植物来源的线粒体通过重编程小胶质细胞线粒体能量代谢缓解衰老相关的神经退行性变

《Translational Neurodegeneration》：Plant-derived mitochondria mitigate aging-related neurodegeneration by reprogramming microglial mitochondrial energy metabolism

　　

背景：细胞间线粒体转移在健康和病理状态中均至关重要。补充健康线粒体正成为多种疾病有前景的治疗策略。含有线粒体的非免疫原性可食用植物为此类疗法提供了新的途径。方法：研究人员采用差速离心结合蔗糖梯度超速离心从几种常见可食用植物中分离线粒体（P-Mit）。利用线粒体膜电位染料和成像系统检查了P-Mit的分布，尤其是在脑中的分布。作为概念验证，通过亲和沉淀结合质谱法阐明了姜黄来源线粒体（T-Mit）被小胶质细胞摄取的分子相互作用。通过用不同三角形或球形金纳米颗粒标记，随后进行电子显微镜和能量色散X射线光谱分析，研究人员证明了T-Mit与动物线粒体在小胶质细胞中的物理融合。评估了超氧化物水平、ATP相关线粒体呼吸、糖酵解和电子传递链活性等线粒体功能，以确定T-Mit对衰老相关小胶质细胞功能障碍的影响。新一代小RNA测序揭示了T-Mit来源的小RNA调节小胶质细胞中NADH脱氢酶（ND）基因表达的潜在机制。结果：经口给予的T-Mit从肠道迁移至老年雄性小鼠的脑，在此处与小胶质细胞线粒体（M-Mit）融合，重编程M-Mit能量代谢并逆转衰老相关的认知功能障碍。具体而言，T-Mit通过吞噬受体TREM2被小胶质细胞摄取。随后，T-Mit以线粒体融合蛋白1（mitofusin 1）依赖的方式与M-Mit融合。然后，T-Mit的microRNA（Tae-miR319和Osa-miR166a-3p）整合到M-Mit中，抑制复合体I亚基ND4和ND5的表达。这种抑制减轻了复合体I处的逆转电子传递（RET），减少了活性氧（ROS）的产生并促进了ATP的生成，最终挽救了衰老相关的认知衰退。来自老年人类受试者的数据也显示小胶质细胞中RET过程过度激活和ROS过度产生，伴随低ATP水平。结论：研究人员的发现从根本上改变了我们对P-Mit调节哺乳动物线粒体生物学的理解，并可能催生基于P-Mit的转移疗法以预防或治疗人类线粒体疾病相关疾病。

**论文解读：植物线粒体通过重编程小胶质细胞能量代谢缓解衰老相关神经退行性变**

**1. 研究背景、问题与意义**

细胞间线粒体转移在维持细胞稳态和疾病发生发展中扮演关键角色。补充健康线粒体已成为治疗线粒体功能障碍相关疾病的新兴策略。然而，人类来源的线粒体转移疗法面临免疫原性、靶向性、规模化生产等挑战。可食用植物富含线粒体，且具有非免疫原性、口服给药等优势，为开发新型线粒体疗法提供了独特潜力。衰老过程中，小胶质细胞线粒体功能紊乱（如能量代谢失衡、活性氧（ROS）过度产生）是驱动神经炎症和认知衰退的关键因素。因此，探索植物线粒体能否通过调控小胶质细胞线粒体能量代谢来缓解衰老相关的神经退行性变具有重要意义。该研究发表于《Translational Neurodegeneration》。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员从姜黄、生姜、大蒜和芦荟中分离线粒体（P-Mit），采用差速离心和蔗糖梯度超速离心纯化。利用DiR染料标记和活体成像追踪P-Mit在小鼠体内的分布。通过亲和沉淀联合液相色谱-串联质谱（LC–MS/MS）鉴定介导小胶质细胞摄取姜黄线粒体（T-Mit）的膜蛋白受体TREM2（髓样细胞触发受体2）。采用三角形和球形金纳米颗粒分别标记T-Mit和哺乳动物线粒体，结合透射电镜（TEM）和能量色散X射线光谱（EDS）证明两种线粒体的物理融合。通过新一代小RNA测序鉴定T-Mit中富集的microRNA（miRNA）。人类脑组织样本来自淮安市第一人民医院和Biochip公司（上海），包括20例年轻男性（30.88±4.09岁）和20例老年男性（70.75±4.59岁）的脑组织。

**3. 研究结果**

**P-Mit以年龄依赖性方式从肠道迁移至脑**：口服给予DiR标记的T-Mit后，老年小鼠脑中荧光信号显著强于年轻和中年小鼠，且信号呈时间和剂量依赖性。血脑屏障（BBB）通透性随年龄增加而升高，紧密连接结构破坏，促进了P-Mit进入脑实质。胃液处理不影响T-Mit完整性。

**T-Mit挽救老年小鼠认知功能障碍**：经两个月口服T-Mit治疗，老年小鼠在Morris水迷宫、T-迷宫交替和新型物体识别测试中表现改善，海马神经元丢失减少，p16^INK4A（细胞衰老标志物）阳性神经元比例降低，脑脊液中ROS水平下降。

**T-Mit通过TREM2优先被小胶质细胞摄取**：免疫荧光和流式细胞术显示，T-Mit主要被CD11b⁺CD45^med小胶质细胞摄取（约81.5%），少量被星形胶质细胞摄取。敲除TREM2基因后，T-Mit的脑内分布和摄取显著减少。脂质组学分析结合表面等离子体共振（SPR）实验表明，T-Mit膜上的磷脂酰丝氨酸（PS）作为“eat me”信号与TREM2结合，而磷脂酰乙醇胺（PE）作为“do not eat me”信号抑制摄取。T-Mit治疗还促进小胶质细胞从促炎表型向抗炎表型转换。

**T-Mit通过MFN1与小胶质细胞线粒体融合形成杂交线粒体（TM-Mit）**：TEM、FACS和EDS分析证实，T-Mit标记的金三角形纳米颗粒与M-Mit标记的金球纳米颗粒共定位在同一线粒体内，表明物理融合。线粒体融合蛋白1（MFN1）敲除显著抑制融合效率，并消除T-Mit的行为学改善效果。

**TM-Mit重编程小胶质细胞线粒体能量代谢**：T-Mit治疗恢复了老年小鼠小胶质细胞的线粒体膜电位、ATP含量和氧消耗率，同时降低了线粒体ROS和超氧化物水平。生化分析显示，T-Mit降低了还原型辅酶Q（CoQH₂）与氧化型辅酶Q（CoQ）的比例，抑制了复合体I活性，从而减轻了逆转电子传递（RET）驱动的ROS生成，同时维持了正向电子传递（FET）的ATP产出。该效应依赖于MFN1介导的融合。

**T-Mit的miRNA Tae-miR319和Osa-miR166a-3p抑制ND4和ND5表达**：RNase处理消除T-Mit对复合体I活性的抑制作用。小RNA测序发现T-Mit富含Tae-miR319和Osa-miR166a-3p，分别靶向小鼠线粒体基因ND4（复合体I亚基4）和ND5（复合体I亚基5）的编码区。Western blot、qPCR和荧光素酶报告实验证实两者抑制ND4/ND5的mRNA和蛋白表达。口服包裹上述miRNA的纳米囊泡可重现T-Mit的线粒体调控和认知改善效果。此外，人类老年脑小胶质细胞中也观察到ND4/ND5表达升高、CoQH₂/CoQ比值增加、ROS升高和ATP降低。

**4. 讨论与结论**

该研究首次证明，可食用植物线粒体（P-Mit）可通过口服途径从肠道迁移至脑，并被小胶质细胞以TREM2依赖的方式摄取。随后，P-Mit以MFN1依赖的方式与内源性小胶质细胞线粒体融合，形成功能性杂交线粒体。融合后，P-Mit携带的植物miRNA（Tae-miR319和Osa-miR166a-3p）进入小胶质细胞线粒体基质，靶向抑制复合体I亚基ND4和ND5的表达，从而减轻RET介导的ROS过度产生，恢复ATP生成，最终逆转衰老相关的认知功能障碍。人类数据进一步支持了该机制在衰老中的相关性。该研究颠覆了传统对植物线粒体与哺乳动物线粒体相互作用的认知，为利用饮食性P-Mit进行线粒体转移疗法以防治人类线粒体疾病（如神经退行性变、代谢性疾病和癌症）奠定了理论基础。