《Journal of Advanced Research》：Intracellular mitochondrial transfer in ischemic stroke: Mechanisms and therapeutic application
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本文系统梳理了线粒体转移在缺血性脑卒中（IS）中的新角色，指出受损脑细胞可通过细胞间线粒体“救援”来维持结构和功能。文章综述了IS诱导线粒体功能障碍的机制、内源性线粒体转移的模式与分子途径，并聚焦于干细胞（如MSCs）源性线粒体移植这一新兴疗法，认为增强健康线粒体转移或阻止受损线粒体释放，有望成为治疗缺血性脑损伤的新策略。
缺血性脑卒中（IS）是导致全球成年人死亡和永久性残疾的第二大原因，其中87%的病例为缺血性。目前的治疗策略正从单一的神经保护转向更广泛的细胞保护概念，强调通过健康与受损细胞间的细胞器转移来挽救受损脑细胞。在这一新范式中，细胞内线粒体转移被证明是机体应对IS的内在反应，在减轻神经损伤中起着关键作用。
线粒体功能障碍：缺血级联反应的核心
在IS中，脑血流量（CBF）急剧下降引发复杂的缺血级联反应。线粒体作为细胞能量代谢和信号整合的中心，其功能障碍成为这一过程的核心枢纽。缺血缺氧导致氧和葡萄糖输送受损，损害线粒体氧化磷酸化功能，引发细胞生物能量应激。细胞通过激活一系列线粒体质量控制机制来应对，包括线粒体生物合成（MB）、线粒体分裂与融合、线粒体自噬以及细胞间线粒体转移。这些适应性反应有助于维持线粒体网络的完整性，避免神经元凋亡的命运。
具体而言，IS导致的线粒体功能改变主要包括：
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线粒体生物合成（MB）紊乱：多数研究表明，脑缺血诱导的MB上调在缓解脑缺血损伤中起保护作用，关键调节因子如过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）参与其中。
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线粒体分裂与融合失衡：IS期间，适度的线粒体分裂有助于隔离受损线粒体，但过度分裂可能加剧损伤。动力相关蛋白1（Drp1）是诱导分裂的关键分子，其活性受到磷酸化、乙酰化和SUMO化等多种翻译后修饰的调控。相反，促进线粒体融合（如上调OPA1表达）可以修复轻度损伤的线粒体，减轻缺血损伤。线粒体分裂与融合的作用复杂且具有情境依赖性，精确调控二者平衡是潜在的治疗策略。
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线粒体自噬功能障碍：线粒体自噬是一把“双刃剑”。在IS早期，激活线粒体自噬有助于清除受损线粒体，恢复细胞能量稳态，是有益的；但在中后期，过度的线粒体自噬可能导致线粒体被过度清除，反而阻碍脑损伤的恢复。因此，精准调控线粒体自噬对IS后神经功能恢复至关重要。
细胞间线粒体转移的机制：建立“生命线”
鉴于IS导致线粒体功能障碍，向缺血损伤后的细胞递送功能性线粒体具有重要的治疗潜力。证据表明，线粒体向细胞内的递送主要通过内源性细胞之间或外源性干细胞与受体细胞之间形成的功能连接来实现。
主要的转移模式包括：
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隧道纳米管（TNTs）：这是基于细胞骨架的管状结构，是细胞间交换细胞器（包括线粒体）的主要通道。在IS后，TNTs的形成得到促进，使得线粒体可以从间充质干细胞（MSCs）等健康细胞转移到受损的血管内皮细胞（ECs）或神经元，挽救其有氧呼吸并抑制凋亡。线粒体Rho GTP酶1（Miro1）是调节TNT形成和线粒体运输的关键分子。
- 2.
细胞外囊泡（EVs）：包括微泡和外泌体在内的EVs可以作为稳定的运输载体，在非接触细胞间转移线粒体。例如，星形胶质细胞可以通过钙依赖的CD38和环ADP核糖（cADPR）信号通路释放含有线粒体的EVs，转移给神经元，提供神经保护作用。脑内皮细胞（BECs）来源的EVs也能将功能性线粒体转移给受损的内皮细胞，增强ATP生成。
- 3.
缝隙连接通道（GJCs）：由连接蛋白（如Cx43）形成的GJCs也具有运输线粒体的能力。例如，骨髓间充质干细胞（BMSCs）可以通过GJCs将其线粒体转移给OGD处理的运动神经元，增强能量供应。
- 4.
细胞融合（质配）：当MSCs与神经元共培养时，会发生细胞融合，允许线粒体从MSCs转移到神经元。
线粒体转移在IS中的功能角色：多方面的修复作用
向缺血细胞靶向递送功能性线粒体，可以从多个层面发挥保护作用：
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恢复能量代谢：功能性线粒体的转移可以挽救受损的细胞代谢。MSCs将功能性线粒体转移给氧化应激下的神经元，能显著提高神经元的存活率、ATP水平和线粒体呼吸功能。星形胶质细胞通过低密度脂蛋白受体相关蛋白1（LRP1）介导的机制将健康线粒体转移给受损神经元，减少乳酸生成，改善神经元能量代谢。
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调控细胞凋亡：IS诱导的线粒体功能障碍会促发caspase依赖的凋亡。将功能性线粒体递送到受损神经元可以显著减少凋亡细胞的比例。例如，直接向缺血小鼠梗死周围皮层注射星形胶质细胞来源的细胞外线粒体，可上调抗凋亡蛋白Bcl-xL的表达并抑制caspase-3的激活。
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调节炎症与氧化应激：IS会诱导线粒体活性氧（mtROS）和氧化性mtDNA（ox-mtDNA）的过度产生，从而触发炎症反应。功能性线粒体转移可以通过激活PTEN诱导激酶1（PINK1）/Parkin通路诱导线粒体自噬，或与受损的宿主线粒体融合，来减少mtROS和ox-mtDNA，从而缓解炎症和氧化应激。需要注意的是，外源性线粒体或mtDNA也可能作为损伤相关分子模式，通过cGAS-STING通路激活宿主先天免疫系统，其净效应复杂，需进一步阐明。
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维持血脑屏障（BBB）完整性：BBB由内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞等构成。IS会破坏BBB。线粒体转移是BBB修复的关键机制。例如，OGD/R可增加健康周细胞和星形胶质细胞之间的TNTs，促进线粒体从周细胞转移到星形胶质细胞，保护其免于凋亡，从而维持BBB的结构和功能完整性。内皮细胞来源的EVs也能将功能性线粒体转移给受体内皮细胞，增强紧密连接，改善BBB完整性。
神经细胞间的内源性线粒体转移：一幅复杂的互助与损伤图景
IS后的线粒体转移是双向的，且发生在所有脑细胞之间。
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健康线粒体的“救援”：一方面，健康细胞可以将完整的线粒体转移到受损细胞，促进其代谢恢复和细胞活化。例如，星形胶质细胞是神经元最早的线粒体供体，通过CD38-cADPR-Ca2+信号通路或LRP1介导的EVs释放功能性线粒体给受损神经元。A2型星形胶质细胞也能释放功能性线粒体给少突胶质前体细胞（OPCs），促进其成熟和分化，缓解白质损伤。周细胞则可以通过TNTs将健康线粒体转移给星形胶质细胞，保护其免于凋亡。
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受损线粒体的“传播”与“清理”：另一方面，受损细胞释放的线粒体可能作为危险信号，加剧损伤。例如，A1型星形胶质细胞释放功能失调的线粒体，进入邻近神经元并与其线粒体网络融合，导致神经元线粒体功能障碍。促炎（M1型）小胶质细胞也会增加线粒体分裂并释放受损线粒体，这些线粒体被神经元摄取后会导致神经元损伤。有趣的是，受损神经元也会将功能失调的线粒体释放到细胞外空间，随后被邻近的星形胶质细胞吞噬，这可能是一种“求助”信号，有助于清除神经元线粒体碎片，激活星形胶质细胞的线粒体生物合成。
干细胞源性线粒体移植：IS治疗的新策略
内源性线粒体转移通常是短暂且不足的。移植来自自体和外源的健康线粒体已成为恢复IS后线粒体功能的有前景的治疗方法。干细胞（尤其是MSCs）移植被广泛研究，其将线粒体转移给受体脑细胞，可以调节增殖、分化、代谢、炎症等多种细胞过程。
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对神经元的保护：MSCs可以通过TNTs、GJCs或细胞融合将线粒体转移给OGD损伤的神经元或PC12细胞，减少细胞凋亡，恢复线粒体功能，改善细胞代谢，并上调Miro1和脑源性神经营养因子（BDNF）的表达，促进神经功能恢复。
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对血管系统的保护：MSCs来源的线粒体可以转移给受损的血管内皮细胞。例如，MSCs通过TNTs将线粒体转移给OGD/R处理的人脐静脉内皮细胞（HUVECs），保护其线粒体功能并减少凋亡。在tMCAO大鼠模型中，MSCs移植可促进线粒体向脑微血管转移，改善线粒体活性和血管生成。MSCs来源的线粒体转移还能挽救内皮细胞的线粒体功能，重编程谷胱甘肽（GSH）代谢，促进尖端细胞表型转变，从而增强血管生成和功能恢复。
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对胶质细胞的调节：BMSCs的条件培养基可以减少OGD/R处理的星形胶质细胞和小胶质细胞中的ROS和缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）水平，抑制小胶质细胞活化和神经炎症。
结论与展望
细胞内线粒体转移是IS后一种重要的内源性保护机制，但也可能参与损伤的传播。靶向增强健康的线粒体转移（如从星形胶质细胞到神经元，从周细胞到星形胶质细胞）或阻止受损线粒体的释放（如从A1型星形胶质细胞或M1型小胶质细胞），具有巨大的治疗潜力。外源性干细胞（如MSCs）的线粒体移植，通过多种机制向神经元、内皮细胞和胶质细胞提供功能性线粒体，展现出作为IS新型治疗策略的前景。然而，该领域仍面临挑战，如转移的线粒体是否以及如何整合到宿主线粒体网络、其作用的精确分子机制、线粒体移植可能的免疫原性等，都需要未来进一步研究加以阐明。
