线粒体移植再发NC：液液相分离用于高效线粒体移植治疗心肌缺血

线粒体功能障碍是心肌缺血-再灌注损伤的主要诱因，并限制血流恢复后的心脏修复。虽然线粒体移植可能有助于恢复细胞能量代谢，但其治疗获益因细胞外钙离子诱导的线粒体损伤而降低。在这里，我们展示了一种由明胶和PEG组成的热敏相分离水凝胶，可以浓缩、保护和递送新鲜分离的线粒体。与传统的单相水凝胶相比，该系统在生理温度下仍保持可注射性，并能在移植后实现快速线粒体释放。此外，相分离结构通过空间限域和明胶对钙离子的螯合作用，改善了线粒体堆积并保持了其活性。在体外，浓缩的线粒体显示出更好的膜电位和ATP产生能力。在体内，移植的线粒体被心肌细胞高效内化，从而改善心肌缺血-再灌注后的心脏功能并减轻组织损伤。这些发现表明，相分离水凝胶是一个有前景的线粒体移植平台。

心血管疾病仍然是全球死亡的主要原因，其中缺血性心肌病是最严重和危及生命的临床表现。虽然药物溶栓和经皮冠状动脉介入治疗是挽救缺血心肌的必要手段，但缺血后血液的突然再灌注会引发一系列损伤过程，可能导致进一步的坏死。在心肌缺血-再灌注损伤过程中，病理性Ca²⁺内流导致钙超载和活性氧产生增加，继而诱导线粒体通透性转换孔开放，最终导致线粒体损伤。鉴于线粒体是氧化磷酸化和ATP合成的主要场所，线粒体功能障碍导致细胞能量代谢水平下降。这种损伤损害细胞能量、破坏兴奋-收缩耦联并促进不良心脏重塑，最终导致心力衰竭的发生和进展。

目前针对MIRI的标准药物治疗主要包括血管紧张素转换酶抑制剂、β受体阻滞剂、血管紧张素II受体拮抗剂和他汀类药物。这些药物主要通过降低心脏负荷、心肌耗氧量和总体心肌能量需求来减轻不良心室重塑，从而发挥心脏保护作用。尽管冠状动脉再灌注策略和临床管理不断优化，但I/R后心力衰竭的死亡率和发病率仍然居高不下。这些疗法的一个基本局限性在于它们无法解决衰竭心肌的潜在能量 deficit，使其基本无法治愈。线粒体移植疗法最近已成为一种恢复受损组织生物能量功能的创新方法。在该策略中，有活性的外源性线粒体被引入受损组织，被受体细胞内化并整合到内源性线粒体网络中。移植的线粒体已被证明可以恢复ATP产生、调节线粒体动力学、增强线粒体自噬和自噬，并调节受体细胞的代谢和炎症状态。这些获益已在心肌梗死临床前模型和难治性心源性休克儿科患者中得到验证。此外，开发在移植过程中保护线粒体的策略已成为一个关键研究焦点。最近，一些研究探索了基于单相水凝胶的递送系统以提高移植过程中线粒体的存活率，包括热敏F127水凝胶、海藻酸基水凝胶和HA-MC水凝胶。

然而，尽管MTT具有广阔的前景，仍然存在几个转化障碍。一个关键的限制是分离的线粒体在细胞外空间中的脆弱性，特别是在模拟体内环境的条件下。细胞外液含有约1.8 mmol/L Ca²⁺，这一浓度远超生理细胞内范围。这种高钙浓度诱导线粒体肿胀、膜电位丧失和酶失活，显著降低移植线粒体的活力和治疗功效。即使当线粒体被封装在单相水凝胶中时，其均匀分布和水凝胶的大孔径允许无限制的Ca²⁺交换，这仍然可能导致线粒体损伤。因此，在递送过程中保持线粒体活性并确保其功能整合到受体细胞中仍然是主要挑战。

为了解决这个问题，我们通过液-液相分离开发了一种在线热敏水凝胶亚隔室内的线粒体凝聚系统。将聚乙二醇、明胶和新鲜分离的线粒体简单混合，诱导LLPS形成多隔室水凝胶，其中线粒体被浓缩在球状PEG相中。作为连续相的明胶赋予LLPS水凝胶热敏性。此外，我们发现LLPS显著改变了水凝胶的溶胶-凝胶转变行为，特别地将溶胶-凝胶转变温度提高到体温（37°C）以上。值得注意的是，位于PEG微域内的线粒体凝聚物增加了线粒体堆积密度，并通过限域效应和线粒体拥挤效应提高了线粒体活性。此外，明胶连续相通过明胶羧基与Ca²⁺的螯合作用，提供了一个保护性微环境，抵抗Ca²⁺扩散到PEG微域内的线粒体凝聚物中。这种对Ca²⁺的空间缓冲能力减轻了Ca²⁺诱导的线粒体损伤，通过保持线粒体膜电位和ATP产生能力得到证实。此外，细胞和动物研究均表明，与基于单相水凝胶的线粒体移植相比，含有浓缩线粒体的LLPS水凝胶向缺血心肌递送更多功能活跃的线粒体，并增强了MTT疗效。更多活跃的线粒体上调线粒体融合蛋白MFN1，增强有氧呼吸，同时抑制无氧途径，从而显著改善心肌细胞的整体能量代谢，以满足MIRI后增加的能量需求。因此，通过保持线粒体活性、增强生物活性并实现向缺血心肌的控制递送，Mito/LLPS水凝胶有效克服了传统基于单相水凝胶的MTT策略的关键局限性。该策略代表了将线粒体移植有效临床转化用于治疗MIRI的重要进展。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-71765-6