本文献是一篇综述（review），题为“Perspectives on mitochondrial relevance in cardiac ischemia/reperfusion injury”（线粒体在心脏缺血/再灌注损伤中相关性的观点），由Gaia Pedriali、Daniela Ramaccini、Esmaa Bouhamida、Mariusz R. Wieckowski、Carlotta Giorgi、Elena Tremoli和Paolo Pinton共同撰写。主要作者分别来自意大利科蒂尼奥拉的Maria Cecilia医院（GVM Care and Research）、波兰华沙Nencki实验生物学研究所线粒体生物学与代谢实验室，以及意大利费拉拉大学医学科学部实验医学系先进治疗技术实验室（LTTA）。该综述于2022年10月27日投稿，2022年11月24日被接受，2022年12月6日发表在《Frontiers in Cell and Developmental Biology》期刊第10卷，文章编号为1082095，doi为10.3389/fcell.2022.1082095。该文为开放获取文章，遵循知识共享署名许可（CC BY）。
心血管疾病是全球最常见的死亡原因，其中缺血性心脏病（ischemic heart disease，IHD）占据最显著的地位。心肌缺血-再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury，IRI）是多种心脏疾病临床治疗中不可避免的副作用：缺血过程本身导致心脏组织暂时性损伤，而恢复血流虽然是必需的，却会加重缺血损伤。线粒体在IRI发病机制中发挥关键作用，其功能障碍会改变细胞稳态与存活。在IRI过程中，线粒体质量控制体系发生改变，融合（fusion）、分裂（fission）、生物发生（biogenesis）与线粒体自噬（mitophagy）之间的复杂平衡被打破。此外，线粒体与质膜（plasma membrane，PM）、内质网/肌浆网（endoplasmic reticulum/sarcoplasmic reticulum，ER/SR）及细胞核之间的精细通讯受损也会加剧IRI。本综述旨在强调线粒体网络在IRI发病机制中的重要性，并聚焦潜在的靶向线粒体治疗策略。
线粒体与内质网/肌浆网的接触——即线粒体相关膜（mitochondria-associated ER/SR membranes，MAMs）——是研究最为深入的细胞器接触位点。在心肌细胞中，SR-线粒体接触是兴奋-收缩耦联（excitation-contraction coupling，ECC）过程中钙离子（Ca²⁺）循环的关键调节者。线粒体融合蛋白2（mitofusin 2，Mfn2）是首个被鉴定为ER-线粒体连接蛋白的分子。研究表明，心肌细胞特异性Mfn2基因缺失可导致两个细胞器之间的“解离”，引起SR中Ca²⁺升高，同时线粒体Ca²⁺摄取减少，再灌注时线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）激活降低，从而保护心肌免受IRI损伤。同时缺失Mfn1和Mfn2的心脏对IRI的敏感性降低，表现为活性氧（reactive oxygen species，ROS）爆发减弱和线粒体Ca²⁺超载减轻。
VDAC1/GRP75/IP3R1通道复合物是SR-线粒体拴系的另一重要组成部分。在缺氧-复氧条件下，该复合物各组分之间的相互作用增强，促进线粒体Ca²⁺超载和后续细胞死亡。亲环蛋白D（cyclophilin D，CypD）被鉴定为该复合物的新成员，通过基因缺失或药理学抑制其中任一成分，均能减少线粒体Ca²⁺摄取和mPTP开放。糖原合酶激酶3β（GSK3β）也被证实为该复合物的调控蛋白，其磷酸化可通过破坏IP3R与其他复合物蛋白的相互作用而降低线粒体Ca²⁺摄取，介导心肌保护。
线粒体与质膜之间的通讯研究较少。在酵母中，Num1/Mdm36复合物将线粒体外膜（outer mitochondrial membrane，OMM）锚定于质膜，其中心磷脂（cardiolipin）参与其中。在心肌细胞中，小窝蛋白-3（caveolin-3，Cav-3）过表达对IRI具有保护作用：线粒体呼吸增强，Ca²⁺耐受性提高，ROS产生减少，心肌梗死面积缩小。Cav-3缺失则加重线粒体功能障碍。
线粒体与细胞核之间的通讯同样重要。细胞核通过顺行信号（anterograde signaling）控制线粒体健康，包括编码线粒体蛋白的核基因和microRNA（miRNA）。miR-30家族通过靶向p53-Drp1轴调控线粒体分裂和凋亡；miR-146a在常氧条件下定位于线粒体，调节CypD蛋白表达，防止mPTP开放；而miR-762在IRI后转位至线粒体，与线粒体NADH脱氢酶亚基2（ND2）相互作用，调控ATP和ROS产生，促进心肌细胞凋亡。线粒体则通过Ca²⁺依赖性应激、线粒体DNA（mtDNA）损伤和线粒体膜电位（ψm）丧失等信号进行逆行通讯（retrograde signaling）。
线粒体是高度动态的细胞器，其数量、形态和分布通过分裂与融合两个关键过程协调。分裂由GTP酶动力相关蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）主导，辅以线粒体分裂因子（mitochondrial fission factor，Mff）、线粒体分裂蛋白1（mitochondrial fission protein 1，Fis1）以及Mid49/51。在应激条件下，Drp1从胞质转位至OMM表面，与其受体结合启动分裂。分裂是选择性线粒体自噬（即“mitophagy”）的前提步骤，用于清除受损线粒体。融合则由Mfn1、Mfn2和视神经萎缩因子1（optic atrophy 1，OPA1）调控。Mfn1和Mfn2锚定于OMM形成同型或异型寡聚体促进外膜融合，OPA1则介导内膜（inner mitochondrial membrane，IMM）融合和嵴结构调控。
在心肌IRI过程中，线粒体分裂在缺血期和再灌注期均被上调，导致ATP产生效率降低、ψm丧失和心肌细胞凋亡。相反，融合下调促进线粒体碎片化并加剧IRI后的心肌细胞死亡。一系列研究证实了分裂-融合失衡在IRI中的因果作用：Mfn1或Mfn2过表达通过促进融合保护HL-1细胞免受IRI；Drp1介导的分裂抑制可保护心肌细胞免受mPTP开放的损伤。然而，心肌细胞特异性双缺失Mfn1和Mfn2却通过阻断mPTP活性减少急性心肌IRI后的细胞死亡，这一矛盾结果提示线粒体动力学在IRI中的角色仍需进一步研究。
值得注意的是，缺氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α）在线粒体动力学调控中发挥中枢作用。线粒体靶向的HIF-1α可显著降低Drp1的线粒体关联及OPA1水平，减弱缺氧诱导的凋亡。Mff在IRI中通过促进致命性线粒体分裂也发挥关键作用：核受体亚家族4A组成员1（NR4A1）通过促进Mff介导的过度分裂导致线粒体功能障碍和凋亡激活；JNK诱导的Mff水平升高引发过度分裂和线粒体自噬激活，触发心肌细胞死亡。
线粒体自噬是选择性清除衰老或不可逆损伤线粒体的特异性宏自噬亚型。经典线粒体自噬由PINK1/Parkin通路控制：在静息条件下，PTEN诱导的假定激酶1（PINK1）被转运至IMM并被线粒体蛋白酶降解；当ψm丧失时，PINK1在OMM积累，直接或间接招募Parkin E3泛素-蛋白连接酶，促进线粒体蛋白的多泛素化和吞噬体招募。PINK1/Parkin通路受损与心脏功能障碍密切相关：PINK1缺失小鼠发展为心肌肥厚且对IRI更敏感；Parkin缺陷小鼠梗死边缘区线粒体自噬标志物减少，伴随着功能失常线粒体的积累。
线粒体自噬也可通过非泛素依赖机制发生，由位于OMM的接头蛋白介导，包括BNIP3、BNIP3L/Nix和FUN14结构域蛋白1（FUNDC1）。缺氧时线粒体自噬通过HIF-1α/BNIP3轴上调，清除受损线粒体促进心肌保护；但BNIP3过表达也被报道可诱导心肌细胞死亡。FUNDC1在缺氧时与LC3相互作用促进线粒体自噬，抑制凋亡性细胞死亡，但在再灌注后FUNDC1介导的线粒体自噬被灭活，导致细胞死亡加剧。适度诱导线粒体自噬对心肌梗死具有保护作用，而慢性激活则可能导致心肌肥厚和心力衰竭。
线粒体生物发生由过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）作为主调控因子。PGC-1α转位至细胞核，共激活核呼吸因子1和2（NRF1和NRF2）、线粒体转录因子A（TFAM）等。IRI中PGC-1α被缺氧诱导作为适应性机制，促进心肌再生。外周血中PGC-1α水平与心肌梗死后的心脏恢复呈负相关，使其成为有前景的治疗靶点。褪黑素可通过AMPK激活同时抑制mTOR并激活PGC-1α，刺激线粒体自噬和生物发生，保护受损心脏。
线粒体通透性转换涉及两种不同电导的孔道：与腺嘌呤核苷酸转位酶（ANT）相关的低电导孔道，以及与F1Fo-ATP合酶二聚体形成或其c环构象变化相关的高电导孔道。CypD通过与F1Fo-ATP合酶的寡霉素敏感性赋予蛋白（OSCP）相互作用来调控mPTP。缺血期间mPTP处于关闭状态，被ADP/ATP比值升高和低pH抑制；再灌注后氧恢复使线粒体呼吸和ROS产生恢复，pH中和，刺激mPTP开放和线粒体Ca²⁺积累，导致ψm耗散、ATP产生停止、线粒体肿胀和细胞死亡程序的激活。
近期研究将IMM蛋白mitofilin与IRI联系起来：mitofilin通过其C端与CypD结合，IRI后该相互作用被破坏，蛋白水平降低，与心肌梗死面积呈负相关。ANT1过表达可保护心脏免受IRI损伤，表现为线粒体Ca²⁺保留能力增强和ROS产生减少。F1Fo-ATP合酶的c亚基与mPTP功能密切相关，针对c亚基的选择性化合物可抑制mPTP开放并减轻IRI。ATP合酶抑制因子亚基1（ATPIF1）过表达促进F1Fo-ATP合酶二聚体稳定化，抑制mPTP开放，在体外和体内IRI模型中均具有心肌保护作用。HIF-1α稳定化通过抑制mPTP开放和增加己糖激酶2（HK2）蛋白水平来介导心肌保护。
本综述系统梳理了线粒体在心脏IRI发病机制中的多重角色，涵盖细胞器间通讯、线粒体动力学、线粒体周转和mPTP四个层面。其核心价值在于：第一，将线粒体功能失调的多个维度整合为一个有机整体，强调了线粒体网络中各环节之间的相互关联；第二，系统总结了靶向线粒体的治疗策略，包括针对CypD的环孢素A（CsA）、SS31肽、纳米颗粒递送系统、针对c亚基的化合物、靶向氧化应激的MitoQ和MitoSNO、促进线粒体融合的M1、诱导线粒体自噬的雷帕霉素、抑制Drp1的Mdivi-1等，并分析了各策略在临床前和临床研究中的成效与局限性；第三，为IRI的临床治疗提供了新思路——鉴于目前尚无有效减少IRI的疗法，深入理解线粒体相关分子机制对于开发心肌保护策略至关重要。
本综述的突出亮点包括：（1）专设章节详述线粒体与质膜、SR和细胞核之间的通讯在IRI中的作用，这是相对较少被系统综述的领域；（2）对线粒体分裂-融合失衡在IRI中的因果证据进行了批判性分析，指出文献中存在的矛盾结果并呼吁更多研究；（3）将mPTP的结构复杂性与其在IRI中的功能角色相结合，涵盖了从CypD到ATP合酶c亚基的最新发现；（4）以表格形式汇总了近年的线粒体靶向治疗策略，清晰呈现了各策略的靶点、研究设计、作用机制和效果，具有较高的临床转化参考价值。