《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Mesenchymal Stem Cell-Derived Exosomes Mitigate Myocardial Ischemia-Reperfusion Injury by Inhibiting Ferroptosis via the AMPK/FOXO3 Signaling Pathway
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邱子雄|韩冰洁|张建凯|曹一芳|匡慈英|蔡伟标|付永林|陈文杰|刘璐|江梅|崔晓军
中国广东省东莞市广东医科大学基础医学院人体解剖学系干细胞与再生组织工程重点实验室，邮编523808
摘要
心肌缺血再灌注损伤（MIRI）由于复杂的病理机制，仍然是急性心肌梗死管理中的关键挑战。
邱子雄|韩冰洁|张建凯|曹一芳|匡慈英|蔡伟标|付永林|陈文杰|刘璐|江梅|崔晓军
中国广东省东莞市广东医科大学基础医学院人体解剖学系干细胞与再生组织工程重点实验室，邮编523808
摘要
心肌缺血再灌注损伤（MIRI）由于复杂的病理机制，仍然是急性心肌梗死管理中的关键挑战。铁死亡（Ferroptosis）是一种新近发现的程序性细胞死亡形式，与MIRI密切相关。间充质干细胞衍生的外泌体（MSC-Exo）因其独特的生物特性和低免疫原性，成为抑制铁死亡的有希望的治疗剂。本研究通过激活AMPK/FOXO3信号通路来探索MSC-Exo在缓解MIRI中的保护作用及其潜在的分子机制。通过超速离心法分离MSC-Exo，并利用透射电子显微镜和Western blot分析验证了其形态和分子标记物的表达。结果表明，PKH26标记的MSC-Exo能够被AC16心肌细胞有效内化，证实了其与心肌细胞的功能性相互作用。在缺氧/再氧化（H/R）模型中，MSC-Exo预处理显著降低了与铁死亡相关的标志物（包括活性氧（ROS）、丙二醛（MDA）和长链酰基辅酶A合成酶4（ACSL4）的水平），同时上调了抗氧化因子（如谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）和谷胱甘肽（GSH）。使用AMPK抑制剂Compound C进行的实验进一步证明，MSC-ExO的抗铁死亡效应是通过AMPK/FOXO3信号通路介导的。通过冠状动脉阻塞-再灌注的小鼠模型进行的体内研究证实了MSC-Exo的心脏保护作用，表现为ST段抬高的改善、心肌纤维化的减少以及血清中心肌生物标志物CK-MB和心肌肌钙蛋白I（cTnI）水平的下降。总体而言，这些发现表明MSC-Exo通过激活AMPK/FOXO3通路抑制铁死亡，从而发挥显著的心脏保护作用，为MIRI的管理提供了新的治疗策略。
引言
急性心肌梗死（AMI）是全球心血管死亡的主要原因之一[1] [2]。这种情况通常由冠状动脉的急性狭窄或阻塞引起，导致心肌缺血和随后的坏死[3]。再灌注疗法，如经皮冠状动脉介入治疗（PCI）和冠状动脉旁路移植（CABG），可以有效恢复心肌血流并减少梗死面积[4] [5]。然而，尽管有这些进步，急性ST段抬高型心肌梗死（STEMI）患者的短期死亡率仍然较高[6]。这一持续存在的挑战主要归因于心肌缺血再灌注损伤（MIRI），即在再灌注过程中加剧心肌损伤并损害心脏功能[7]。因此，迫切需要创新的治疗方法来应对MIRI。
近年来，干细胞移植作为一种修复MIRI影响心肌的有希望的策略而受到关注[8] [9]。干细胞通过分化为心肌细胞以及释放外泌体和生长因子来促进血管生成和组织再生[10]。外泌体是一种纳米级 vesicles，携带RNA、蛋白质和脂质，通过特定受体与细胞膜相互作用，激活调节细胞功能的信号级联反应[11] [12]。与直接干细胞移植相比，基于外泌体的疗法具有明显的优势，包括降低免疫排斥和肿瘤发生的风险，使其成为一种极具可行性的治疗方法[13]。
越来越多的证据表明，外泌体在通过调节免疫反应、炎症、凋亡和血管生成来减轻MIRI方面发挥着多方面的作用[14] [15]。例如，富含miR-125a-5p的间充质干细胞衍生的外泌体（MSC-Exo）可以增强M2巨噬细胞的积累，同时抑制成纤维细胞的增殖，从而抑制炎症反应[16]。类似地，含有miR-143-3p的MSC-Exo通过抑制自噬和凋亡来改善心脏功能[17]。此外，外泌体还能调节能量代谢和糖酵解，维持细胞能量平衡，进一步增强了其治疗潜力[18]。
铁死亡是一种依赖铁的程序性细胞死亡形式，其特征是脂质过氧化物的积累和铁代谢紊乱，已成为心血管研究中的关键焦点[19] [20]。在MIRI背景下，铁死亡通过铁过载和脂质过氧化等机制加剧心肌损伤[21] [22]。因此，针对铁死亡相关通路的研究被提出作为新的治疗途径。包括铁螯合剂、抗氧化剂和铁死亡分子调节剂在内的干预措施，在改善MIRI方面显示出潜力[23] [24] [25]。
AMPK/FOXO3信号通路在心血管疾病中起着重要的保护作用。AMPK是一种关键的细胞能量传感器，在能量不足的情况下被激活以恢复代谢平衡[26]。作为AMPK的下游靶点，FOXO3通过调节与抗氧化剂、凋亡和自噬相关的基因来控制应激适应和修复[27]。具体而言，AMPK可以磷酸化FOXO3，促进其向核内转运，并激活参与抗氧化防御的目标基因（如GPX4）的转录[28]。这种激活机制直接通过增强细胞减少脂质过氧化物的能力来对抗铁死亡[29]。在MIRI中，AMPK/FOXO3通路的激活不仅调整了能量代谢，还通过抗氧化和自噬机制减轻氧化应激和铁死亡，从而提供心脏保护[30] [31] [32]。
本研究旨在阐明MSC-Exo通过AMPK/FOXO3信号通路抑制心肌铁死亡并缓解MIRI的分子机制。通过包括外泌体分离和功能验证、体外模型构建、体内动物实验以及靶向通路分析在内的综合实验框架，我们系统评估了MSC-Exo抑制铁死亡和减轻MIRI的能力。通过阐明这些机制，本研究旨在为MIRI的治疗提供新的见解，并为心血管疾病的精准干预建立理论和实践基础。
章节摘录
H/R模型建立
将对数生长阶段的AC16细胞以2.5 × 105细胞/mL的密度接种到六孔板中。培养24小时后，用适当的药物处理细胞并继续培养24小时。随后向每个孔中加入500 μL不含葡萄糖和谷氨酰胺的RPMI1640基础培养基。然后将六孔板置于含有1% O2、94% N2和5% CO2气氛的三气体培养箱中培养6小时。通过更换培养基进行再氧化处理...
外泌体、铁死亡和MIRI的共同靶点和通路分析
利用GeneCards数据库，我们确定了332个与外泌体、铁死亡和MIRI相关的共同靶基因，并通过Venn图进行了可视化（图1A）。构建了一个蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络（图1B），显示出分层结构：核心层节点（度值>28）具有最高的连接性并发挥核心调节作用；中间层节点（度值在10到26之间）形成次级功能模块；外层节点...
讨论
本研究系统地探讨了MSC-Exo在MIRI中的保护作用及其潜在机制：MSC-Exo通过激活AMPK/FOXO3信号通路抑制铁死亡，从而缓解MIRI。这些发现为MSC-Exo在心血管疾病中的治疗潜力及其分子机制提供了新的见解。
结论
MSC-Exo通过激活AMPK/FOXO3信号通路抑制铁死亡，从而缓解MIRI。本研究为MSC-Exo在MIRI治疗中的临床应用提供了坚实的实验基础，并为通过AMPK/FOXO3调控靶向铁死亡提供了新的见解。未来专注于优化MSC-Exo的递送方式并确定其关键功能成分的研究将加速其在临床实践中的应用。
CRediT作者贡献声明
邱子雄：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，资金获取，数据分析，概念化。张建凯：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，资金获取，数据分析。韩冰洁：撰写 – 原稿，可视化，验证，软件使用，数据分析。付永林：软件使用。蔡伟标：方法学研究，实验设计。匡慈英：撰写 – 原稿，监督管理，资源协调。曹一芳：
资助
本研究得到了广东省普通高校特色创新项目（项目编号：2020KTSCX046）、新疆维吾尔自治区自然科学基金（项目编号：2023D01A61）以及喀什大学科研项目（项目编号：2024）2939的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
