缺血性心臟病 (IHD) 是全球第一大死亡原因。該病的特征是心肌細胞線粒體功能障礙，從而導致能量代謝紊亂。目前，慢性 IHD（包括無癥狀性心肌缺血等輕度疾?。┑闹委熯x擇包括長期口服藥物（例如 β 受體阻滯劑 (BB)）。急性 IHD（例如心肌梗死）的推薦治療通常是手術（例如再灌注），但這可能會導致額外的損傷（例如缺血再灌注損傷 (IRI)），因此許多此類患者在手術后仍需要長期甚至終生服藥。不幸的是，這些臨床治療都無法恢復心臟的正常能量供應并阻止其持續惡化，而只能緩解惡化。線粒體移植被認為是治療缺血性心臟病的一種更有效的方法，因為移植的線粒體有望與心肌細胞中受損的線粒體融合，提供完整的呼吸鏈蛋白和關鍵的DNA序列，從而阻止心臟惡化。然而，將線粒體移植到心臟的研究仍處于早期階段。自2009年首次報道線粒體移植技術治療兔缺血性心臟以來，僅進行了約11項動物研究和2項臨床研究，其中大部分依賴于開胸手術（例如心肌內注射）或介入手術（例如冠狀動脈內注射）。移植方法的高侵入性以及在病理環境中維持供體線粒體活性的難度是限制該技術發展的關鍵因素。因此，開發一種微創方式移植高活性線粒體是一個重要但極具挑戰性的目標。
鑒于缺血性心臟病患者長期、頻繁的用藥需求，微創靜脈給藥和非侵入性口服給藥被認為是首選的治療方法。在兩種給藥途徑達到相似治療效果的情況下，口服給藥被認為是更優的。
成果簡介
近日，南京師范大學萬密密、毛春和南京鼓樓醫院周敏等人開發了一種通過口服途徑移植線粒體的非侵入性方法。
首先，制備了納米馬達化線粒體（NM/Mito），使其釋放一氧化氮（NO）并表現出趨化性到表達高水平誘導型一氧化氮合酶（iNOS）和活性氧（ROS）的心臟損傷部位。隨后，研究人員將心肌細胞膜（CM）片段不對稱地添加到NM/Mito表面以生成CM/NM/Mito，然后將其裝入pH響應的腸溶膠囊中以生成CM/NM/Mito@Cap（主體貨物模塊，CM/NM/Mito；尾部動力模塊，碳酸氫鈉和檸檬酸）用于口服給藥。CM/NM/Mito@Cap被設計成在胃酸存在下也能保持完整，并溶解在腸道中。膠囊動力模塊中碳酸氫鈉和檸檬酸的快速反應旨在產生大量的二氧化碳，為突破腸道黏液屏障提供額外動力。CM成分可以促進腸上皮細胞快速內吞線粒體，隨后外排到血液中。隨后，進入血液循環的CM/NM/Mito在NM成分的趨化作用下運送到心臟受損部位，并在那里被牢固地滯留在受損的心肌細胞中。腸上皮細胞對CM/NM/Mito的選擇性外排和受損心肌細胞對CM/NM/Mito的高滯留是這一過程兩個至關重要但又高度復雜的方面。同時，CM/NM/Mito在趨化過程中會消耗ROS并生成NO，調節疾病微環境，從而促進移植的線粒體充分發揮重建能量代謝的功能。
CM/NM/Mito的生物學和趨化特性
人類臍帶間充質干細胞 (huMSCs) 被用于分離線粒體，并成功提取和表征了線粒體。研究人員合成了 L-精氨酸衍生物甲基丙烯酸酯 (M-Arg) 和 ROS 響應性二硒化物交聯劑來修飾線粒體，從而產生 NM/Mito。然后使用 CM 進一步修飾 NM/Mito，創建 CM/NM/Mito，它保留了線粒體功能并獲得了 ROS 消耗和 NO 生成能力，這對受損的心肌細胞特別有益。
氧化應激以高 ROS 和 iNOS 水平為特征，是缺血性心臟病 (IHD) 的一個關鍵特征。CM/NM/Mito被發現能夠主動感知這些高水平并趨化地向它們移動，如 Y 通道設備和 Ψ 型微流控芯片所示。這種趨化行為對于靶向 IHD 病變部位至關重要，表明 CM/NM/Mito 在 IHD 治療應用中具有潛力。
圖|CM/NM/Mito的示意圖和表征以及口服給藥系統CM/NM/Mito@Cap的工作流程
CM/NM/Mito的細胞攝取和選擇性胞吐作用
利用人臍帶間充質干細胞成功制備了CM/NM/Mito復合體，該復合體通過Cx43介導的間隙連接通道（GJCs）促進了與正常腸上皮細胞和受損心肌細胞的粘附和攝取。正常腸上皮細胞高效攝取CM/NM/Mito后，Ca2+水平顯著增加，觸發線粒體外泌；而受損心肌細胞攝取后，由于iNOS和ROS水平升高，CM/NM/Mito釋放NO，降低Ca2+水平，抑制外泌。CM/NM/Mito能夠調節細胞Ca2+水平，促進腸上皮細胞的快速外泌和受損心肌細胞的有效保留。此外，CM/NM/Mito與心肌細胞線粒體共定位，融合并促進能量代謝功能恢復，恢復受損心肌細胞的ATP供應和Ca2+瞬變，顯示出治療受損心肌細胞的潛力。
圖|CM/NM/Mito的細胞攝取、選擇性胞吐和治療效果
CM/NM/Mito跨越生理障礙的能力
研究人員開發了一種腸溶膠囊封裝的CM/NM/Mito@Cap，以保護其在口服過程中不受胃酸破壞，并在腸道中釋放。膠囊在模擬胃酸環境和腸道中均表現出保護效果，并能在翻轉腸囊模型和跨細胞屏障模型中促進CM/NM/Mito穿過黏液屏障進入黏膜組織。
體外實驗和藥代動力學分析證實，CM/NM/Mito@Cap中的CM/NM/Mito能被腸上皮細胞吸收，并在腸系膜微血管中檢測到其熒光，表明其可進入血流。在急性和慢性缺血性心臟病模型中，口服CM/NM/Mito@Cap的大鼠心臟受損區域熒光隨時間增加，心臟組織中的CM/NM/Mito含量顯著高于其他對照組。口服CM/NM/Mito的心臟傳遞效率可達靜脈注射的35.5%，而無趨化能力的CM/Mito心臟傳遞效率僅為1.7%。此外，CM/NM/Mito在肝臟和腎臟中也有檢測到，但在心臟組織中主要集中于受損心肌區域，并能被受損心肌細胞有效保留。
圖|CM/NM/Mito跨越多種生理屏障并靶向缺血性心臟的特征
體內治療效果和多組學分析
在體內實驗中，CM/NM/Mito展現出良好的短期生物相容性。通過比較靜脈注射和口服CM/NM/Mito@Cap對急性IHD大鼠的治療效果，發現雖然靜脈注射能迅速提供心臟保護，但適當增加口服劑量和頻率也能實現相似的療效。在慢性IHD模型中，口服CM/NM/Mito@Cap能顯著改善心臟功能，降低心臟纖維化，提高血管密度，且治療效果與靜脈注射相當。此外，CM/NM/Mito心內注射在恢復線粒體功能方面優于未修飾的線粒體。這些結果表明，口服CM/NM/Mito@Cap為慢性IHD提供了一種方便、非侵入性、長期有效的心臟保護策略，且具有良好的長期生物相容性。
圖|CM/NM/Mito@Cap對IHD的體內治療效果
研究人員通過轉錄組測序分析了CM/NM/Mito@Cap治療對急性IHD大鼠心臟組織的影響。結果顯示，治療與血管生成關鍵基因的上調和中性粒細胞趨化相關基因的下調有關，表明可能減少心臟炎癥。KEGG通路分析顯示，治療組心臟肌肉收縮等有益通路上調。非靶向代謝組分析揭示CM/NM/Mito@Cap治療改善了細胞脂質、能量和葡萄糖代謝，促進了細胞代謝功能的恢復。透射電子顯微鏡（TEM）分析顯示，治療減少了心肌細胞中線粒體的腫脹、破裂和嵴丟失。這些結果表明CM/NM/Mito@Cap治療對急性IHD具有潛在的治療作用。
圖|CM/NM/Mito@Cap對急性IHD影響的心臟多組學分析
研究人員對慢性IHD大鼠模型心臟組織進行了轉錄組測序，發現CM/NM/Mito治療能顯著上調與線粒體結構和功能、三羧酸循環及心肌收縮相關的基因。同時，治療降低了與缺氧反應、傷口愈合和細胞外基質相關的基因表達。KEGG分析顯示，口服CM/NM/Mito@Cap能激活心肌收縮和細胞代謝相關通路，并增強心肌細胞的腎上腺素信號。qRT-PCR驗證了多組學分析結果。綜上，CM/NM/Mito@Cap口服治療通過重建心臟能量代謝和減輕心肌纖維化，在轉錄水平對慢性IHD發揮療效。
圖|CM/NM/Mito@Cap對慢性IHD影響的心臟轉錄組學分析
小結：
研究人員合成了納米馬達化線粒體，并驗證了它們在通過口服給藥介導線粒體移植治療缺血性心臟病中的實用性。納米馬達的改造不僅有效地維持了輸送過程中線粒體的活性，而且還使它們能夠通過趨化作用導航到受損的心臟組織，使其達到高水平的iNOS/ROS表達。特別是，納米馬達化線粒體迅速穿過腸道屏障，并通過調節不同狀態下的細胞內Ca2+水平被受損的心肌細胞有效保留。包裝在腸溶膠囊中并口服的納米馬達化線粒體的心臟靶向效率可以從1%（未改造的線粒體）提高到7.9%（每克心臟組織的口服劑量百分比）?？诜{米馬達化線粒體不僅顯著恢復了缺血性心臟病大鼠模型的心臟功能，而且在停藥后2周內心臟功能仍維持在這個水平。此外，轉錄組學和代謝組學分析表明，口服CM/NM/Mito@Cap 可完全恢復急性和慢性 IHD 模型中的心肌細胞線粒體功能，改善整體細胞脂質、葡萄糖和能量代謝，并顯著增強心肌細胞的收縮能力。這種非侵入性線粒體移植策略對于阻止而非簡單地延緩需要長期服藥的慢性 IHD 患者的病情惡化具有重要意義。
參考文獻：
Wu, Z., Chen, L., Guo, W. et al. Oral mitochondrial transplantation using nanomotors to treat ischaemic heart disease. Nat. Nanotechnol. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01681-7
