外源线粒体移植可减轻碘酸钠诱导的小鼠模型中的氧化应激引起的视网膜退化

《Neurobiology of Aging》：Exogenous mitochondrial transplantation attenuates oxidative stress–driven retinal degeneration in a sodium iodate–induced mouse model

　　

李锡宰|卢成恩|金正勋

韩国首尔首尔大学医院眼科

摘要

年龄相关性黄斑变性（AMD）是一种由视网膜色素上皮（RPE）功能异常引发的退行性视网膜疾病。年龄相关的线粒体功能障碍、氧化应激、慢性炎症以及补体激活共同导致视网膜外层功能紊乱和RPE萎缩，最终引发中央视力逐渐丧失。越来越多的证据表明，线粒体异常，包括过量的活性氧生成、线粒体碎片化以及炎症信号传导，在AMD的发病机制中起着关键作用。

在本研究中，我们利用碘酸钠诱导的视网膜退化模型来探讨外源线粒体移植的治疗潜力，该模型可再现干性AMD的关键病理特征。在ARPE-19细胞中，碘酸钠诱导的氧化应激会引发线粒体碎片化、炎性小体激活以及紧密连接破坏，而使用从骨髓来源的间充质干细胞中分离出的线粒体则可通过抑制氧化和炎症信号传导，减轻线粒体功能障碍并维持RPE屏障的完整性。

与这些体外研究结果一致，在经碘酸钠处理的小鼠中进行玻璃体内线粒体移植后，可减轻RPE细胞的脱落/迁移以及外核层的结构紊乱，同时还能抑制视网膜的氧化应激、炎症细胞因子的表达以及补体激活。重要的是，通过电生理视网膜图和视动眼反射测试评估，线粒体移植虽未能完全恢复细胞的正常功能，但确实缓解了视网膜功能的下降。

总体而言，这些结果支持将外源线粒体移植作为一种有前景的无细胞治疗策略，通过调节AMD中的线粒体功能障碍及相关炎症通路，从而减轻由氧化应激引发的视网膜退化。

引言

年龄相关性黄斑变性（AMD）是一种复杂的、进行性的视网膜疾病，衰老、环境因素以及遗传易感性共同作用，导致慢性炎症、脂质沉积、氧化应激以及细胞外基质功能紊乱。这些病理过程最终会导致视网膜色素上皮（RPE）的退行性变化，进而造成感光细胞的结构和功能损伤（Fleckenstein等人，2021年）。

越来越多的证据表明，线粒体功能障碍和慢性氧化应激在RPE退化中起着核心作用。多项研究，包括对AMD患者RPE的尸检分析，都发现RPE细胞的线粒体在结构和功能上存在异常，表现为嵴结构破坏、呼吸酶表达异常、三磷酸腺苷生成减少以及线粒体DNA损伤增加（Brown等人，2019年；Fisher和Ferrington，2018年；He等人，2010年；Kaarniranta等人，2020年；Sreekumar和Kannan，2020年；Tong等人，2022年）。RPE中的这些线粒体异常与炎症反应及补体激活密切相关，进一步表明线粒体功能障碍是AMD发病的重要驱动因素（Buonfiglio等人，2024年；Kaarniranta等人，2020年；Liao等人，2019年；Shang等人，2024年）。因此，那些能够减轻线粒体氧化应激并阻断炎症及补体级联反应的治疗策略，具有显著潜力可以延缓或阻止AMD的进展。

为此，人们已经探索了多种针对线粒体的稳定剂，包括线粒体靶向四肽（Allingham等人，2022年）、整合素拮抗剂（Boyer等人，2021年）、线粒体来源的肽类（Nashine等人，2017年；Sreekumar等人，2016年）、过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α增强剂（Nashine等人，2019年）以及促进自噬的药物（Go等人，2020年；Huang等人，2019年；Xu等人，2018年；Zhao等人，2020年），试图弥补AMD患者中功能异常的线粒体。然而，这些药物手段无法直接恢复丢失的线粒体数量，也无法完全恢复患病细胞中的生物能量能力，尤其是在那些线粒体功能障碍极为严重的RPE细胞中。因此，外源线粒体移植作为一种替代策略应运而生，它有望为受损的视网膜组织补充功能性线粒体并恢复其线粒体稳态。例如，有研究显示，在体外条件下，将分离出的线粒体输送到视网膜神经节细胞中，可提升细胞在氧化应激环境下的存活率（Aharoni-Simon等人，2022年）；而在体内实验中，线粒体转移则在眼部缺血模型（Nascimento-Dos-Santos等人，2020年；Wu等人，2022年）以及角膜碱烧伤模型（Jiang等人，2025年）中表现出保护作用。此外，我们的团队也在积极探索线粒体移植作为治疗视网膜退行性疾病的策略，并已证明，将来自骨髓来源的间充质干细胞的分离出的外源线粒体移植到因AMD中的老年斑成分——寡聚β-淀粉样蛋白而受到损伤的RPE细胞及组织中，能够有效减轻线粒体功能障碍并防止紧密连接的破坏（Noh等人，2024年；Noh等人，2023年）。基于这些研究成果，我们进一步利用碘酸钠诱导的视网膜退化小鼠模型来研究线粒体移植的效果，该模型可诱发RPE的氧化损伤、炎症反应以及随后的感光细胞退化，从而再现干性AMD的病理特征。

章节节选

细胞培养与试剂

人类成人视网膜色素上皮细胞系-19（ARPE-19）细胞（编号#CRL-2302，ATCC）购自美国典型培养物保藏中心。这些细胞通常在Dulbecco改良Eagle培养基/营养混合物F-12（DMEM/F-12；Welgene公司）中培养。骨髓来源的间充质干细胞（BM-MSCs）由韩国原州延世大学的K.S. Park博士提供，这些细胞在低葡萄糖含量的DMEM培养基中培养。所有培养基中均添加了10%的胎牛血清（FBS；Gibco，Thermo公司）。

碘酸钠诱导氧化应激导致的线粒体功能障碍、炎性小体激活以及RPE细胞紧密连接的破坏

为了确定用于模拟RPE细胞氧化损伤的合适碘酸钠浓度，我们将ARPE-19细胞暴露在10–100毫摩尔的碘酸钠环境中1–24小时，然后通过相位对比显微镜对细胞的形态变化进行定性分析。在100毫摩尔的碘酸钠浓度下，1小时内就观察到了明显的细胞收缩和脱落现象，2小时后大多数细胞都已从培养表面脱落。而用10毫摩尔碘酸钠处理的细胞在24小时的暴露期间并未出现大规模的细胞死亡，不过

讨论

在本研究中，我们证明了直接移植外源线粒体能够有效保护细胞免受化学因素诱导的视网膜退化，这一结果表明，线粒体移植作为一种针对线粒体的、可改变疾病进程的策略，对于治疗由氧化应激引发的视网膜疾病，如AMD，具有潜在价值。在碘酸钠诱导的视网膜退化模型中，线粒体移植通过维持RPE的结构完整性——减轻RPE细胞的脱落——发挥了多方面的保护作用。

作者贡献

金正勋参与了研究的构思与设计。卢成恩负责体外实验，李锡宰负责体内实验。李锡宰和卢成恩共同参与了数据分析、结果解读以及论文的撰写工作。金正勋对论文进行了细致的修改。所有作者都阅读并认可了最终版本的论文。

资金支持

本研究得到了首尔大学医院研究基金（18-2023-0010）、韩国国家研究基金会（NRF）的资助（项目编号分别为2022M3A9E4017127、RS-2023-00260351、RS-2024-00467177，资助对象为金正勋），以及韩国政府所属的国家科学技术研究院（NST）的资助（项目编号GTL25021-000，资助对象为金正勋）。

CRediT作者贡献说明

卢成恩：论文撰写——初稿撰写、方法学部分、实验研究部分。李锡宰：论文撰写——初稿撰写、实验研究部分。金正勋：论文撰写——审阅与编辑、研究监督、项目管理、资金申请、研究构思。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。