《Cellular and Molecular Neurobiology》：Mitochondrial Transplantation Therapy for Ischemic Stroke: Progress and Challenges
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本综述系统梳理了缺血性卒中（IS）创新疗法——线粒体移植（MT）的最新进展。文章深入剖析了线粒体功能障碍在IS中的核心病理作用，阐述了MT如何通过补充功能性外源线粒体，从恢复能量代谢、减轻氧化应激、抑制炎症反应等多重机制发挥神经保护作用，并重点探讨了其临床应用面临的来源、递送、整合等挑战与前景，为这一新兴治疗策略的转化研究提供了重要理论参考。
缺血性卒中：亟待突破的神经保护策略
缺血性卒中以其高发病率、高致残率、高死亡率、高复发率和高经济负担，是全球第二大死亡原因和第三大致残原因。尽管血管再通治疗和药物治疗取得了持续进展，但其疗效仍未达到患者及家属的期望。目前临床治疗方案主要侧重于血管再通和抗血栓，神经保护策略依然显著缺乏。急性缺血性卒中治疗的主要目的是挽救缺血半暗带中的神经元，但由于脑血流中断，高能耗神经元对缺血缺氧高度敏感且易受损伤。线粒体损伤和功能障碍是缺氧最关键、最核心的病理后果之一，也是神经元死亡的重要因素。新兴证据表明，靶向线粒体的策略有望用于治疗缺血性卒中，丁苯酞和依达拉奉等药物已被证实能够恢复线粒体功能。然而，持续的缺血缺氧常导致脑缺血急性期出现不可逆的线粒体损伤。因此，线粒体移植或替换可能成为治疗缺血性卒中，尤其是在急性期的一种替代性有效策略。
线粒体在缺血性卒中中的病理生理学
卒中发生后数小时内，会形成不可逆的缺血核心和可挽救的缺血半暗带。包括溶栓和血管内取栓在内的血运重建治疗是临床验证的可恢复脑灌注的方法。然而，成功再通带来的益处并未成比例地反映在临床结局上，部分原因可归咎于再灌注损伤。线粒体损伤和功能障碍是脑缺血及再通治疗后发生的缺血/再灌注（I/R）损伤的关键机制。
线粒体功能障碍通过多种机制成为脑病理学的核心驱动因素。线粒体损伤相关的病理级联反应通过相互作用启动并传播缺血性神经元损伤，最终共同导致缺血性卒中后的神经功能缺损。鉴于急性脑缺血常诱发不可逆的线粒体损伤，外源性线粒体移植或替换已成为一种有前景的缺血性卒中治疗策略。
线粒体移植治疗缺血性卒中的潜在机制
线粒体移植疗法
在线粒体移植治疗原发性遗传性线粒体疾病和包括缺血性卒中在内的继发性线粒体功能障碍方面已取得显著进展。2009年，McCully等人证实原位注射外源性线粒体可增强心肌细胞活力并改善缺血后功能恢复，这开启了线粒体移植在心肌梗死、心力衰竭、肾损伤、肿瘤和神经系统疾病等领域的研究新篇章。2016年，Kazuhide Hayakawa等人报道了线粒体的跨细胞转移可能发生在中枢神经系统，这增强了线粒体移植策略的潜力。尽管潜在机制尚不清楚，但越来越多的证据表明线粒体移植在治疗缺血性卒中方面具有有益效果。
线粒体的内化与功能
线粒体的摄取与内化
外源性线粒体摄取和内化的机制取决于受体细胞的类型和特定的微环境。虽然巨胞饮作用被报道参与线粒体内化，但Pacak等人证明这一过程是通过肌动蛋白依赖的内吞作用发生的。此外，研究表明，健康的线粒体可以通过涉及CD38和环状ADP-核糖信号传导的钙依赖性机制从星形胶质细胞转移到受损神经元，这表明外源性线粒体可能在神经胶质细胞内化之前先被导入神经胶质细胞。
细胞间线粒体转移可通过多种机制发生，包括隧道纳米管（TNTs）、细胞外囊泡、间隙连接和细胞融合。鉴于细胞间线粒体转移的证据日益增多，外源性线粒体可能间接促进神经元修复。受体细胞内化线粒体的数量效率也受递送方法影响。与全身给药相比，立体定向脑内注射有助于外源性线粒体进入神经元的效率，但其临床转化可能受技术挑战限制。优化提高经动脉或静脉给药的线粒体穿透血脑屏障（BBB）效率的策略仍有待研究。缺血性卒中后BBB通透性的时空性增加是改善线粒体向损伤靶点递送的一种可行方法。
线粒体的质量与数量控制系统
被受体细胞内化后，外源性线粒体经历融合、裂变或自噬的动态过程，形成一种质量维护机制，以促进神经血管单元稳态的恢复。在病理条件下，线粒体裂变已被证明可以清除受损成分以限制过度的细胞损伤。外源性线粒体可以通过与受损的宿主线粒体融合来缓解应激，实现功能互补。虽然线粒体自噬的作用存在争议，但主流观点认为，维持线粒体自噬稳态是神经系统疾病的一种有前景的策略。据报道，线粒体自噬可减轻受损级联反应，促进神经元存活。调节线粒体质量和数量控制已在缓解脑缺氧/缺血性损伤的细胞损伤方面显示出疗效。理论上，人为提供健康的线粒体可以加强上述机制的效果，从而挽救半暗带中更多的神经元。
外源性线粒体减轻氧化应激
脑缺血发生后，神经元内源性ATP在数小时内迅速耗竭，最终由于Na+/K+-ATPase泵功能衰竭和有毒物质积累而导致不可逆损伤。内源性线粒体损伤驱动过量的活性氧（ROS），引起氧化应激损伤并最终导致神经元死亡。转入靶细胞后，富含ATP的分离线粒体可被受体细胞直接利用以促进修复。外源性线粒体可以与内源性线粒体融合，通过线粒体数量控制途径恢复受体细胞的ATP供应。此外，研究表明外源性线粒体可通过恢复氧化还原稳态来减轻神经元氧化损伤。此外，研究证明外源性线粒体可能通过清除过量的细胞内ROS和提供ATP来抑制氧化应激损伤，从而挽救半暗带中垂死的神经组织。Salman等人发现外源性线粒体通过激活SIRT/PGC-1ɑ通路抑制氧化损伤并减轻缺血性卒中后的神经元损伤。此外，通过调节PGC-1ɑ来调控线粒体生物合成已被证明可通过调节抗氧化活性和氧化磷酸化来改善能量代谢并促进神经元存活。ROS减少的持续性取决于移植线粒体在宿主细胞内的保留、复制和功能整合。
外源性线粒体抑制小胶质细胞和星形胶质细胞活化
在生理条件下，小胶质细胞和星形胶质细胞参与调节神经发育、神经传递和脑代谢，而在病理状态下，它们的功能变得具有双重性。当局部脑缺血失代偿时，小胶质细胞和星形胶质细胞被损伤相关分子模式（DAMPs）激活，在其低活化状态下，它们倾向于通过增强吞噬作用来防止损伤扩大。然而，星形胶质细胞和小胶质细胞的过度活化通过瘢痕形成和促炎因子产生导致半暗带的继发性损伤。
尽管潜在机制尚未完全阐明，但新兴证据表明外源性线粒体可通过抑制小胶质细胞和星形胶质细胞的活化来挽救垂死的神经元。通过调节S100A9增强小胶质细胞中外源性与内源性线粒体的融合已被证明可以调节小胶质细胞极化。此外，研究人员表明，在外源性线粒体移植后，星形胶质细胞标志物（胶质纤维酸性蛋白，GFAP）和小胶质细胞标志物（离子钙接头蛋白1，Iba1）的表达显著降低，表明其活化状态发生了改变。然而，确定最佳时间窗以及如何增强细胞特异性靶向仍然是线粒体移植治疗缺血性卒中未来需要解决的关键挑战。
外源性线粒体减轻炎症
脑缺血和再灌注损伤后的线粒体损伤是触发炎症反应的关键机制。据报道，过量的ROS和包括线粒体DNA（mtDNA）在内的线粒体成分参与了NLR家族Pyrin域蛋白3（NLRP3）炎症小体的激活，从而导致下游IL-1β和IL-18的释放。此外，释放的片段化mtDNA已被证明可激活Toll样受体9（TLR9），从而上调炎性细胞因子IL-6和TNFα。据报道，外源性线粒体可通过激活AMPK（AMP活化蛋白激酶）来抑制炎症。通过抑制NLRP3和磷酸化NF-κB信号传导，移植的线粒体可以减轻神经炎症并挽救脑缺血半暗带中的神经元。SIRT1被报道在AMPK激活中起重要作用，并通过p65亚基的去乙酰化抑制NF-κB信号传导。在光栓性卒中小鼠模型中，鼻内递送线粒体已被证明可通过AMPK和SIRT1/PGC-1α通路减轻脑损伤。此外，经典Wnt通路的激活被认为可以调节小胶质细胞的表型转换以减轻神经炎症。确定线粒体靶点的细胞特异性通路对于脑缺血损伤后不同阶段神经炎症的时空调节至关重要。
外源性线粒体减轻神经元死亡
越来越多的证据表明，缺血性卒中会触发多种细胞死亡机制，例如凋亡、铁死亡、焦亡、坏死性凋亡、parthanatos和自噬。线粒体的结构和功能损伤是凋亡和坏死性细胞死亡的主要促成因素。尽管通过药物干预和基因修饰在啮齿动物模型中取得了进展，但靶向线粒体相关促凋亡蛋白的临床试验尚未取得令人满意的结果。移植外源性线粒体已被确定为通过多种机制抑制程序性细胞死亡的新策略。据报道，静脉线粒体移植可通过下调小鼠局灶性脑缺血模型中NLRP3和GSDMD的表达来抑制焦亡。此外，Xie等人已证明外源性线粒体移植可通过降低Bax/Bcl-2比值和caspase-3水平显著抑制脑缺血再灌注损伤中的细胞凋亡。另外，无论是来自肌肉还是间充质干细胞的线粒体，均已被证明可通过抑制大脑中动脉阻塞（MCAO）模型中的细胞色素c释放和caspase-3表达来减轻细胞凋亡。鉴于外源性线粒体可被神经元和神经胶质细胞内化，转移线粒体在不同类型神经细胞中的神经保护机制有待阐明。
外源性线粒体调节神经可塑性与神经发生
除了减轻继发性损伤，线粒体移植还通过调节神经可塑性和神经发生发挥神经保护作用。据报道，生长相关蛋白43（GAP-43）和突触后密度蛋白95（PSD-95）这两种突触形成的关键调节因子的表达在缺血性卒中后降低，表明其在卒中后神经元可塑性中的作用。调节神经可塑性的策略已被提出并引入卒中治疗。在光栓法诱导的卒中模型中，鼻内递送线粒体部分通过上调GAP-43和PSD-95增强了神经可塑性并减轻了神经功能缺损。
