心肌细胞收缩依赖于线粒体产生的能量。As everyone knows，在心脏发育和疾病过程中，心肌细胞线粒体网络的结构和功能与许多其他因素一起发生重构，包括：营养利用率的变化，血流动力学负荷，细胞外基质(ECM)的硬度，细胞形状和其他细胞内结构的成熟。但是，这些因素中的每一个因素对线粒体网络结构的单独影响尚不明确。在这项研究中，来自南加利福尼亚大学的研究人员探究了心肌细胞中细胞长径比(AR)和ECM硬度在调节线粒体网络结构中的作用，以Mitochondrial architecture in cardiac myocytesdepends on cell shape and matrix rigidity为题发表在《Journal of Molecular and Cellular Cardiology》上。
研究背景
心脏是人体zui活跃的代谢器官之一，每天大概要产生30公斤的ATP。大部分ATP是由心肌细胞中的线粒体产生的，并用于肌节的加速缩短。线粒体网络的结构本身是由线粒体生物发生、线粒体融合和线粒体自噬的平衡来动态调节的。这些过程共同塑造了贯穿整个生理和病理生长阶段的线粒体网络，并与能量需求、营养可用性和其他尚未*了解的因素动态适应。许多病理条件下，心肌的ECM硬度增加，且与血流动力学具有相关性，这是已知的能触发不良心肌细胞形状重塑的两个因素。之前的体外研究表明，细胞形态和/或ECM硬度的变化在生理和病理上都改变了心肌细胞的细胞骨架、细胞核形态、细胞伸缩性及电生理特性。然而，线粒体网络结构是否也会受到细胞结构和ECM硬度的影响还没有被确定。
研究结果
本研究的目的是验证细胞AR和ECM刚性调节心肌细胞线粒体网络结构的假设。为了单独调节AR和ECM的硬度，研究人员在三种不同硬度表面用纤连蛋白微打印了的表面单细胞大小的矩形，分别为柔软型（3:1）、中等型（7:1）、坚硬型（11:1）（图1）。
图1 工程化的心肌细胞培养在特定AR和ECM硬度的材料上。新生大鼠心室肌细胞培养在纤连蛋白打印的、特定ECM硬度和PDMS基片的微接触小室中。每组图片中，顶部图像是α肌动蛋白（白色）和DAPI（蓝色）反褶积z叠加的maximum投影，底部图像是MitoTracker染色的反褶积后z堆叠的maximum投影。比例尺5ｕm。
随后，研究人员在这些表面培养新生大鼠心室肌细胞，并使用共聚焦显微镜和图像处理技术来量化参数，如线粒体体积、表面积-体积比和数量（图2）。
图2 线粒体网络示意图。培养在特定AR上的反褶积z叠加的MitoTracker (红色)，α肌动蛋白 (白色)和DAPI (蓝色)经过三维重构后的心肌细胞。下面的三幅图像是上面图像的子集。所有的心肌细胞培养在柔软的表面。比例尺5ｕm。
本研究的结果表明，随着心肌细胞的伸长，线粒体体积增加，碎片减少，从而形成更大、更融合的线粒体网络。对于部分AR，本研究还发现随着ECM硬度的增加，线粒体体积减少，碎片化增加，这与病理状态下心肌细胞的变化一致。这些结果表明（图3），细胞外线索在心脏发育和疾病中是显著的，特别是细胞形状重塑，直接影响心肌细胞线粒体网络的形态。这些线粒体网络结构的改变可能导致代谢功能的生理和病理改变，由于肌节缩短依赖于ATP的产生，这一研究可能提示收缩性能和心输出量的下游靶点。
图3 线粒体结构在心肌细胞AR和ECM硬度中的作用。饼状图表示了小(< 1ｕm3)、中(1 - 10ｕm3)和大(> 10ｕm3)线粒体网络在ECM硬度和肌细胞长径比中的容积率。圆的大小与线粒体总量成比例。
总结
随着心肌细胞的伸长，线粒体网络变得更大更融合。ECM硬度的增加也可以选择性地增加线粒体碎片。这些数据表明，在心脏发育和疾病期间发生的细胞形状和机械负荷的变化会影响线粒体网络的结构，这可能对心肌的代谢和收缩性能有影响。这些结果还确定了促进心肌细胞成熟的机制和线粒体网络的初级心肌细胞在体外用于改善干细胞来源的心肌细胞的表型。最后，这些研究结果为体外心脏疾病的工程模型提供了重要的设计参数，也为再生医学可定制的心脏替代组织提供了重要的设计参数。
参考文献:
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.
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