Adv Sci 心脏-骨髓“远程通话”新机制！西京医院陶凌/闫文俊团队发现调控心肌梗死后修复的关键信号

心肌梗死(MI)为全球心血管疾病死亡的首要病因。MI发生后，心肌组织因缺血缺氧导致大量心肌细胞死亡，造成细胞膜完整性破坏及细胞内容物释放。这些细胞内成分可被免疫细胞识别，通过炎症细胞和炎症因子的级联放大作用，形成炎症微环境，阻碍心脏修复进程。巨噬细胞作为心脏中的“清道夫”，可通过胞葬作用清除凋亡心肌细胞，对于MI后炎症的消退和心肌修复至关重要。然而，心脏梗死区域中的巨噬细胞常常“清理不力”，甚至“自身难保”—这一现象背后的原因一直成谜。

2025年11月10日，空军军医大学西京医院心血管内科陶凌和闫文俊团队在Advanced Science在线发表题为“Piezo1 Upregulation in Monocyte-Derived Macrophages Impairs Post-Myocardial Infarction Cardiac Repair via Defective Efferocytosis and Enhanced Ferroptosis”的研究论文。该研究揭示了MI后巨噬细胞胞葬功能下降以及生存能力不足的潜伏“凶手”—机械信号转导分子Piezo1，解析了MI后心脏-骨髓间的远程通讯新机制，并且鉴定出SLC7A11和SLC15A3在介导Piezo1激活导致的巨噬细胞胞葬功能障碍和铁死亡增加中的重要作用，为MI的治疗带来新视角。 

首先，作者分析了心肌缺血/再灌注(I/R)和假手术小鼠在造模后第3天的心脏单细胞测序数据，发现与假手术组相比，I/R组心脏巨噬细胞中的多个机械信号转导分子表达上调，其中机械敏感性阳离子通道Piezo1表达量最高且升高最为显著。免疫荧光结果验证，MI后3天至4周心脏中巨噬细胞Piezo1的表达水平显著增加。作者进一步利用Piezo1-GFP报告基因小鼠构建MI模型，结果再次证实梗死心脏中巨噬细胞的Piezo1表达显著增强(图1)。 

图1. 心梗后心脏中的巨噬细胞Piezo1表达水平升高

考虑到MI后心脏中的巨噬细胞主要来源于骨髓，作者探究Piezo1的表达是否在巨噬细胞迁移至心脏前已经升高。通过Flipper-TR荧光探针检测，作者发现MI后骨髓细胞以及骨髓来源的巨噬细胞(BMDMs)膜张力显著增加，这一现象联合MI后BMDMs中Piezo1表达量上调共同提示：在MI早期阶段，骨髓巨噬细胞中的Piezo1已表达升高和被激活。作者进一步发现，MI小鼠以及成功行再灌注治疗的MI患者外周血单个核细胞中Piezo1的表达显著高于对照组。为验证这一现象，作者再次利用Piezo1^GFP小鼠，确认MI会导致骨髓细胞以及外周血单个核细胞Piezo1表达升高。不仅如此，作者通过将Piezo1^GFP小鼠的骨髓移植给野生型小鼠，构建骨髓特异性Piezo1表达GFP小鼠并建立MI模型，从而更加直观地观察到MI后高表达Piezo1的巨噬细胞募集至缺血心肌(图2)。这些结果表明，不仅在心脏，连骨髓和外周血中的巨噬细胞也在心梗早期就高表达Piezo1。心梗不仅伤在心脏，还远程“惊动”了骨髓！使整个骨髓单核-巨噬细胞系统进入了“高压模式”。  

图2. 单核细胞衍生的巨噬细胞中Piezo1的上调导致心肌梗死后心脏巨噬细胞Piezo1表达增加

为了明确MI后巨噬细胞Piezo1对心脏修复的影响，作者构建了髓系特异性Piezo1敲低(Piezo1^Lyz2)小鼠并构建MI模型。相较对照组(Piezo1^fl/fl)小鼠，Piezo1^Lyz2小鼠MI后心脏收缩功能显著改善、梗死面积显著缩小、心脏病理性重塑指标显著改善，同时心肌细胞凋亡水平显著降低(图3)。这些结果证明，巨噬细胞Piezo1升高损伤MI后心脏修复，降低巨噬细胞Piezo1显著提升心脏的自我修复能力。

图3. 髓系特异性Piezo1敲低显著改善心肌梗死后的心脏功能障碍和心肌细胞凋亡

接着，作者检测了Piezo1^fl/fl小鼠和Piezo1^Lyz2小鼠MI后骨髓、血液以及心脏中巨噬细胞的数量变化。流式细胞术结果显示，骨髓和血液来源的巨噬细胞数量在两组间无显著差异；然而，心脏组织中Piezo1^Lyz2小鼠的巨噬细胞数量明显低于Piezo1^fl/fl小鼠，提示Piezo1促进缺血心肌局部巨噬细胞死亡。进一步的在体免疫荧光染色和离体巨噬细胞胞葬实验均表明，与Piezo1^fl/fl小鼠相比，Piezo1^Lyz2小鼠巨噬细胞的胞葬能力显著增强(图4)。上述结果表明，髓系特异性Piezo1敲低通过提高心脏中巨噬细胞的存活和胞葬功能发挥心脏保护作用。 

图4. 髓系特异性Piezo1敲低增加心脏巨噬细胞的数量并增强其吞噬凋亡细胞的能力

为了阐明Piezo1削弱巨噬细胞胞葬功能的机制，作者对DMSO和Piezo1特异性激动剂Yoda1处理的BMDMs进行RNA-seq测序。GO分析结果显示，与胞葬相关的吞噬、内吞等生物学过程在Yoda1处理的BMDMs中显著富集。通过筛选和验证，作者最终锁定了SLC7A11和SLC15A3这两个膜蛋白。进一步发现，敲低SLC7A11可以显著增强巨噬细胞胞葬作用；更重要的是，敲低SLC7A11可以有效阻断Yoda1导致的巨噬细胞胞葬功能下降，而敲低SLC15A3则对胞葬过程无明显影响(图5)。 

图5. Piezo1通过上调SLC7A11蛋白的表达导致巨噬细胞胞葬功能缺陷

为了阐明Piezo1影响巨噬细胞存活的具体机制，作者采用氧糖剥夺(OGD)模型处理BMDMs以模拟MI后心脏中巨噬细胞所面临的缺血缺氧环境。作者发现，Piezo1激动剂Yoda1可加重OGD模型诱导的巨噬细胞活力下降，RNA-seq测序数据也显示Yoda1处理显著增加OGD条件下铁死亡相关基因的富集。Western blotting和流式细胞术等结果进一步证实，Yoda1通过促进铁死亡加重OGD处理下的巨噬细胞损伤。在体实验结果显示，髓系特异性Piezo1敲低改善MI小鼠心脏巨噬细胞膜脂质过氧化程度，减轻巨噬细胞铁死亡。在机制层面，作者发现Piezo1激活上调SLC15A3蛋白表达，促进巨噬细胞铁死亡(图6)。综上，本研究系统揭示了Piezo1在心肌梗死后调控巨噬细胞存活与功能的双重作用：一方面通过上调SLC7A11损害巨噬细胞的胞葬功能，降低巨噬细胞“清道夫”作用；另一方面通过上调SLC15A3加剧缺血环境下巨噬细胞铁死亡风险，使其在修复任务中“提前退场”。 

图6. Piezo1激活加重氧糖剥夺诱导的巨噬细胞铁死亡

为阐明Piezo1激活调控SLC7A11与SLC15A3表达的上游机制，作者对来自Piezo1^fl/fl与Piezo1^Lyz2小鼠的骨髓来源巨噬细胞，分别经DMSO或Piezo1特异性激动剂Yoda1处理，并进行RNA-seq分析。与前述结果一致，Yoda1显著上调Piezo1^fl/fl小鼠来源BMDMs中ATF4、SLC7A11和SLC15A3表达，而在Piezo1^Lyz2小鼠来源的BMDMs中该作用消失。进一步研究显示，Yoda1处理不仅升高巨噬细胞中ATF4的mRNA与总蛋白水平，还促进其核转位。敲低ATF4有效阻断Yoda1上调SLC7A11的作用，表明ATF4在此通路中起关键作用。此外，钙离子螯合剂BAPTA可有效逆转Yoda1导致的ATF4、SLC7A11和SLC15A3的表达上调(图7)。这些结果进一步揭示了Piezo1调控巨噬细胞胞葬和铁死亡的分子机制。 

图7. Piezo1以钙离子/ATF4依赖的方式上调SLC7A11在巨噬细胞中的表达，并以钙离子依赖的方式增加SLC15A3的表达

最后，作者通过骨髓腔注射包含F4/80特异性启动子的SLC7A11短发卡RNA腺相关病毒(AAV2-F4/80-SLC7A11-shRNA)，构建了骨髓源巨噬细胞特异性敲低SLC7A11小鼠(MoM-SLC7A11^KD)并建立心梗模型。结果显示，相较对照组(MoM-SLC7A11^WT)小鼠，MoM-SLC7A11^KD组小鼠心脏中巨噬细胞胞葬能力增强、心肌细胞凋亡减少、心功能和病理性重构得到显著改善，表明干预Piezo1下游的SLC7A11，确实能够有效改善心脏修复结局(图8)。 

图8. 骨髓单核源巨噬细胞特异性敲低SLC7A11有效改善MI后巨噬细胞胞葬作用和心功能

综上所述，本研究通过整合多组学分析与功能性实验，首次揭示了MI后骨髓中巨噬细胞机械敏感离子通道Piezo1的早期激活，建立了骨髓-心脏在MI中的通讯新机制，并系统阐明了Piezo1对巨噬细胞的双重调控作用。具体而言，Piezo1一方面通过上调SLC7A11蛋白的表达导致巨噬细胞胞葬功能缺陷，另一方面则通过上调SLC15A3加重缺血微环境下的巨噬细胞铁死亡，这些发现丰富了巨噬细胞在MI中作用机制，也为靶向巨噬细胞Piezo1治疗缺血性心脏病提供了理论依据(图8R)。未来，基于巨噬细胞胞葬功能和存活的精准干预策略，有望为减缓MI发生发展提供新的治疗方向。

该项工作主要由空军军医大学西京医院心血管内科彭露博士、夏云龙副教授、赵会寿讲师和郭永珍助理研究员等人共同完成，空军军医大学西京医院心血管内科陶凌教授和闫文俊副教授为文章共同通讯作者。上述工作得到了西安交通大学第一附属医院王胜鹏教授和首都医科大学附属北京安贞医院李玉琳教授的大力支持和无私帮助，并得到了国家自然科学基金委经费资助。

论文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41214880/