Redox Biology：刘倩倩/龚佩佩/陈建揭示人脐带间充质干细胞来源的线粒体囊泡的神经保护新机制

2026年3月，南通大学附属医院等单位的相关研究人员在《Redox Biology》（IF: 11.9）上发表了题为“hUCMSC mitochondrial EVs confer neuroprotection after ischemia by Tom1l2-mediated mitochondrial fusion and Crls1–cardiolipin axis reprogramming”的研究论文，发现人脐带间充质干细胞来源的线粒体囊泡（hUCMSC Mito-EVs）通过Tom1l2介导的融合修复受损神经元，并重塑心磷脂轴，突出了Myb1样蛋白2（Tom1l2）-心磷脂合成酶1（Crls1）轴在脑卒中治疗中的关键作用，为神经保护提供了新靶点。

  亮点概述：

• hUCMSC Mito-EVs 携带功能完整的线粒体片段，通过 Tom1l2 依赖的方式与受损神经元线粒体融合，直接补充修复所需的功能组件。
• Tom1l2 介导线粒体融合，Crls1 促进心磷脂合成，双重作用修复线粒体内膜稳态。
• Crls1将受损神经元的无氧糖酵解转向三羧酸循环（TCA 循环），同时抑制线粒体焦亡，减少炎症因子释放。

  研究背景：

作为细胞能量代谢和信号转导的核心枢纽，线粒体功能障碍是缺血性卒中（IS）后神经元损伤和凋亡的关键病理环节。然而，目前的临床干预难以精确修复受损线粒体，也无法有效阻止细胞死亡级联反应。人体自身具有内源性线粒体转移机制，主要包括细胞间隧道纳米管、Mito-EVs以及游离线粒体介导的运输。基于此机制开发的线粒体移植技术为重建受损细胞的线粒体功能提供了一种靶向治疗策略。Mito-EVs的核心优势在于其天然的膜结构，这种结构可以模拟细胞膜的特性，维持内容物的稳态，并确保其所携带的功能性线粒体片段的结构完整性和活性。同时，这种膜结构还可以介导跨越生物屏障，并通过调节细胞间通讯参与损伤修复，从而在靶向治疗中展现出独特的价值。

Tom1l2是囊泡分选和运输的关键调控分子，其在Mito-EVs介导的神经保护中的具体作用和机制尚不明确。线粒体内膜的稳定性对于维持线粒体功能至关重要。作为线粒体内膜的特征性磷脂，心磷脂直接为呼吸链复合物的组装提供结构支持，并调节线粒体动力学。Crls1是心磷脂生物合成的关键酶，其表达水平在调节心磷脂的产生和维持其稳态方面起着至关重要的作用。线粒体功能是否可以通过调节心磷脂来改善，以及这种调节网络在脑梗死中的总体治疗效果，还有待进一步研究。

  研究结果：

脑脊液反映了脑能量代谢的动态变化，研究人员收集了IS患者的脑脊液，非靶向代谢组学分析发现，与健康对照组相比，IS患者脑脊液中L-乳酸水平显著升高，KEGG通路分析表明，与正常对照组相比，IS患者脑脊液中的TCA循环、丙酮酸代谢及相关通路发生改变。脑脊液中L-乳酸水平与梗死体积、神经功能缺损评分（NIHSS）正相关，改良Rankin量表（mRS）评分分析发现，L-乳酸水平升高与IS患者预后不良相关。此外，血清学指标检测显示，IS急性期（3天内）平均血糖水平升高与L-乳酸水平升高相关。表明L-乳酸水平升高不仅反映卒中严重程度，而且可作为IS患者功能预后不良和早期代谢紊乱的潜在标志物。研究人员进一步利用PC12细胞建立了体外氧糖剥夺/再灌注（OGD/R）模型，发现OGD/R诱导的线粒体功能障碍先于整体细胞损伤，是OGD/R介导的细胞损伤的早期事件，线粒体结构和功能障碍是IS这一病理过程的关键触发因素。

以L-乳酸为中心的能量代谢重编程与IS严重程度相关

鉴于hUCMSCs具有线粒体含量高、增殖能力强、易于体外扩增等优势，研究人员假设hUCMSC来源的Mito-EVs可通过递送功能性线粒体片段来促进缺血性损伤神经元的线粒体修复。通过差速离心法从hUCMSC培养上清中分离纯化的Mito-EVs，其不仅表达囊泡标志物Annexin A，还富集COX IV、HSP60、VDAC等线粒体核心蛋白，且保留了关键的线粒体特性，包括基质pH稳态、膜电位和氧化磷酸化（OXPHOS）机制的核心组分。流式细胞术和激光共聚焦显微镜显示，Mito-EVs可被受损神经元有效摄取，并与内源性线粒体共定位融合。

研究人员随后将Mito-EVs与OGD/R 损伤的PC12细胞共培养，发现神经元线粒体碎片化程度显著减轻，膜电位恢复，核心线粒体功能蛋白和OXPHOS链蛋白显著上调，基础呼吸、最大呼吸和储备呼吸能力均显著增加，游离线粒体DNA水平降低。代谢水平上，hUCMSC Mito-EVs治疗后，细胞ATP水平升高，L-乳酸含量降低，能量代谢紊乱得到改善。此外，流式细胞术证实，hUCMSC Mito-EVs处理显著降低了OGD/R损伤后PC12细胞的凋亡。这些结果表明，Mito-EVs可被缺氧损伤的PC12细胞摄取，部分恢复线粒体功能，并减轻OGD/R诱导的损伤。

Mito-EVs可挽救OGD/R损伤的PC12细胞的线粒体功能

为了阐明hUCMSC Mito-EVs修复PC12细胞OGD/R损伤的分子机制，研究人员进行了转录组分析，发现Mito-EVs处理后 OGD/R 损伤细胞中的囊泡转运蛋白编码基因Tom1l2表达显著上调，Western blot分析进一步证实，在用hUCMSC Mito-EV处理的OGD/R损伤的PC12细胞中，Tom1l2蛋白表达显着上调。值得注意的是，与正常对照组相比，IS患者脑脊液中Tom1l2的表达显著降低。这提示Tom1l2的下调可能与IS诱导的脑损伤的病理过程相关。研究人员随后构建Tom1l2敲除的hUCMSC， 发现虽然hUCMSC中Tom1l2的缺失并不损害其衍生的Mito-EVs的线粒体功能，但却消除了这些外泌体与OGD/R损伤的PC12细胞中线粒体融合的能力。这种融合缺陷阻碍了线粒体形态和功能的恢复，破坏了细胞能量代谢和膜完整性，并最终消除了hUCMSC Mito-EVs的神经保护作用。

Tom1l2促进Mito-EVs中的线粒体与受损细胞中的线粒体融合

研究人员进一步对具有融合能力的 hUCMSC Mito-EVs 或不具有融合能力的Tom1l2-KO Mito-EVs处理 OGD/R损伤的PC12细胞进行转录组分析，发现两组细胞的 PCA 聚类和差异表达基因 (DEG) 谱存在显著差异。hUCMSC Mito-EVs治疗组中富集的通路主要涉及线粒体相关通路的激活，例如心磷脂生物合成，以及HIF-1信号通路和糖酵解/糖异生途径的改变，OGD/R损伤下调了PC12细胞中Crls1的表达，Crls1编码一种参与心磷脂合成的关键酶。与这些体外研究结果一致，与健康对照组相比，IS患者脑脊液中Crls1水平也显著降低。通过siRNA敲低Crls1后，尽管Mito-EVs与受损线粒体的融合未受影响，但会显著损害后续线粒体形态和功能的恢复。

为了阐明hUCMSC Mito-EVs如何通过Crls1调节能量代谢，研究人员进行了代谢流分析，发现Mito-EVs可通过 Crls1 重塑葡萄糖代谢，减少L-乳酸积累，增加TCA循环中间产物（柠檬酸、α-酮戊二酸、苹果酸）的通量，因此，Crls1表达上调重塑了以葡萄糖为中心的能量代谢，逆转了异常的糖酵解，并重新激活TCA循环以恢复氧化磷酸化。此外，Crls1增强了心磷脂的合成，从而抑制了细胞焦亡途径，并减少GSDMD-NT介导的损伤和炎症因子的分泌。

Crls1可以重塑缺氧损伤神经元的葡萄糖代谢并抑制细胞焦亡

最后，研究人员通过大鼠大脑中动脉闭塞（MCAO）模型，验证体内治疗效果。发现在MCAO大鼠中移植 hUCMSC Mito-EVs 可以有效修复受损线粒体的结构，改善线粒体氧化呼吸链的功能，并增强神经运动功能和空间学习记忆能力。而Tom1l2-KO Mito-EVs或联合Crls1 siRNA 处理则显著削弱上述治疗效果，进一步证实 Tom1l2-Crls1 轴的核心作用。

总之，该研究首次揭示了Mito-EVs通过Tom1l2-Crls1轴介导线粒体融合与修复的双重机制，突破了传统治疗无法精准靶向线粒体的瓶颈，为IS提供了新的治疗靶点和策略。