Cell|巨噬細胞通過吞噬作用「全心呵護」心肌細胞線粒體穩態
2020-12-03 BioArt撰文 | 雪月
責編 | 兮
心肌細胞需滿足因心臟跳動帶來的高強度的機械應力和代謝需求。心肌細胞體積大，細胞器佔據了一大部分細胞體積，包括線粒體和肌原纖維節，以應對高強度的機械和代謝需求。這些需求對心肌細胞極具挑戰性。目前尚不清楚壽命長而且很少更新的心肌細胞如何維持自我穩態。
已有報導發現組織特異性巨噬細胞具有與免疫無關的特異性功能，這一特點在心臟中尤為突出。已發現駐留型巨噬細胞可預防纖維化、促進房室結電信號傳導、促進傷口癒合。巨噬細胞的主要功能是通過吞噬作用清除不需要的物質，其中包含有被「吐出」的功能障礙的細胞器碎片。這一現象在中樞神經系統有報導。在心臟中是否也存在這一機制有待研究。
近日，西班牙Carlos III國家心血管研究中心的Andrés Hidalgo和 JoséA. Enríquez 團隊合作在Cell上發表了題為A Network of Macrophages Supports Mitochondrial Homeostasis in the Heart的文章，闡述了一個巨噬細胞的「網絡」支撐了心臟線粒體的穩態。
首先作者檢測了心臟中巨噬細胞的分布情況。心臟駐留型巨噬細胞（cardiac-resident macrophages， cMacs）定義為CD45+ CD11b+ F4/80+，利用MHCⅡ和Ly6C表達情況，又分為三種亞型（如下圖）。
cMacs也可以利用三種報告基因小滑鼠記（CX3CR1GFP, Csf1rGFP, and LysMGFP），檢測GFP陽性細胞佔cMacs比例都超過80%（如下圖）。
利用CX3CR1GFP小鼠進行全心臟成像發現cMacs分布廣泛，每個心臟約3*105個細胞，在兩心室心肌周圍密度較高。利用基因嵌合（genetic mosaics）標記tdTtomato+心肌細胞和CX3CR1GFP小鼠進行高解析度成像發現平均每個心肌細胞周圍被5個cMacs圍繞，每個cMacs可以與5個心肌細胞相互作用。
在心臟中，只有cMacs表達CD169/Siglec1，作者利用CD169DTR小鼠清除心臟中的cMacs細胞。雖然其他組織中的巨噬細胞也被清除，但並未觀察到系統性炎症反應和組織損傷。蛋白組學分析發現，清除了cMacs的心臟蛋白組發生了明顯的變化，主要集中在參與線粒體生物能學、ROS和蛋白穩定的線粒體蛋白。儘管發生變化的蛋白大多為數量下降，但透射電鏡分析發現，清除了cMacs的心臟心肌細胞中線粒體數量卻明顯增加，ATP的產生則明顯降低。細胞優先利用葡萄糖產生能量，以彌補氧化磷酸化受損和ATP儲存降低。但是在同樣清除巨噬細胞的肝臟組織沒有觀察到這一現象。進一步分析發現，清除了cMacs之後，左心室舒展功能受損，心輸出量減少。這些實驗說明，cMacs對於線粒體維穩、蛋白穩定以及心臟泵血功能至關重要。
作者分離cMacs發現，細胞中含有體積較大的吞噬樣囊泡，表明其具有較為活躍的吞噬活性。為了確認其吞噬物質的來源，作者利用嵌合體方法構建了在不同細胞中表達紅色螢光蛋白的小鼠品系，包括循環白細胞、內皮細胞或者心肌細胞（簡稱為CardRED 小鼠）。檢測發現，在心臟處於穩態狀態下，cMacs細胞能夠吞噬循環細胞、心肌細胞來源的紅色螢光蛋白，內皮細胞來源的數量相對少一些。檢測CardRED小鼠心肌細胞來源的物質，發現大量的亞細胞結構（11.5 ± 1.3 /100 mm2）。作者將這些結構稱為cardiac exophers，直徑3.5 ± 0.1 mm。利用透射電鏡，作者發現在顆粒物中含有線粒體和肌原纖維節。
分離cardiac exophers，進一步分析發現其中的線粒體功能受損，並且不含DAPI陽性的核碎片。這表明健康心肌細胞中受損的線粒體以及其他物質通過exophers排出。利用流式細胞術檢測發現分離的大部分的exophers為LC3+。通過自噬誘導劑rapamycin處理和構建心肌細胞特異性敲除ATG7小鼠則進一步驗證了exopher形成以及線粒體轉運是通過自噬途徑。
線粒體以及mtDNA能夠激活炎症小體從而對造成心肌損傷。作者檢測cMacs去除的心臟發現炎症小體被激活，而炎症小體的激活反過來會抑制自噬。這可能解釋了為什麼在cMacs去除的心臟中exopher形成減少，用NLPR3抑制劑則能夠部分恢復exopher形成。接下來作者在心臟應激以及病理生理狀態下發現，這些狀態下通過exopher處理受損線粒體途徑得到增強。
作者利用流式細胞術發現，exopher表面定位有磷脂醯絲氨酸（phosphatidyl-serine PS）。PS是表達在凋亡細胞表面的「吃了我」信號，能夠被巨噬細胞表面多種吞噬受體識別，其中受體酪氨酸激酶Mertk可以在心臟巨噬細胞中激活。而在Mertk敲除小鼠中心肌細胞線粒體數量上升，ATP產生降低，心肌功能受損。這表明Mertk是識別exopher的相關受體，缺失Mertk會造成心臟線粒體功能紊亂，心臟代謝異常。
本研究建立了存在於心臟組織中組織穩態平衡的機制。心肌細胞周圍的駐留型巨噬細胞主動去除心肌細胞來源的線粒體以及其他物質，維持心肌細胞線粒體功能以及代謝平衡。這項研究表明，一些心臟功能障礙可能是由於駐留的免疫細胞所致，而不是心肌細胞功能缺陷，對於心臟病診治具有重要意義。
原文連結
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.031
製版人：十一
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