综述：小胶质细胞线粒体功能障碍：卒中后神经炎症的暴风中心

《CNS Neuroscience & Therapeutics》：Microglial Mitochondrial Dysfunction: The Storm Center of Post-Stroke Neuroinflammation

　　

背景：卒中仍然是全球死亡和残疾的主要原因，许多患者要么错过治疗窗口，要么对当前一线治疗反应不佳。因此，主要由神经炎症驱动的继发性神经损伤已成为一个关键的治疗靶点。小胶质细胞快速感知卒中后微环境变化，并采用不同的炎症表型，从而塑造病理生理学结果。结果：越来越多的证据，包括高分辨率空间分析和单细胞组学，将线粒体功能障碍置于这些反应的核心。本综述综合了卒中中小胶质细胞线粒体功能障碍的最新发现，引入了小胶质细胞线粒体“暴风中心”的概念。在该模型中，活性氧（ROS）触发炎症级联反应，而线粒体质量控制（MQC）的损伤加剧了致病信号传导。代谢重编程进一步维持了炎症极化，影响了与神经元、星形胶质细胞和内皮细胞的相互作用。结论：这个“暴风中心”为制定减轻继发性脑损伤的策略提供了概念框架。最后，本综述强调了关键的分子机制、潜在的治疗靶点和转化机会，为未来的卒中研究和治疗创新提供了更坚实的基础。

1 Introduction
卒中是一种急性脑血管疾病，位列全球第二大死因。缺血性卒中（IS）由动脉闭塞引起，导致脑缺氧并触发复杂的病理生理事件；出血性卒中（HS）由脑血管破裂引起，导致脑血肿、组织直接损伤和继发性炎症反应。当前一线治疗旨在恢复血流，但许多患者不符合条件或疗效不佳。因此，针对继发性神经损伤（主要由神经炎症驱动）已成为研究焦点。小胶质细胞作为脑内驻留免疫细胞，迅速响应微环境变化，并转化为促炎、吞噬、神经保护和增殖等复杂功能状态。线粒体作为能量和代谢的中枢调节器，整合信号并协调小胶质细胞的适应性反应；然而，持续性线粒体功能障碍可导致小胶质细胞陷入适应不良的促炎状态。与神经退行性疾病不同，卒中是一种急性应激，以损伤相关分子模式（DAMP）大量快速释放为特征，导致线粒体功能障碍在狭窄时间窗内突然发生。本综述提出小胶质细胞线粒体“暴风中心”的概念，讨论卒中后神经炎症的进展，将线粒体功能障碍视为小胶质细胞功能状态和炎症结果的关键调节因子。

2 Literature Search Strategy
在PubMed数据库中，使用关键词“小胶质细胞”、“线粒体功能障碍”、“卒中”、“缺血性卒中”、“脑出血”、“神经炎症”和“能量代谢”进行文献检索。鉴于线粒体靶向治疗的快速进展及其临床转化，关注小胶质细胞线粒体功能的综述具有及时性和必要性。

3 Microglial Mitochondrial Structure and Dysfunction
线粒体是具有双膜结构的动态细胞器，外膜（OMM）含有电压依赖性阴离子通道（VDAC）用于代谢物交换，内膜（IMM）折叠形成嵴，容纳电子传递链（ETC）复合体和ATP合酶，驱动氧化磷酸化（OXPHOS）并维持线粒体膜电位（MMP，ΔΨ_m）。促凋亡因子如细胞色素C位于膜间隙（IMS），在膜通透化后被释放，触发凋亡和炎症信号。基质含有三羧酸（TCA）循环酶、脂肪酸β-氧化酶和线粒体DNA（mtDNA）。在微胶质细胞中，线粒体不仅作为生物能细胞器，还与先天免疫信号和代谢适应紧密耦合，调节其激活状态，而非仅控制细胞存活。线粒体功能障碍在微胶质细胞中优先增强炎症信号，损害吞噬功能，延迟组织修复，使微胶质细胞线粒体对缺血、再灌注和出血性应激特别敏感，对线粒体质量控制（MQC）和代谢重编程提出极高要求。

4 Spatiotemporal Heterogeneity of Microglial Mitochondrial Responses After Stroke
单细胞RNA测序（scRNA-seq）和空间转录组学（ST）技术揭示，小胶质细胞对卒中的反应具有高度时空异质性。时间上，急性期出现快速ATP耗竭、线粒体膜去极化和氧化还原稳态破坏，由ETC损伤和ROS过量产生驱动；亚急性期，线粒体质量控制（MQC）机制如线粒体自噬、生物发生和融合-分裂动力学被强烈激活，小胶质细胞主要呈现疾病相关小胶质细胞（DAM）和疾病炎症性小胶质细胞（DIM）表型；慢性期，持续激活的小胶质细胞招募并激活星形胶质细胞，形成胶质瘢痕，线粒体应激和代谢重编程持续存在，加剧继发性脑损伤。空间上，卒中核心区的小胶质细胞经历严重且常不可逆的线粒体损伤，而梗死周围区（如缺血半暗带和血肿周围区）的小胶质细胞保留更大的线粒体可塑性。Li等人利用scRNA-seq和ST技术，在小鼠大脑中动脉闭塞（MCAO）模型的高急性和急性期，鉴定出缺血核心相关小胶质细胞（ICAM）和缺血半暗带相关小胶质细胞（IPAM），ICAM主要依赖糖酵解代谢导致过度神经炎症，而IPAM采用TCA循环和OXPHOS，表现出适度促炎活性和抗炎代谢特征。在脑出血（ICH）中，血肿周围水肿（PHE）的首个scRNA-seq分析显示，大多数小胶质细胞在出血后48小时内呈现显著促炎表型。

5 Early Mitochondrial ROS Burst Triggers Microglial Inflammatory Activation
5.1 Mitochondrial ROS Accumulation and Redox Imbalance
卒中后急性期，线粒体功能障碍迅速诱导小胶质细胞产生过量ROS，作为炎症激活和继发性脑损伤的主要触发因素。ETC损伤（特别是复合体I和III）导致电子流向复合体IV受阻，形成高ΔΨ_m，促进复合体I处的反向电子传递（RET），产生超氧化物（O₂•^?）。超氧化物歧化酶（SOD）迅速将超氧化物转化为过氧化氢（H₂O₂）。过量ROS放大ROS诱导的ROS释放（RIRR），形成自我维持的氧化循环。缺血性和出血性卒中施加不同的氧化应激范式：缺血主要诱导缺氧驱动的ETC功能障碍和再灌注时ROS过量产生，而出血主要由血红蛋白降解产物和铁过载通过Fenton反应产生高活性羟基自由基（•OH）。线粒体解偶联蛋白（UCPs）介导温和质子泄漏，降低ΔΨ_m，防止ROS爆发。UCP2在小胶质细胞中高表达，通过AMPKα/NRF1通路下调IL-1β和TNF-α，上调IL-10和TGF-β，并保护实验性卒中中的铁死亡。

5.2 Ox-mtDNA-Driven Inflammasome Activation
卒中后ROS和DAMP过量产生促使线粒体通透性转换孔（mPTP）开放和VDAC寡聚化，促使mtDNA释放到细胞质中。氧化型mtDNA（ox-mtDNA）作为DAMP激活NLRP3炎症小体，驱动caspase-1依赖性IL-1β成熟和促炎小胶质细胞反应。cGAS/STING通路是主要的mtDNA传感器，细胞质mtDNA激活cGAS，生成cGAMP，进而激活STING，介导干扰素反应。rFGF21阻断mtDNA释放并抑制cGAS/STING信号通路。炎症小体是多蛋白复合体，是卒中后炎症的关键驱动因素。线粒体保护剂艾地苯醌抑制Ox-mtDNA与NLRP3结合，减轻缺血-再灌注（I/R）模型中的神经功能障碍。AIM2是另一类炎症小体，血肿周围小胶质细胞中升高的mtDNA激活AIM2炎症小体，其拮抗剂P202或线粒体分裂抑制剂Mdivi-1减轻神经炎症。

6 Bioenergetics and Metabolic Reprogramming of Mitochondrial Microglia
卒中后，小胶质细胞快速延伸突起、迁移至损伤部位并参与吞噬，需要大量ATP。线粒体嵴是OXPHOS的场所，其完整性对维持ΔΨ_m和调节神经炎症反应至关重要。CARD19被鉴定为线粒体嵴完整性的主要调节因子。卒中后，小胶质细胞经历时空分层的代谢重编程，与线粒体功能障碍和炎症状态转变密切相关。高急性和急性期，缺氧和炎症信号驱动小胶质细胞向糖酵解代谢模式转变，伴随糖酵解调节因子如丙酮酸激酶M2（PKM2）、缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）和己糖激酶2（HK2）表达增加。PKM2的药理激活促进修复性小胶质细胞极化，增强吞噬，减少梗死体积和神经炎症。糖酵解增强增加乳酸产生，乳酸通过组蛋白乳酸化（特别是H3K9la）作为表观遗传修饰因子，控制炎症和修复相关基因表达。MeCP2乳酸化增强HK2转录并激活HK2/mTOR通路，导致线粒体功能障碍和持续炎症信号。TCA循环中断导致柠檬酸盐、琥珀酸盐和衣康酸盐积累，作为炎症介质。琥珀酸盐在ICH中可激活UCP2，抑制mtROS和小胶质细胞炎症。亚急性期，部分小胶质细胞启动MQC过程，通过OXPHOS和脂肪酸β-氧化（FAO）的协同激活恢复氧化代谢，支持吞噬和组织重塑。FAO与脂滴动力学密切相关，脂滴（LDs）在卒中后显著积累，适度脂滴形成可缓冲脂质过氧化和脂毒性，而过度积累与代谢紊乱和促炎表型相关。小胶质细胞特异性FABP4上调与不良神经结局相关，Fabp4缺失减轻脂滴积累并改善恢复。减少缺血诱导的LD积累可上调CPT1A（线粒体β-氧化限速酶），增强甘油磷脂合成，抑制炎症并改善吞噬。TREM2增强脂质感知、代谢和吞噬基因表达，促进脂滴清除和神经保护表型转换。慢性期，特定小胶质细胞亚群逐渐积累脂质和胆固醇，伴随清除能力下降和持续神经炎症。胆固醇代谢重编程被认为是慢性神经炎症的关键驱动因素，ATF3可能通过调节CH25H和SPP1等脂质重塑通路连接脂质代谢改变与促炎激活。增强胆固醇外排（通过CYP46A1激活）可减轻脂质过载并促进白质修复。在出血性卒中中，脂质过氧化是继发性损伤的主要来源，铁离子释放加剧脂质过氧化，产生ROS和毒性醛类。红细胞及其裂解物驱动邻近小胶质细胞铁积累，线粒体铁转运蛋白SLC25A28上调促进有氧糖酵解和小胶质细胞激活，其缺失抑制神经炎症。代谢重编程主要由能量感知和氧感知通路协同调控，AMPK作为中枢调节枢纽，激活时促进氧化代谢、MQC和抗炎极化，抑制HIF-1依赖性糖酵解。线粒体-内质网接触位点（MERCS）协调脂质交换和钙信号，卒中后其完整性受损可能加剧小胶质细胞线粒体钙超载，影响生物能灵活性。

7 Autophagy and Mitochondrial Quality Control Dysfunction in Microglia After Stroke
7.1 Mitochondrial Autophagy: The Clearance Pathway
线粒体自噬（mitophagy）选择性清除受损线粒体，维持线粒体质量并防止ROS积累和DAMP释放。在卒中后小胶质细胞中，这一过程是关键的炎症检查点。PINK1和Parkin是最广泛研究的调节因子，PINK1在OMM上积累并激活Parkin，泛素化OMM蛋白启动选择性线粒体自噬。ICH小鼠模型和患者样本分析显示，无效线粒体自噬主要发生在小胶质细胞中，PINK1过表达减轻ICH相关脑损伤。PGC-1α在缺血性卒中后小胶质细胞中上调，通过ULK1促进自噬和线粒体自噬，确保功能性线粒体网络的更新。线粒体自噬在卒中后小胶质细胞中的保护性和有害作用仍存在争议，其功能结果主要取决于线粒体损伤程度与自噬能力之间的动态平衡。急性缺血-再灌注常诱导快速强烈的线粒体应激反应，可能导致过度或失调的自噬；而出血性卒中通常导致持续且严重的线粒体损伤伴随不足或功能失调的自噬。

7.2 Mitochondrial Biogenesis: The Renewal Pathway
线粒体生物发生通过现有细胞器增殖和mtDNA复制产生新线粒体，替换功能失调的细胞器。亚急性期和恢复期，线粒体稳态恢复对小胶质细胞功能重编程和组织修复至关重要。TFAM包裹裸露mtDNA形成核样结构，减少对mtROS的易感性。UCP2通过AMPKα/NRF1介导的NRF1和TFAM上调促进小胶质细胞线粒体生物发生。大麻二酚（CBD）上调TFAM，防止小胶质细胞激活并改善线粒体缺陷。CMPK2是dNTP合成的限速酶，调节mtDNA复制，其过表达在LPS暴露的免疫细胞中触发合成暴露松散包装的mtDNA，从而激活炎症小体介导的炎症。

7.3 Mitochondrial Fusion and Fission Dynamics: Structural Remodeling
线粒体动力学（融合和分裂）控制线粒体形状、数量和功能状态。融合允许内容物交换，修复受损细胞器；分裂促进线粒体更新和选择性清除。在微胶质细胞中，维持融合与分裂的平衡比单个过程的大小更为关键。分裂主要由Drp1调节，其OMM锚定蛋白包括Fis1和Mff。过度分裂破坏线粒体结构，上调mtROS，耗竭ATP，损害ΔΨ_m，促进细胞色素C释放和凋亡。E2F1/CDK5和JAK2/STAT3作为Drp1的上游调节因子，在ICH后ATP5J上调Drp1和Fis1，加剧线粒体碎片化和小胶质细胞激活。融合由Mfn1、Mfn2和OPA1介导，融合主导的重塑通常与代谢恢复和炎症消退相关。PTE（紫檀芪）逆转OPA1下调，促进融合，恢复线粒体形态，减少碎片化和ROS产生，从而发挥神经保护作用。

7.4 Protein-Level Mitochondrial Stress Responses
在蛋白质水平，线粒体应激反应和细胞器间通讯构成缓冲系统。线粒体蛋白稳态应激激活线粒体未折叠蛋白反应（UPR_mt），上调分子伴侣、线粒体蛋白酶和增强代谢弹性的通路。尽管在卒中后小胶质细胞中UPR_mt激活的直接证据有限，但其神经保护作用已在缺血性卒中模型中验证。CLEC4D被鉴定为缺血性卒中患者UPR_mt的高敏感生物标志物。

8 Targeting Microglial Mitochondria Dysfunction After Stroke
8.1 Targeting Microglial Mitochondrial Damage
UCP2激活（如ADT）减轻小胶质细胞介导的神经炎症。线粒体靶向四肽Bendavia维持线粒体完整性，抑制ROS产生，恢复ATP水平，减轻BBB破坏和小胶质细胞激活。天然化合物PTE减轻线粒体氧化应激和炎症反应。恢复MQC通过线粒体自噬是另一干预策略：PLGA纳米颗粒携带PINK1 siRNA（PINK1 NPs）选择性靶向小胶质细胞，调节PINK1表达，减轻光血栓性缺血损伤。STS上调PP2A，恢复线粒体功能并下调凋亡。rFGF21激活AMPK依赖性线粒体自噬，改善炎症特征，抑制cGAS/STING通路。靶向代谢重编程：Resolvin D1促进OXPHOS依赖性能量代谢，加速中性粒细胞清除，减轻神经炎症。Effusol增强ATP合酶活性，减少ΔΨ_m去极化。ATP5J沉默抑制线粒体过度分裂和异常mPTP开放，恢复ETC活性。AS激活AMPK，抑制mTOR/HIF-1信号，下调糖酵解酶表达。TEPP-46抑制PKM2核转位及与HIF-1α的相互作用，抑制糖酵解，促进吞噬，减轻神经炎症。

8.2 Mitochondrial Transfer and Transplantation
细胞间线粒体转移和线粒体移植可直接补充线粒体功能并刺激MQC通路。星形胶质细胞建立星形胶质细胞-神经元/小胶质细胞转移轴，递送健康线粒体，并释放线粒体编码的生物活性肽如humanin（HN），促进小胶质细胞吞噬或修复表型。MSCs通过隧道纳米管（TNTs）或细胞外囊泡（EVs）递送功能性线粒体。hUC-MSC线粒体移植显著减少梗死体积，抑制胶质细胞激活。为解决免疫排斥问题，Zhou等人提出使用静脉注射磁性响应人工细胞（ACs），在外磁场作用下快速聚集到脑内并释放线粒体，被小胶质细胞内化，增加免疫抑制性小胶质细胞比例，减轻脑水肿，促进功能恢复。然而，大多数外源线粒体仍被困在内体-溶酶体系统中，仅10%以下成功逃逸至细胞质并整合入宿主线粒体网络。线粒体移植已进入早期临床试验，急性IS患者接受机械取栓时，经动脉递送自体活线粒体，初步显示安全性和可行性。Tc-99m标记的线粒体示踪提供体内生物分布监测方法。

9 Discussion and Perspectives
基于现有证据，小胶质细胞线粒体功能障碍构成卒中复杂发病机制中的概念性“暴风中心”，为理解线粒体功能障碍如何塑造卒中后神经炎症演变提供概念基础。然而，临床转化存在关键空白：尚无针对小胶质细胞线粒体的卒中治疗临床试验，缺乏监测小胶质细胞线粒体功能的生物标志物或成像工具。最佳治疗时间窗尚不清楚，可能因小胶质细胞状态和线粒体代谢在不同时间点和脑区域的阶段性转变而异。当前理解主要依赖啮齿动物模型，未来研究应利用公开的卒中相关单细胞免疫数据集并应用整合机器学习方法。此外，新型三维人脑组织模型为研究免疫细胞相互作用和药物筛选提供平台。干预递送面临血脑屏障通透性和小胶质细胞靶向性的挑战，线粒体靶向递送系统（如RNP–MITO-Porter纳米载体和线粒体特异性碱基编辑器）提供技术进展，但需进一步验证。临床前发现向临床实践的转化需要标准化的人卒中样本表型分析流程，结合代谢组学、空间分辨线粒体活性检测和纵向活体成像。这些技术和概念进展有望实现小胶质细胞线粒体通路的精准调节，从而恢复线粒体稳态并减轻继发性脑损伤中的神经炎症级联反应。