心肌細(xì)胞收縮依賴于線粒體產(chǎn)生的能量。As everyone knows，在心臟發(fā)育和疾病過程中，心肌細(xì)胞線粒體網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能與許多其他因素一起發(fā)生重構(gòu)，包括：營(yíng)養(yǎng)利用率的變化，血流動(dòng)力學(xué)負(fù)荷，細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的硬度，細(xì)胞形狀和其他細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的成熟。但是，這些因素中的每一個(gè)因素對(duì)線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的單獨(dú)影響尚不明確。在這項(xiàng)研究中，來自南加利福尼亞大學(xué)的研究人員探究了心肌細(xì)胞中細(xì)胞長(zhǎng)徑比(AR)和ECM硬度在調(diào)節(jié)線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的作用，以Mitochondrial architecture in cardiac myocytesdepends on cell shape and matrix rigidity為題發(fā)表在《Journal of Molecular and Cellular Cardiology》上。

研究背景

       心臟是人體zui活躍的代謝器官之一，每天大概要產(chǎn)生30公斤的ATP。大部分ATP是由心肌細(xì)胞中的線粒體產(chǎn)生的，并用于肌節(jié)的加速縮短。線粒體網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)本身是由線粒體生物發(fā)生、線粒體融合和線粒體自噬的平衡來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的。這些過程共同塑造了貫穿整個(gè)生理和病理生長(zhǎng)階段的線粒體網(wǎng)絡(luò)，并與能量需求、營(yíng)養(yǎng)可用性和其他尚未*了解的因素動(dòng)態(tài)適應(yīng)。許多病理?xiàng)l件下，心肌的ECM硬度增加，且與血流動(dòng)力學(xué)具有相關(guān)性，這是已知的能觸發(fā)不良心肌細(xì)胞形狀重塑的兩個(gè)因素。之前的體外研究表明，細(xì)胞形態(tài)和/或ECM硬度的變化在生理和病理上都改變了心肌細(xì)胞的細(xì)胞骨架、細(xì)胞核形態(tài)、細(xì)胞伸縮性及電生理特性。然而，線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是否也會(huì)受到細(xì)胞結(jié)構(gòu)和ECM硬度的影響還沒有被確定。

研究結(jié)果

       本研究的目的是驗(yàn)證細(xì)胞AR和ECM剛性調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的假設(shè)。為了單獨(dú)調(diào)節(jié)AR和ECM的硬度，研究人員在三種不同硬度表面用纖連蛋白微打印了的表面單細(xì)胞大小的矩形，分別為柔軟型（3:1）、中等型（7:1）、堅(jiān)硬型（11:1）（圖1）。

圖1 工程化的心肌細(xì)胞培養(yǎng)在特定AR和ECM硬度的材料上。新生大鼠心室肌細(xì)胞培養(yǎng)在纖連蛋白打印的、特定ECM硬度和PDMS基片的微接觸小室中。每組圖片中，頂部圖像是α肌動(dòng)蛋白（白色）和DAPI（藍(lán)色）反褶積z疊加的maximum投影，底部圖像是MitoTracker染色的反褶積后z堆疊的maximum投影。比例尺5ｕm。

       隨后，研究人員在這些表面培養(yǎng)新生大鼠心室肌細(xì)胞，并使用共聚焦顯微鏡和圖像處理技術(shù)來量化參數(shù)，如線粒體體積、表面積-體積比和數(shù)量（圖2）。

圖2 線粒體網(wǎng)絡(luò)示意圖。培養(yǎng)在特定AR上的反褶積z疊加的MitoTracker (紅色)，α肌動(dòng)蛋白 (白色)和DAPI (藍(lán)色)經(jīng)過三維重構(gòu)后的心肌細(xì)胞。下面的三幅圖像是上面圖像的子集。所有的心肌細(xì)胞培養(yǎng)在柔軟的表面。比例尺5ｕm。

       本研究的結(jié)果表明，隨著心肌細(xì)胞的伸長(zhǎng)，線粒體體積增加，碎片減少，從而形成更大、更融合的線粒體網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于部分AR，本研究還發(fā)現(xiàn)隨著ECM硬度的增加，線粒體體積減少，碎片化增加，這與病理狀態(tài)下心肌細(xì)胞的變化一致。這些結(jié)果表明（圖3），細(xì)胞外線索在心臟發(fā)育和疾病中是顯著的，特別是細(xì)胞形狀重塑，直接影響心肌細(xì)胞線粒體網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)。這些線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變可能導(dǎo)致代謝功能的生理和病理改變，由于肌節(jié)縮短依賴于ATP的產(chǎn)生，這一研究可能提示收縮性能和心輸出量的下游靶點(diǎn)。

圖3 線粒體結(jié)構(gòu)在心肌細(xì)胞AR和ECM硬度中的作用。餅狀圖表示了小(< 1ｕm3)、中(1 - 10ｕm3)和大(> 10ｕm3)線粒體網(wǎng)絡(luò)在ECM硬度和肌細(xì)胞長(zhǎng)徑比中的容積率。圓的大小與線粒體總量成比例。

總結(jié)

       隨著心肌細(xì)胞的伸長(zhǎng)，線粒體網(wǎng)絡(luò)變得更大更融合。ECM硬度的增加也可以選擇性地增加線粒體碎片。這些數(shù)據(jù)表明，在心臟發(fā)育和疾病期間發(fā)生的細(xì)胞形狀和機(jī)械負(fù)荷的變化會(huì)影響線粒體網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，這可能對(duì)心肌的代謝和收縮性能有影響。這些結(jié)果還確定了促進(jìn)心肌細(xì)胞成熟的機(jī)制和線粒體網(wǎng)絡(luò)的初級(jí)心肌細(xì)胞在體外用于改善干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞的表型。最后，這些研究結(jié)果為體外心臟疾病的工程模型提供了重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，也為再生醫(yī)學(xué)可定制的心臟替代組織提供了重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

參考文獻(xiàn):

B, Lyra Leite A , et al. "Mitochondrial architecture in cardiac myocytes depends on cell shape and matrix rigidity." Journal of Molecular and Cellular Cardiology 150(2021):32-43.

由該研究可知，包括打印蛋白在內(nèi)的細(xì)胞微環(huán)境模擬材料在心肌細(xì)胞的體外模擬研究中起到了重要的作用。現(xiàn)向大家介紹來自英國(guó)Plexithermo的HCells高通量單細(xì)胞、器官功能測(cè)量及納米水凝膠3D培養(yǎng)系統(tǒng)。

      該系統(tǒng)可使用多種定制水凝膠耗材模擬細(xì)胞微環(huán)境，亦可以自行設(shè)計(jì)蝕刻水凝膠以滿足不同的研究  需求，尤其適用于心肌細(xì)胞體外培養(yǎng)環(huán)境的構(gòu)建。搭配unique的細(xì)胞追蹤技術(shù)，可短時(shí)間內(nèi)測(cè)量300個(gè)以上細(xì)胞的收縮及離子濃度變化情況。搭配多孔位細(xì)胞培養(yǎng)板，實(shí)現(xiàn)真正的高通量細(xì)胞測(cè)試，每個(gè)孔位即可作為一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，不同孔位同時(shí)培養(yǎng)，同時(shí)測(cè)量，極大節(jié)省時(shí)間及耗材。

適用范圍：

1、心肌細(xì)胞

采用超速成像納米水凝膠技術(shù)。保證藥物一定濃度水平下批量測(cè)心肌細(xì)胞的力學(xué)指標(biāo)和離子濃度變化。測(cè)細(xì)胞收縮的速度和細(xì)胞力度、細(xì)胞大小、面積、真正產(chǎn)生的功率，收縮時(shí)的角度x軸y軸，產(chǎn)生的速度差和力差等，并且可以模擬器官硬度。通過軌跡分析選擇跟蹤區(qū)域和運(yùn)動(dòng)方向。軟件對(duì)遷移單元的速度或距離進(jìn)行量化。可以分析細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的頻率。細(xì)胞跟蹤檢測(cè)軌跡并提供定量數(shù)據(jù)跟蹤功能還可以分析面積、周長(zhǎng)和圓度等參數(shù)，使軟件能夠跟蹤形狀變化，例如體外心肌細(xì)胞。

2、細(xì)胞遷移和精子運(yùn)動(dòng)軌跡

跟蹤函數(shù)檢測(cè)細(xì)胞軌跡，并可以計(jì)算定量數(shù)據(jù)，例如：作為軌跡（xy圖表），距離和速度。這使得系統(tǒng)具有檢測(cè)和測(cè)量功能，例如細(xì)胞遷移和精子運(yùn)動(dòng)的軌跡。

3、動(dòng)態(tài)跟蹤可以分析細(xì)胞增殖的變化，如菌落形成。

4、人iPS細(xì)胞衍生神經(jīng)細(xì)胞的細(xì)胞活力測(cè)定：

可以測(cè)量神經(jīng)元的運(yùn)動(dòng)。神經(jīng)元運(yùn)動(dòng)的功率譜密度（PSD）可用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)細(xì)胞死亡。PSD表示一個(gè)單元在頻域中的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。神經(jīng)元培養(yǎng)的PSD比傳統(tǒng)的生存能力測(cè)量更精確地預(yù)測(cè)細(xì)胞死亡。

5、核跟蹤特征可用于分析癌細(xì)胞遷移。

測(cè)量對(duì)象：癌細(xì)胞、斑馬魚、精子、菌落、貼壁細(xì)胞（如：急性分離的成年小鼠細(xì)胞，乳鼠細(xì)胞、成年大鼠的心肌細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞等。