物Ⅰ-Ⅴ)、線粒體DNA和RNA、外源性ATP均不具有細胞保護作用[21]。Preble等[26]以標準化的商用組織分離器代替手動操作，使用差異過濾代替差異離心法，可在30 min內(nèi)快速分離和高度純化線粒體，獲得完整的、功能完好的線粒體。

線粒體移植的方法目前有共培養(yǎng)法[27]、小肽標記法[28]、離心轉(zhuǎn)移法[29]、微注射法[30]、直接注射法[22-23]和經(jīng)血管輸注法[18,24]等。其中，直接注射法和經(jīng)冠狀動脈輸注法是研究線粒體移植對心臟保護作用的主要方法，兩者均可以將大量的游離線粒體一次性輸注到目的區(qū)域，顯著提高移植效率。在早期研究中，從正常家兔左心室中分離出功能完好的線粒體，通過注射器直接注射到離體心臟缺血區(qū)，發(fā)現(xiàn)移植了健康線粒體的缺血心臟ATP水平增加，心肌細胞活力和心肌收縮功能顯著增強[12,22]。此外，線粒體可以通過冠狀動脈輸注，與直接注射相比，經(jīng)冠狀動脈輸注的線粒體在整個心肌中的分布更為迅速和廣泛，目標區(qū)域的線粒體濃度更高，在10 min內(nèi)就可提供心臟保護作用，明顯增加了線粒體移植的臨床治療潛力[18]。

3 線粒體移植的心肌保護作用

3.1 線粒體移植在動物模型中的心肌保護作用

Mccully等[22]于2009年在離體灌注的兔缺血心臟中首次進行線粒體移植實驗，該研究從兔心室肌中分離出濃度為(7.7±1.5)×106/mL的線粒體，直接注射到心臟局部缺血30 min的部位，發(fā)現(xiàn)血清肌酸激酶同工酶和心肌肌鈣蛋白Ⅰ顯著降低，提示線粒體移植可使心肌損傷減輕。同時，該研究發(fā)現(xiàn)線粒體移植后心肌細胞的ATP水平增加，心肌細胞凋亡減少，心肌梗死面積縮小，提示心肌缺血后線粒體移植具有顯著的心肌保護作用。

在另一項對兔缺血再灌注心臟進行線粒體移植的研究中，研究人員從兔骨骼肌中分離出濃度為(9.7±1.7)×106/mL的線粒體，分別向8個心肌缺血區(qū)直接注射，24 h內(nèi)發(fā)現(xiàn)線粒體進入心肌細胞周圍的間隙。線粒體移植4周后，心肌細胞凋亡減少，心肌梗死面積沒有增加，超聲心動圖顯示線粒體移植后心臟舒張壓和收縮壓均恢復(fù)至正常水平，提示線粒體移植增強了心肌細胞的功能，減少了心肌細胞的凋亡和壞死[12]。在對豬缺血再灌注心臟進行線粒體移植的實驗研究中，從豬胸大肌中分離出濃度為(9.93±1.43)×107/mL的線粒體，分別向8個心肌缺血區(qū)直接注射。注射4周后，在心臟中檢測到移植的線粒體，線粒體移植后未發(fā)生明顯的心肌超微結(jié)構(gòu)的異常改變[11]。

在心臟移植缺血再灌注損傷小鼠模型中，供體心臟在切除后和移植到受體5 min后，均經(jīng)冠狀動脈注入0.5 mL含1×108個線粒體的緩沖液。接受線粒體移植后，小鼠移植后心臟的左室射血分數(shù)和左室縮短率明顯增加，心肌細胞壞死和中性粒細胞浸潤明顯減少，提示線粒體移植緩解了心臟移植后發(fā)生的缺血再灌注損傷，為心臟移植后心功能改善提供了新的治療方式[24]。另一研究在缺血再灌注發(fā)生2 h后進行線粒體移植，結(jié)果顯示線粒體移植同樣減少了心肌梗死面積，使局部和整體心肌功能增強[31]。

3.2 線粒體移植在人體中的心肌保護作用

2017年美國波士頓兒童醫(yī)院首次在5例患兒中開展臨床試驗，其中4例患兒因冠狀動脈梗阻、1例因左室擴張伴心內(nèi)膜下缺血而出現(xiàn)心肌功能障礙，且均無法脫離體外膜氧合(ECMO)支持。該研究在20～30 min內(nèi)從患兒腹直肌提取功能完好的線粒體，在超聲心動圖定位下直接注射到10余個心肌缺血部位，每個部位注射線粒體懸液50～100 μL，每名患兒接受約1×109個線粒體。線粒體移植后，患兒未發(fā)生與線粒體注射有關(guān)的不良反應(yīng)，如心律失常、心肌內(nèi)血腫或疤痕，所有患兒的心肌收縮功能均有明顯改善。線粒體移植后第2天，除1例患兒因腎衰竭并發(fā)癥發(fā)生多器官衰竭，其余患兒均成功脫離ECMO支持。超聲心動圖顯示，治療前患兒均有中至重度心臟收縮功能障礙伴局部運動功能減退，線粒體移植4～6 d后，患兒心功能均有改善。線粒體移植10 d后，患兒心臟收縮功能均恢復(fù)正常，無局部運動障礙[23]。

4 小結(jié)與展望

線粒體移植有望成為治療心臟缺血再灌注損傷的新技術(shù)。線粒體移植對缺血再灌注損傷的心肌有保護作用。線粒體內(nèi)化機制和移植的適宜劑量目前尚不明確。線粒體移植在心臟缺血再灌注損傷保護領(lǐng)域中開展的臨床試驗有限，樣本量少，還需要進一步研究其長期安全性和有效性。隨著對線粒體移植的深入研究，有望研發(fā)出具備高特異性、無免疫排斥性的線粒體生物制劑。