心肌缺血-再灌注（I/R）损伤主要源于线粒体功能障碍，尽管间充质干细胞衍生的外泌体（MSC-Exo）展现出一定的治疗潜力，但其靶向效率有限，尤其对线粒体的保护作用不足，限制了其临床应用的推广。
近期，Journal of Nanobiotechnology发表了一篇题为“Nanoscale engineered exosomes for dual delivery of Sirtuin3 and insulin to ignite mitochondrial recovery in myocardial ischemia-reperfusion”的研究（DOI: 10.1186/s12951-025-03474-z）。该研究由南方医科大学黄文华教授担任通讯作者，团队成员包括暨南大学利时雨副教授、广东省第二中医院戴振宁医生以及南方科技大学肖国芝教授。共同第一作者包括南方医科大学基础医学院杨佳鑫博士和云心怡硕士，以及南方医科大学第三附属医院郑蔚晗博士。
这项研究开发了一种创新的工程化外泌体平台（Exo-I-S），通过IRES质粒共同载入Sirtuin3（SIRT3）与GPI修饰的胰岛素，同步解决靶向递送（GPI-胰岛素）与线粒体修复（SIRT3）两大瓶颈。在试验中，Exo-I-S展现出更快的细胞摄取速度，显著改善线粒体功能，减轻氧化应激反应，并激活PI3K/AKT信号途径，促进Glut4的表达与定位，从而改善线粒体呼吸效率。在大鼠心肌缺血-再灌注损伤模型中，Exo-I-S有效缩小梗死面积，还原心脏功能。该平台结合了胰岛素的高靶向性和SIRT3的线粒体保护作用，为心肌缺血的治疗提供了具有潜力的干预策略。
为了实现SIRT3和GPI-胰岛素在外泌体中的共表达，科研团队采用了IRES质粒（pIRES-SIRT3/GPI+Insulin）转染至间充质干细胞（MSC）。免疫荧光染色和蛋白质检测确认，该质粒成功整合至MSC-I-S细胞及其分泌的外泌体（Exo-I-S）中，且胰岛素和SIRT3均得到表达。外泌体标志蛋白（如CD9、CD63、ALIX）检测显示其特性未受影响，电子显微镜图像也显示Exo-I-S具有典型的杯状结构。蛋白总量和纳米颗粒分析也未观测到明显差异，说明工程化操作既未破坏外泌体的基本特性，也未影响其生产效率。
利用H9c2细胞建立心肌缺血-再灌注（I/R）模型，评估Exo-I-S和未改造的Exo-WT在线粒体功能方面的作用。结果显示，I/R处理显著降低了线粒体膜电位，而经过Exo-I-S和Exo-WT处理后，这一指标显著上升，且Exo-I-S效果更为突出。染色显示，处理组的线粒体形态和分布有明显改善。氧化应激水平亦随之下降，细胞内ROS浓度明显减低。流式细胞术结果表明，Exo-I-S能有效减少细胞凋亡率，显示出其保护心肌细胞的潜能。整体来看，Exo-I-S在线粒体代谢调节和减少氧化损伤方面表现出明显优势。
研究还发现，Exo-I-S通过激活PI3K/AKT信号通路，提升了p-AKT和p-PI3K的表达水平。同时，Glut4的表达和细胞膜定位均增加，增强细胞葡萄糖摄取能力。利用Seahorse系统检测，Exo-I-S组的氧耗率和ATP生成均优于对照组，表明线粒体功能得到了增强。此外，Exo-I-S和Exo-WT都降低了细胞的ECAR（重要糖酵解指标），恢复了糖代谢能力。总体而言，Exo-I-S显著改善了心肌细胞的能量代谢状态，强化了其潜在的保护应用价值。
在大鼠I/R模型中，Exo-I-S显著提升了抗氧化酶SOD2的表达和组织中ROS的水平减低。同时，免疫检测显示，Glut4不仅大量转运到细胞膜，还伴随表达增加，促进了葡萄糖的有效利用。心肌损伤的程度通过血清肌钙蛋白I（cTnI）染色减弱，心肌细胞的损伤得到减轻，血管新生也有所增强。所有结果共同表明，Exo-I-S在改善线粒体功能、调节代谢和促进心肌修复方面具有显著的治疗潜力。
参考文献：
Nanoscale engineered exosomes for dual delivery of Sirtuin3 and insulin to ignite mitochondrial recovery in myocardial ischemia-reperfusion, J Nanobiotechnology. 2025 Jun 13;23(1):439. doi: 10.1186/s12951-025-03474-z.
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