近日，南方科技大学冷冻电镜中心刘铮教授、隋森芳院士团队联合同济大学附属第十人民医院心脏中心徐亚伟、车文良教授团队，广州医科大学附属第一医院呼吸疾病全国重点实验室赵金存、王延群教授团队在国际期刊 Journal of Advanced Research 发表题为“SARS-CoV-2 damages cardiomyocyte mitochondria and implicates long COVID-associated cardiovascular manifestations”的研究论文。该项研究首次系统揭示了新冠病毒感染对心肌细胞线粒体的长期结构性损伤，为解释长新冠心血管疾病致病机制提供了细胞层面的直接证据。
多项流行病学研究显示，长新冠在感染者中比例12-17%，保守估计，全球长新冠患者人数已将近1亿。心血管系统是呼吸系统之外长新冠症状最为严重的，最常见的疾患包括心律失常、低血压、静脉血栓栓塞性疾病、心肌炎和心力衰竭等。随着新冠大流行进入波动性流行阶段，长新冠相关心血管并发症的病理机制也亟待阐明。
这项研究聚焦于五例临床长新冠患者，这些患者在感染后1至3个月内出现多种心血管症状，包括晕厥和心脏骤停、心悸和胸痛、呼吸困难和疲劳等。通过心内膜心肌活检获得了珍贵的心脏组织样本，应用组织病理学、免疫组织化学和电镜观察发现所有患者均存在心肌炎的特征，如炎性细胞浸润、肌纤维束损伤及间质纤维化等。进一步的电镜观察显示，患者心肌细胞中线粒体广泛出现结构异常：线粒体膜肿胀、空泡化，嵴结构明显破坏，表现为嵴膜断裂、排列紊乱甚至完全消失，内部基质密度不均，线粒体内膜系统严重受损等。
图1. 5例长新冠患者的心肌活检组织样本的电镜观察结果，显示心肌组织出现有纤维化堆积、肌丝束损伤与坏死；脂褐素堆积以及严重的线粒体结构损伤
为进一步量化线粒体超微结构损伤，研究团队采用聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）技术对活检样本进行三维体积成像。通过离子束连续切割表面（每层厚度10nm）和图像数据收集，构建了微米尺度的三维组织块结构模型。开发了深度学习软件 MitoStructSeg 对线粒体外膜、内膜及嵴膜进行自动分割。结果显示，60%-90%的线粒体呈现结构紊乱，显著高于二维图像估算值（40%-60%），表明三维分析较传统二维图像更精准地揭示了线粒体损伤程度。通过计算嵴密度（SCRIS/VMITO），提示能量代谢功能严重受损。这种三维定量方法克服了传统电镜超薄切片方向单一导致的偏差，为线粒体病理分析提供了更高分辨率和更准确的评估手段。
动画1. 心肌活检组织样本的3D体电镜研究
动画2. 健康与损伤线粒体3D结构
图2. 5例患者 FIB-SEM 损伤线粒体的3D定性与定量分析
在动物模型中，SARS-CoV-2 Omicron BA.5.2和BQ.1感染小鼠的心肌组织同样表现出线粒体超微结构异常。电镜结果显示，感染后小鼠心肌细胞线粒体嵴结构断裂、排列松散，部分线粒体出现肿胀和基质空泡化，与人类病例的病理特征高度相似。蛋白质组学分析揭示了线粒体相关蛋白的显著变化，这些差异表达蛋白主要富集于线粒体氧化磷酸化、线粒体外膜和内膜上转运蛋白、线粒体结构相关蛋白、细胞自修复蛋白、纤维化相关蛋白和心肌收缩等重要蛋白和信号通路上。显著上调的线粒体相关蛋白包括：转运体（TOM40、TOM20、TIM13、ADP/ATP载体蛋白 Slc25a13等）通过增强前体蛋白输入补偿膜损伤，线粒体稳态调控蛋白（外膜排序和组装组件Samm50、抑制线粒体碎片化的Prohibitin 1、线粒体内膜蛋白Mpv17等），氧化磷酸化复合物（细胞色素c氧化酶、细胞色素bc1复合体和NADH脱氢酶），进一步解释了新冠病毒感染对线粒体损伤后引发各种心血管病症的分子机制。
图3. 感染新冠病毒BA.5.2与BQ.1亚型与对照组小鼠心肌组织的电镜超微结构观察
该研究通过结合临床样本和动物模型，应用三维体电镜技术和蛋白质组学分析，不仅明确了线粒体嵴系统的病理特征，还揭示了宿主细胞通过线粒体稳态调控细胞应激反应，深化了新冠病毒感染对多系统影响的理解，也为开发针对线粒体功能障碍的治疗策略奠定了理论基础。
车文良、王延群、南方科技大学生命科学学院博士研究生郭帅为本文的共同第一作者。刘铮、徐亚伟、赵金存、隋森芳为本文的共同通讯作者。北京理工大学万晓华教授、张法教授，南方科技大学冷冻电镜中心王培毅教授和祝建教授也参与了研究。本研究得到国家自然科学基金等项目的资助。
原文链接： https://doi.org/10.1016/j.jare.2025.05.013
