空间转录组、蛋白质组、脂质组与透射电镜技术揭示线粒体结构与功能障碍驱动心脏衰老的完整分子机制

意大利坎帕尼亚大学、IRCCS INRCA老年研究所等多家顶尖科研机构联合在衰老领域顶级期刊《Aging Cell》发表题为 “Electron Microscopy and Multi-Omics Reveal Mitochondrial Dysfunction and Structural Remodeling in the Hearts of Elderly Mice” 的重磅研究。

该研究首次整合空间转录组、无标记定量蛋白质组、代谢-脂质组学与透射电镜技术，对成年（12个月）、中年（24个月）和老年（30个月）三个生命阶段的小鼠心脏进行了多尺度分析，系统揭示了线粒体结构与功能障碍驱动心脏衰老的完整分子机制，为延缓心脏衰老、防治老年心血管疾病提供了全新的潜在治疗靶点。

百迈客生物为该研究提供了百创空间转录组BMKMANU S1000测序服务！

研究背景

衰老是心脏功能障碍的核心驱动因素，会引发心脏结构重塑、代谢紊乱和细胞弹性丧失，最终导致心力衰竭等老年心血管疾病。其中，线粒体功能障碍被公认为心脏衰老的中心环节，但其与转录组、蛋白质组和代谢组重塑的具体关联机制，以及不同细胞类型在心脏衰老中的特异性作用，长期以来未能被系统解析。

传统单组学技术无法捕捉多维度的分子网络变化，而普通单细胞测序又会丢失关键的空间位置信息，成为制约心脏衰老机制研究的核心瓶颈。

研究结果

构建临床精准的小鼠心脏衰老研究模型

为真实模拟人类心脏的生理性衰老过程，研究团队建立了严格的小鼠衰老分级模型，并通过多维度临床指标验证了模型的有效性：

· 临床衰弱指数（CFI）评估显示，仅 30 月龄小鼠表现出显著的衰弱表型，符合老年生物学衰老特征（图 1a）；

· 心电图与超声心动图检测证实，随着年龄增长，小鼠心脏舒张功能障碍指数（DDI）显著升高，30 月龄小鼠 E/A 比值大幅下降（图 1d），提示心肌舒张能力显著受损、左心室充盈压升高；

· 射血分数（EF）和缩短分数（FS）在各年龄组间无显著差异（图 1b-c），证实衰老主要导致心脏舒张功能障碍，与临床老年人心血管疾病的核心特征高度一致。

基于上述结果，研究团队确定以成年、中年和老年小鼠为研究对象，开展后续的多组学与超微结构分析。

透射电镜揭示线粒体超微结构的年龄依赖性损伤

透射电镜（TEM）观察首次直观呈现了心肌细胞线粒体随年龄增长的渐进性损伤：24 月龄小鼠已出现早期线粒体嵴稀疏、溶解现象；30 月龄老年小鼠心肌细胞表现出显著的线粒体重塑，包括线粒体肿胀、嵴结构严重破坏、嵴密度显著降低（图 2a-d）；形态计量分析证实，线粒体面积、圆形度随年龄显著增加，而代表线粒体功能完整性的嵴评分显著下降。同时，老年心脏的脂质代谢也出现异常：正常形态的脂滴数量大幅减少，取而代之的是大量指示脂质耗尽的层状涡旋结构（图 3a-d），提示心肌细胞脂质利用能力受损。

空间转录组原位定位心脏衰老的基因表达特征

传统单细胞测序技术无法保留基因表达的空间位置信息，难以区分不同细胞类型在心脏组织中的特异性变化。百创S1000空间转录组技术以超高分辨率突破了这一瓶颈，为本次研究提供了决定性的原位分子证据：

· 精准绘制心脏细胞空间图谱：在小鼠左心室组织中鉴定出心肌细胞、周细胞、巨噬细胞、内皮细胞等 8 种主要细胞亚型（图 4b），并明确了各细胞类型在不同年龄组中的分布特征（图 4c），证实心肌细胞作为心脏的主要功能细胞，其转录组重塑是心脏衰老的核心驱动力。

· 筛选关键衰老相关差异基因：共鉴定出 76 个显著差异表达基因（图 4d），通路富集分析显示纤维化、左心室功能障碍、肥厚型心肌病等心血管疾病相关通路显著富集（图 4e）。

· 明确基因表达的空间调控模式：心脏保护基因（MANF、CISH、NPPB/BNP）和线粒体转运基因TIMM10在老年心肌细胞中显著下调，分别导致内质网应激加剧、炎症反应失控和呼吸链复合物组装缺陷；促纤维化标志物（CTGF/CCN2、BGN、POSTN、ANKRD1）在心肌细胞及周围基质区域显著上调，直接推动心脏纤维化和心室僵硬。

百创S1000空间转录组的核心贡献：首次在组织原位明确了心脏衰老相关基因的细胞来源和空间分布模式，纠正了以往认为心脏纤维化仅由基质细胞主导的片面认知，为理解心脏衰老的细胞特异性机制提供了全新视角。

蛋白质组学验证线粒体能量代谢通路的系统性紊乱

无标记定量（LFQ）蛋白质组学分析共鉴定出 884 个与衰老显著相关的差异蛋白（p<0.05），层次聚类显示不同年龄组的蛋白表达谱存在明显分离（图 5a），证实心脏衰老过程中发生了深刻的蛋白质组重塑：氧化磷酸化复合体 V 关键亚基 Atp5d、Atp5e 显著下调，直接导致心肌细胞 ATP 生成能力下降；抗氧化蛋白谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPx4）、过氧化物酶 1（Prdx1）和线粒体通透性转换孔调控蛋白 PPif 表达降低，进一步加剧氧化应激和线粒体损伤；三羧酸循环（TCA）和糖酵解相关蛋白（Pdha1、Suclg2、Ogdh）显著上调，提示心肌细胞能量代谢从高效的氧化磷酸化向低效的糖酵解重编程；泛素 – 蛋白酶体系统相关蛋白（Psmc2、Psmc3、Usp15）表达升高，反映了细胞对受损蛋白的清除代偿机制。

代谢-脂质组学揭示氧化应激与脂毒性的协同损伤

代谢组和脂质组学分析显示，三个年龄组的代谢谱存在显著分离（图 6a-b），甲基乙二醛降解、丙氨酸代谢、丙酮酸代谢等与线粒体功能密切相关的通路显著富集（图 6c）：代谢层面：乳酸酰谷胱甘肽（LGSH）水平随年龄显著升高，而还原型谷胱甘肽（GSH）、肌肽和鹅肌肽等内源性抗氧化物质大幅减少（表 1），提示老年心脏处于严重的氧化应激状态，抗氧化防御系统崩溃；脂质层面：老年心脏中神经酰胺（Cers）和甘油二酯（DGs）大量积累，且以中长链（C20-C40）、高不饱和度脂肪酸为主（图 6d-e），这些脂毒性物质会进一步损伤线粒体呼吸链功能，激活心肌细胞凋亡通路。

研究总结

该研究通过整合百创S1000空间转录组、多组学与电镜技术，首次绘制了小鼠心脏衰老的多尺度分子图谱，明确了 “线粒体结构重塑→能量代谢重编程→氧化应激加剧→脂毒性积累→心脏纤维化与舒张功能障碍” 的核心级联反应，证实了线粒体功能障碍是心脏衰老的中心环节。

该研究不仅深化了我们对心脏衰老分子机制的系统理解，更为延缓心脏衰老、防治心力衰竭、高血压性心脏病等老年高发心血管疾病提供了全新的治疗靶点和策略。百创S1000空间转录组技术，为本次研究提供了关键的原位分子证据，充分展现了其在器官衰老、心血管疾病等生命科学前沿领域的强大技术优势。