综述：通过生物材料介导的线粒体调控来工程化巨噬细胞：机制与策略

《Research》：Engineering Macrophage via Biomaterial-Mediated Mitochondrial Regulation: Mechanisms and Strategies

线粒体靶向调控巨噬体命运是治疗炎症相关疾病的新策略，通过恢复线粒体稳态（质量控制、代谢重编程、ROS平衡、离子稳态及mtDNA调控）可改变巨噬体极化状态。研究系统分类了间接（如影响线粒体动力学）和直接（如小分子、肽类、纳米载体）干预策略，发现代谢重编程（如激活PGC-1α通路）和精准纳米递送（如靶向线粒体的MPPs、DLCs）能有效诱导M2极化。挑战包括单细胞调控、跨膜靶向效率及临床转化瓶颈，未来需结合AI设计（如结构-毒性预测）和仿生载体（如工程化细菌/植物提取物）实现多模态调控。

　　在现代医学研究中，调控线粒体已成为调控巨噬细胞命运的重要手段。线粒体不仅是细胞能量生成的核心，还在免疫细胞的分化和激活过程中发挥着关键作用。巨噬细胞作为先天免疫的重要效应细胞，能够通过代谢重编程和表型极化来适应微环境的变化，这些过程的根本调控机制在于线粒体的稳态维持。近年来，线粒体靶向策略作为一种精准干预手段，相较于传统的治疗方式展现出独特的时空优势。这类策略不仅能够引导巨噬细胞向抗炎表型分化，还能同步调控免疫微环境，为炎症相关疾病的精准医学治疗带来了突破性的进展。

### 线粒体：巨噬细胞命运调控的关键调节器

线粒体作为细胞内的重要细胞器，其结构和功能的动态变化直接关系到巨噬细胞的分化和功能调控。线粒体由双层膜构成，外膜和内膜将线粒体划分为不同的功能区域。这些膜结构通过选择性渗透和主动运输机制调控离子和分子的交换。线粒体不仅参与能量代谢，还在质量控制、反应性氧物种（ROS）生成、离子稳态和线粒体-内质网（ER）互作等方面发挥关键作用。线粒体的半自主性特征使其拥有自身的基因组（mtDNA），该基因组主要编码线粒体电子传递链（ETC）的组分，同时也在调控巨噬细胞免疫反应中起重要作用。例如，在应激状态下，释放到细胞质中的mtDNA可以作为损伤相关分子模式（DAMP），激活cGAS-STING和NLRP3炎性小体等炎症通路。因此，针对线粒体通路的调控具有广阔的治疗潜力，可用于调节巨噬细胞的极化、功能可塑性和生存能力。

### 线粒体质量控制：巨噬细胞表型转变的基础

线粒体质量控制机制是维持线粒体稳态的重要环节，其包括三个紧密关联的过程：识别不可逆损伤的线粒体、通过选择性自噬（mitophagy）清除这些线粒体，以及通过线粒体生物合成（mitochondrial biogenesis）进行线粒体的补充。这一过程的紊乱不仅影响能量代谢，还可能引发一系列细胞病理变化，包括钙离子（Ca2?）稳态失衡、血红素合成失调、过量ROS导致的氧化应激，以及内在凋亡通路的激活。线粒体自噬在巨噬细胞的表型转变中扮演着至关重要的角色。在M1极化过程中，激活的线粒体自噬可以清除受损线粒体，从而支持促炎性糖酵解。这一清除机制确保了糖酵解酶的最优表达，并维持细胞因子的产生，如果线粒体自噬功能受损，则会导致炎症反应的抑制。值得注意的是，高血糖环境会干扰线粒体清除机制，同时又异常增强M1极化，这表明线粒体自噬的免疫代谢调控具有葡萄糖浓度依赖性。

### 线粒体生物合成：巨噬细胞表型极化的免疫代谢调节器

线粒体生物合成是细胞通过协调扩展线粒体网络来增强细胞能量储备的关键过程，它作为线粒体自噬的对立面，通过动态整合炎症信号和线粒体再生来维持线粒体稳态。线粒体生物合成的启动依赖于多种代谢传感器，包括AMPK、SIRT1和mTOR，这些传感器能够整合细胞内能量状态（如ATP/ADP比值、NAD?/NADH水平）与细胞外信号（如营养可用性和氧化应激）。这些调控机制最终汇聚于主要的转录共激活因子，尤其是过氧化物酶体增殖剂激活受体γ共激活因子（PGC-1）家族。PGC-1α作为核心调控因子，通过与核呼吸因子（Nrf1/2）协作激活线粒体DNA复制，同时协调与雌激素相关受体（ERRα/γ）的相互作用来增强氧化磷酸化（OXPHOS）复合体的表达，并通过与抗氧化转录因子（FOXO3、Nrf2）协同维持线粒体的氧化还原稳态。PGC-1α不仅能够激活代谢基因以支持β-氧化，还能抑制促炎性信号。这种双重功能使PGC-1α能够根据细胞的代谢需求和炎症水平动态调节线粒体数量。

### 线粒体代谢：巨噬细胞功能极化的决定因素

线粒体代谢在巨噬细胞功能极化中起着核心作用。线粒体通过三羧酸循环（TCA cycle）和电子传递链（ETC）进行协调的底物氧化，这一过程不仅产生大量ATP，还通过氧化还原反应与质子梯度驱动的ATP合成耦合。线粒体代谢不仅作为能量工厂，还通过代谢中间产物调控巨噬细胞极化。例如，TCA循环中的柠檬酸调控脂质合成，而琥珀酸和乙酰辅酶A（acetyl-CoA）则作为表观遗传修饰因子，影响巨噬细胞的极化状态。线粒体代谢的调控还涉及代谢物穿梭，如糖酵解中的丙酮酸进入线粒体转化为乙酰辅酶A，供进一步氧化。如果线粒体呼吸功能受损，细胞则会转向低效的糖酵解ATP生成，导致乳酸积累和NAD?池的耗竭，从而引发促炎性信号的放大。因此，线粒体代谢的调控成为巨噬细胞功能极化的重要调节器。

### 线粒体ROS：免疫代谢调控的双刃剑

线粒体生成的ROS包括超氧阴离子（O?•?）、过氧化氢（H?O?）和羟基自由基（•OH），它们在生理条件下既是重要的氧化还原信号分子，也可能导致大分子损伤。线粒体ROS在激活巨噬细胞的炎症反应中发挥着双重作用。一方面，它们可以激活MAPK/NF-κB通路，从而促进促炎性细胞因子如TNF-α、IL-6和COX-2的转录。另一方面，线粒体ROS可以稳定HIF-1α，从而促进糖酵解，减少TCA循环的通量，进一步推动促炎性M1极化。同时，线粒体ROS通过与NLRP3炎性小体的相互作用，促进IL-1β的成熟，从而加剧炎症反应。此外，线粒体ROS还能够激活STING依赖的IFN信号通路，从而调控巨噬细胞的炎症反应。这些ROS信号的调控不仅影响巨噬细胞的极化状态，还参与炎症的调控过程。

### 线粒体离子稳态：免疫功能调控的关键媒介

线粒体离子平衡是巨噬细胞功能编程中的重要机制，通过电压门控离子通道将细胞外信号转化为线粒体代谢响应。线粒体膜电位（Δψm）为带电分子的感知提供了生物物理平台，其中Ca2?作为主要的第二信使起着关键作用。Ca2?通过MCU介导的快速内流，连接细胞质Ca2?振荡与TCA循环的增强。这一Ca2?-代谢联系直接调控巨噬细胞的炎症极化。MCU的缺乏会削弱LPS诱导的它酸内酯（itaconate）生成，从而抑制NLRP3炎性小体的消解，导致炎症反应的持续。线粒体中的钠钾交换器（NCLX）则通过排除细胞质中的Ca2?，维持离子稳态，从而调控线粒体通透性转换孔（mPTP）的开启。Ca2?的积累可以诱导线粒体膜结构的重塑，影响电子传递链的完整性。同时，线粒体中的钠离子积累可以激活NHE1，促进质子外排，从而促进pH依赖的mtDNA释放，激活STING通路。这种Ca2?/Na?的双重离子调控机制不仅影响代谢灵活性，还决定了炎症信号的传递路径。

### mtDNA：免疫调控的基因调控中心

线粒体基因组不仅编码了电子传递链的关键组分，还在调控巨噬细胞免疫反应中起着重要作用。线粒体DNA的结构脆弱性源于其暴露于ROS、缺乏组蛋白保护以及复制过程中的错误倾向。这些特性使得线粒体DNA损伤可以直接破坏线粒体稳态。线粒体DNA的突变不仅影响氧化磷酸化复合体的组装，还会导致Δψm的崩溃，从而引发系统性的代谢紊乱。此外，线粒体DNA的病变还可以引发代谢紊乱，如骨骼肌中的局部mtDNA缺失不仅削弱了呼吸酶的功能，还促使线粒体增殖以补偿能量需求。此外，非致病性的线粒体DNA多态性也可以通过改变代谢物通量来产生表型多样性，从而影响衰老和疾病的发展轨迹。线粒体DNA的基因组脆弱性需要强大的监控系统来检测基因毒性应激。

### 间接调控策略：线粒体功能调控的创新路径

在间接调控线粒体功能的策略中，线粒体膜动态控制、自噬调控、生物合成促进以及代谢重编程是主要方向。这些策略通过影响线粒体的形态、质量、合成和代谢活动，间接调控巨噬细胞的极化和功能。例如，通过调控Drp1的活性，可以改变线粒体的分裂状态，从而影响其代谢活动。Mdivi-1作为一种细胞穿透性的小分子，通过抑制Drp1的活性，减少线粒体的碎片化，并通过降低mtROS的产生来抑制NLRP3炎性小体的激活，从而促进巨噬细胞向抗炎性M2表型转变。此外，一些天然化合物如黄酮类化合物也被用于调控线粒体的动态变化，以促进巨噬细胞向抗炎性表型转变。通过这些间接调控策略，可以实现线粒体功能的系统性改善。

### 直接调控策略：线粒体靶向治疗的前沿方向

直接调控线粒体功能的策略通常依赖于分子设计，通过共价连接线粒体靶向配体或利用天然的线粒体靶向分子，实现精准的线粒体定位。例如，TPP（三苯基膦）及其衍生物因其脂溶性和正电荷特性，可以有效进入线粒体。TPP修饰的纳米载体可以实现对线粒体的高效靶向，从而提高治疗效率。此外，一些合成纳米载体也展示了对线粒体靶向的潜力，如TPP修饰的纳米载体可以靶向线粒体，并通过调节ATP合成和ROS水平，促进巨噬细胞的极化转变。这些直接靶向策略的优势在于其高特异性，能够避免对其他细胞器的非特异性作用。

### 治疗策略的挑战与未来展望

尽管线粒体靶向治疗策略在实验室和动物模型中显示出良好的效果，但其在临床转化过程中仍面临诸多挑战。首先，这些策略通常依赖于特定的微环境条件，如ROS水平或葡萄糖浓度，这限制了其在不同病理状态下的适用性。其次，传统的方法往往需要复杂的合成和修饰过程，增加了成本和制备难度。此外，一些策略可能缺乏足够的线粒体特异性，导致对健康线粒体的误伤。因此，未来的研究需要更加精准地设计这些策略，以提高其在复杂病理环境中的适应性和安全性。

为了克服这些挑战，一些新兴技术正在被探索。例如，人工智能（AI）驱动的材料设计方法，如基于深度学习的材料合成和代谢网络建模，可以加速线粒体靶向治疗的开发，并提高其临床可行性。此外，合成生物学和纳米技术的结合也为线粒体靶向治疗提供了新的思路。通过构建具有环境响应特性的纳米材料，如双响应的硼硅酸盐玻璃支架，可以在特定的生理条件下释放治疗性分子，从而实现对线粒体功能的精准调控。这些策略不仅能够提高治疗效果，还能减少系统性副作用。

总之，线粒体调控策略的不断发展为炎症相关疾病的治疗提供了新的思路。通过精准调控线粒体的结构、代谢、ROS水平和离子稳态，可以有效改变巨噬细胞的极化状态，从而调节免疫反应和组织修复过程。尽管目前的策略仍面临诸多挑战，但随着技术的进步和多学科交叉研究的深入，线粒体靶向治疗有望成为未来精准医学的重要组成部分，为复杂疾病提供新的治疗手段。