《SCIENCE ADVANCES》：Cytoskeletal remodeling promotes tunneling nanotube formation and drives cardiac resident cell mitochondrial transfer in sepsis
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脓毒症诱发心脏功能障碍的细胞间通讯机制尚不明确。本研究聚焦Drp1介导的细胞骨架重塑，揭示其通过促进隧道纳米管(TNT)形成，驱动心肌细胞将受损线粒体转移至周围驻留细胞（内皮细胞、成纤维细胞、巨噬细胞），从而加剧心脏功能恶化的新机制，为脓毒症心肌损伤提供了新的干预靶点。
脓毒症，一种由感染引发的全身性炎症反应失调综合征，是重症监护病房患者死亡的主要原因之一。其中，约40%的脓毒症患者会出现心脏功能障碍，表现为心室收缩力下降和射血分数降低，这显著增加了患者的死亡风险，给家庭和医疗系统带来沉重负担。过去的研究多集中于脓毒症对心肌细胞的直接损伤，然而，心脏作为一个复杂的器官，其功能维持依赖于心肌细胞与多种非心肌驻留细胞（如内皮细胞、成纤维细胞、巨噬细胞）之间精密而动态的相互作用网络。这些细胞如何沟通，在脓毒症的打击下又发生了何种剧变，从而共同导致了心脏功能的崩溃，仍然是悬而未决的关键科学问题。
尤其令人着迷的是细胞间一种名为“隧道纳米管”的秘密通道。这些纳米级的细胞膜管状结构，能在细胞间架起“高速公路”，远距离运输包括完整线粒体在内的大型细胞器。在免疫治疗、神经退行性疾病等领域，隧道纳米管介导的线粒体转移已被证明能“援助”功能受损的细胞。那么，在脓毒症这个“战场”上，心脏细胞之间是否也存在这样的“物资调配”？如果存在，它是“雪中送炭”还是“雪上加霜”？又是谁在背后指挥着这条通道的修建与通车？解答这些问题，对于深入理解脓毒症心功能障碍的本质并寻找新的治疗策略至关重要。
为此，研究团队在《SCIENCE ADVANCES》上发表了他们的研究成果。他们利用盲肠结扎穿刺(CLP)小鼠模型模拟脓毒症，结合单细胞RNA测序(scRNA-seq)、超高分辨率成像等多学科技术，深入探究了脓毒症中心脏驻留细胞的命运转变及其细胞间通讯机制。研究发现，脓毒症会诱导心脏驻留细胞发生深刻的亚群转变，伴随线粒体功能损伤。更重要的是，他们首次揭示，动力相关蛋白1(Drp1)——一个已知的线粒体分裂关键蛋白，在脓毒症中会发生构象改变，并与细胞骨架蛋白细丝蛋白(Filamin)和驱动蛋白(Kinesin)相互作用，从而驱动细胞骨架重塑，促进从心肌细胞指向周围驻留细胞的隧道纳米管形成与延伸。通过这些新建的“隧道”，心肌细胞将自身受损的线粒体大量“转运”给内皮细胞、成纤维细胞和巨噬细胞，导致这些接收细胞出现代谢异常、活性氧(ROS)积累和炎症状态加剧，最终共同推动了脓毒症心脏功能障碍的进展。特异性敲除心肌细胞中的Drp1，能够有效阻断隧道纳米管介导的线粒体转移，逆转驻留细胞的功能恶化，并显著改善心脏功能。这项研究不仅发现了脓毒症心功能障碍中一种全新的纳米尺度细胞间通讯机制，也将Drp1的功能从经典的线粒体动力学调控，拓展至细胞骨架重塑和隧道纳米管生物发生领域，为干预脓毒症器官损伤提供了崭新的思路和治疗靶点。
为开展此项研究，作者运用了几个关键技术方法：首先，使用盲肠结扎穿刺(CLP)手术构建小鼠脓毒症模型。其次，对假手术组、CLP后12小时和24小时的小鼠心脏组织进行10x Genomics单细胞RNA测序(scRNA-seq)，绘制心脏细胞图谱并分析亚群变化。再者，通过心肌细胞特异性Drp1条件性敲除(Drp1 eCKO)小鼠，在体内验证Drp1的关键作用。最后，综合运用多重免疫组化(mIHC)、透射电镜(TEM)、结构化照明显微术(SIM)、纳米活细胞成像(Nanolive)和Seahorse细胞能量代谢分析等技术，在超高分辨率下直观观测隧道纳米管(TNT)的形成、线粒体转移过程，并定量评估细胞代谢与功能变化。
心脏功能障碍和脓毒症进展期间的细胞转录组学改变
通过超声和病理学检查，研究人员确认CLP模型成功诱导了小鼠心脏收缩功能下降、心肌纤维排列不规则等脓毒症心功能障碍表型。随后，对假手术组、CLP 12小时和24小时组的小鼠心脏组织进行scRNA-seq，获得了44,289个单细胞的转录组数据，鉴定出10种主要心脏细胞类型，并发现其基因表达模式随脓毒症进展发生显著变化。
脓毒症诱导的心脏内皮细胞亚群转变
对32,537个心脏内皮细胞的深入分析揭示了脓毒症诱导的亚群动态转变：具有活跃线粒体氧化代谢的Aqp7+内皮亚群逐渐消失，而两个新亚群——表现出线粒体氧化应激、活性氧积累、线粒体呼吸功能受损的Cxcl2+和Metal+内皮细胞成为主导。功能实验证实，这些新出现的亚群细胞内活性氧水平升高，线粒体呼吸能力显著降低。
脓毒症诱导的心脏成纤维细胞亚群转变
对5,117个心脏成纤维细胞(CF)的分析显示，依赖于脂肪酸代谢的Fmo2+成纤维细胞亚群在脓毒症中逐渐消失，取而代之的是具有过度炎症激活和氧化应激特征的Lcn2+成纤维细胞亚群。代谢分析表明，Lcn2+成纤维细胞的脂肪酸氧化代谢能力远低于Fmo2+亚群。
脓毒症诱导的心脏单核细胞和巨噬细胞亚群转变
对心脏单核细胞和巨噬细胞的分析发现了类似的转变规律：具有正常代谢功能的Hpgd+巨噬细胞减少，而表现出促炎极化、线粒体功能受损的Metal+和Ccr2+巨噬细胞亚群增多。这些新出现的巨噬细胞亚群线粒体呼吸能力下降，活性氧水平升高。
Drp1介导的隧道纳米管形成促进脓毒症期间心脏驻留细胞的细胞间线粒体转移和功能障碍
基于上述发现——多种心脏驻留细胞在心肌细胞附近积累了受损线粒体，研究人员提出了一个大胆假设：心肌细胞可能通过隧道纳米管将受损线粒体主动转移给周围细胞。通过超高分辨率成像技术，他们直接观测到，在脓毒症状态下，心肌细胞会伸出大量隧道纳米管连接周围的内皮细胞、成纤维细胞和巨噬细胞。钙黄绿素-AM转移实验和实时成像证实，这些隧道纳米管具有功能性的运输能力，能够介导线粒体在细胞间的转移。值得注意的是，沿隧道纳米管转移的“货物”不仅包括线粒体，还有Drp1蛋白本身。
Drp1调节细胞骨架重塑以促进隧道纳米管形成和线粒体转移
为了明确Drp1在其中的作用，研究人员构建了心肌细胞特异性Drp1条件性敲除小鼠。结果显示，敲除Drp1后，脓毒症心脏中隧道纳米管的数量、长度和宽度均显著减少，心肌细胞向驻留细胞转移受损线粒体的过程被有效阻断。相应地，驻留细胞中Cxcl2+、Metal+、Lcn2+等有害亚群的出现被抑制，细胞的炎症状态减轻，线粒体呼吸功能得到改善，最终心脏功能也获得显著保护。机制上，研究人员发现脓毒症中Drp1的构象发生改变，其与细胞骨架蛋白细丝蛋白和驱动蛋白的相互作用显著增强。分子对接模拟和共免疫沉淀(Co-IP)实验证实了Drp1与这两个蛋白的直接结合。Drp1通过这种相互作用，驱动了微丝和微管的动态重塑，从而保证了隧道纳米管结构的正确构建与延伸，为线粒体的跨细胞运输铺平了道路。
归纳研究结论与讨论部分，本研究系统阐明了脓毒症心功能障碍中一种此前未知的、由Drp1主导的纳米尺度细胞间“对话”机制。脓毒症应激下，心肌细胞中的Drp1发生构象改变，通过与细丝蛋白和驱动蛋白互作，驱动细胞骨架重塑，从而促进隧道纳米管的生物发生与延伸。利用这些通道，心肌细胞将自身受损的线粒体“输出”至周围的内皮细胞、成纤维细胞和巨噬细胞。这种线粒体的“转嫁”虽然可能短期缓解心肌细胞自身的压力，却导致接收方驻留细胞发生代谢重编程和功能恶化，涌现出具有炎症、氧化应激和代谢缺陷特征的有害亚群，最终共同加剧了心脏整体功能的衰竭。该研究将Drp1的功能从细胞器水平的线粒体分裂，创新性地拓展至细胞水平的骨架重塑和隧道纳米管介导的器官间通讯，为理解脓毒症等多器官功能障碍疾病中复杂的细胞间相互作用提供了全新范式。更重要的是，靶向Drp1介导的隧道纳米管形成通路，有望成为缓解脓毒症心脏及其他器官损伤的潜在治疗新策略。
