撰文 | 雪月
责编 | 兮
心肌细胞需满足因心脏跳动带来的高强度的机械应力和代谢需求。心肌细胞体积大，细胞器占据了一大部分细胞体积，包括线粒体和肌原纤维节，以应对高强度的机械和代谢需求。这些需求对心肌细胞极具挑战性。目前尚不清楚寿命长而且很少更新的心肌细胞如何维持自我稳态。
已有报道发现组织特异性巨噬细胞具有与免疫无关的特异性功能，这一特点在心脏中尤为突出。已发现驻留型巨噬细胞可预防纤维化、促进房室结电信号传导、促进伤口愈合。巨噬细胞的主要功能是通过吞噬作用清除不需要的物质，其中包含有被“吐出”的功能障碍的细胞器碎片。这一现象在中枢神经系统有报道。在心脏中是否也存在这一机制有待研究。
近日，西班牙Carlos III国家心血管研究中心的Andrés Hidalgo和JoséA. Enríquez团队合作在Cell上发表了题为A Network of Macrophages Supports Mitochondrial Homeostasis in the Heart的文章，阐述了一个巨噬细胞的“网络”支撑了心脏线粒体的稳态。
首先作者检测了心脏中巨噬细胞的分布情况。心脏驻留型巨噬细胞（cardiac-resident macrophages，cMacs）定义为CD45+ CD11b+ F4/80+，利用MHCⅡ和Ly6C表达情况，又分为三种亚型（如下图）。
cMacs也可以利用三种报告基因小鼠标记（CX3CR1GFP, Csf1rGFP, and LysMGFP），检测GFP阳性细胞占cMacs比例都超过80%（如下图）。
利用CX3CR1GFP小鼠进行全心脏成像发现cMacs分布广泛，每个心脏约3*105个细胞，在两心室心肌周围密度较高。利用基因嵌合（genetic mosaics）标记tdTtomato+心肌细胞和CX3CR1GFP小鼠进行高分辨率成像发现平均每个心肌细胞周围被5个cMacs围绕，每个cMacs可以与5个心肌细胞相互作用。
在心脏中，只有cMacs表达CD169/Siglec1，作者利用CD169DTR小鼠清除心脏中的cMacs细胞。虽然其他组织中的巨噬细胞也被清除，但并未观察到系统性炎症反应和组织损伤。蛋白组学分析发现，清除了cMacs的心脏蛋白组发生了明显的变化，主要集中在参与线粒体生物能学、ROS和蛋白稳定的线粒体蛋白。尽管发生变化的蛋白大多为数量下降，但透射电镜分析发现，清除了cMacs的心脏心肌细胞中线粒体数量却明显增加，ATP的产生则明显降低。细胞优先利用葡萄糖产生能量，以弥补氧化磷酸化受损和ATP储存降低。但是在同样清除巨噬细胞的肝脏组织没有观察到这一现象。进一步分析发现，清除了cMacs之后，左心室舒展功能受损，心输出量减少。这些实验说明，cMacs对于线粒体维稳、蛋白稳定以及心脏泵血功能至关重要。
作者分离cMacs发现，细胞中含有体积较大的吞噬样囊泡，表明其具有较为活跃的吞噬活性。为了确认其吞噬物质的来源，作者利用嵌合体方法构建了在不同细胞中表达红色荧光蛋白的小鼠品系，包括循环白细胞、内皮细胞或者心肌细胞（简称为CardRED 小鼠）。检测发现，在心脏处于稳态状态下，cMacs细胞能够吞噬循环细胞、心肌细胞来源的红色荧光蛋白，内皮细胞来源的数量相对少一些。检测CardRED小鼠心肌细胞来源的物质，发现大量的亚细胞结构（11.5 ± 1.3 /100 mm2）。作者将这些结构称为cardiac exophers，直径3.5 ± 0.1 mm。利用透射电镜，作者发现在颗粒物中含有线粒体和肌原纤维节。
分离cardiac exophers，进一步分析发现其中的线粒体功能受损，并且不含DAPI阳性的核碎片。这表明健康心肌细胞中受损的线粒体以及其他物质通过exophers排出。利用流式细胞术检测发现分离的大部分的exophers为LC3+。通过自噬诱导剂rapamycin处理和构建心肌细胞特异性敲除ATG7小鼠则进一步验证了exopher形成以及线粒体转运是通过自噬途径。
线粒体以及mtDNA能够激活炎症小体从而对造成心肌损伤。作者检测cMacs去除的心脏发现炎症小体被激活，而炎症小体的激活反过来会抑制自噬。这可能解释了为什么在cMacs去除的心脏中exopher形成减少，用NLPR3抑制剂则能够部分恢复exopher形成。接下来作者在心脏应激以及病理生理状态下发现，这些状态下通过exopher处理受损线粒体途径得到增强。
作者利用流式细胞术发现，exopher表面定位有磷脂酰丝氨酸（phosphatidyl-serinePS）。PS是表达在凋亡细胞表面的“吃了我”信号，能够被巨噬细胞表面多种吞噬受体识别，其中受体酪氨酸激酶Mertk可以在心脏巨噬细胞中激活。而在Mertk敲除小鼠中心肌细胞线粒体数量上升，ATP产生降低，心肌功能受损。这表明Mertk是识别exopher的相关受体，缺失Mertk会造成心脏线粒体功能紊乱，心脏代谢异常。
本研究建立了存在于心脏组织中组织稳态平衡的机制。心肌细胞周围的驻留型巨噬细胞主动去除心肌细胞来源的线粒体以及其他物质，维持心肌细胞线粒体功能以及代谢平衡。这项研究表明，一些心脏功能障碍可能是由于驻留的免疫细胞所致，而不是心肌细胞功能缺陷，对于心脏病诊治具有重要意义。
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.031
制版人：Kira