线粒体移植技术综述及其在体外、体内和临床的应用前景
2024-06-06 来源:MedChemExpress (MCE) 点击次数:3814
图 1. 线粒体移植技术[1]。
线粒体移植 (MT, Mitochondrial transplantation) 是指将分离获得的线粒体注射到组织器官的受损部位，或者注射到血液循环系统，从而发挥疗效的技术。在细胞水平上，则是指将分离获得的线粒体转移至靶细胞，来研究线粒体移植效果的技术。
Tips：为什么要进行线粒体移植？
1) 外源线粒体进入到生理环境中的细胞后，将提高细胞能量供应、促进细胞存活；但线粒体进入到缺氧和酸性的肿瘤组织后，将大量产生氧自由基、诱发细胞死亡。线粒体这种环境响应性的药理特性，可应用于清除肿瘤细胞、恢复受损组织的功能。
2) 1982 年，Clark 和 Shay 研发出了第一种将异种来源的线粒体移植到另一个细胞中的方法。2007 年，从大鼠细胞中分离出的线粒体被成功整合到受损的人类间充质干细胞 (Mesenchymal stromal cells, MSCs) 中，改善了代谢功能。此后，大量研究表明，线粒体可以整合到细胞中发挥作用。
3) 近年来，该技术在体外、体内和各种临床应用中展现出良好的应用前景，具有防止细胞死亡、减少炎症、恢复细胞代谢和适当的氧化平衡等益处。
小小能量站:
血管里布满了内皮细胞，它们对血管的形成和血液的流动至关重要。为了治疗缺血性疾病，将内皮细胞移植到血管阻塞部位附近，以促进血管的形成并恢复血液流向组织。
然而，这种疗法的一个相当大的局限性是内皮细胞 (Endothelial cells, ECs) 必须与未分化的干细胞 (间充质基质细胞, Mesenchymal stromal cell, MSCs) 共同移植 (间充质基质细胞支持组织修复和再生)。
目前为止，基质细胞促进内皮细胞移植的机制尚不清楚。近期，Nature 报道了一种创新的移植策略来帮助修复缺血组织。Lin 和他的同事发现基质细胞将线粒体转移到内皮细胞，这些线粒体在转移后被降解，促使内皮细胞产生自己的新线粒体。
该研究表明，人工将线粒体移植到内皮细胞中以模拟这种自然转移，可以通过移植的内皮细胞刺激血管的形成 (图 1)。
图 1. 线粒体细胞器的转移促进了血管的形成[2]。
为了在因血液供应不足 (缺血) 而受损的组织中生长新的血管，可以将排列在血管壁上的内皮细胞移植到受损的组织中。然而，这些细胞只有在与称为间充质基质细胞的干细胞共移植时才能成功形成新血管，这是该疗法的一个相当大的并发症。(a) Lin 等人 发现基质细胞通过被称为纳米管的细胞突起将一些线粒体转移到内皮细胞。转移的线粒体被 PINK1 和 Parkin 蛋白迅速标记为降解，这刺激了新线粒体的产生 (生物发生)，增强了内皮细胞的功能。(b) 为了模拟自然的线粒体转移，作者将从基质细胞中分离的线粒体人工移植到内皮细胞中，发现这些线粒体促进的内皮细胞移植物是可行的，并且在不需要基质细胞的情况下刺激血管的形成。▐ 新机制：MSCs 通过线粒体转移促进 EC 的植入
首先，Lin 等人在存在或不存在支持基质细胞 (MSCs) 的情况下将人内皮细胞 (ECs) 移植到小鼠皮肤下。并证实，只有共移植的移植物才有形成功能性血管的内皮细胞 (图 2)。在过去的十年中，基质细胞已被证明可以自然地将线粒体转移到其他类型的细胞，线粒体转移已被证明可以促进因缺血而受损的组织的再生。
图 2. 基质细胞对人 ECs 的移植至关重要[3]。
在免疫缺陷裸鼠皮下植入含有或不含 MSCs 的人内皮细胞移植物。7 天的人ECFCs (Endothelial colony-forming cells, 内皮集落形成细胞), HUVECs (Human umbilical vein endothelial cells, 人脐静脉内皮细胞)和 wat-ECs (White-adipose-tissue-derived ECs,白色脂肪组织来源的内皮细胞)的H&E 染色，突出灌注血管 (黄色箭头)。为了研究基质细胞 (MSCs) 的线粒体转移是否可以介导移植过程中内皮细胞 (ECs)的存活。作者用一种名为 DsRed 的荧光蛋白标记了基质细胞中的线粒体。
观察到 DsRed 标记的线粒体位于长长的突起物 (称为纳米管, Tunnelling nanotubes,TNTs) 中，这些突起物从基质细胞延伸出来并与内皮细胞直接接触。24 h 后，可以在新血管内壁的内皮细胞内看到 DsRed 标记的线粒体 (图 3)。
图 3. MSCs 通过线粒体转移促进 EC 的植入[3]。
(a) 注射 ECs 和 mitoRed-MSCs 的小鼠示意图，下图为带有 DsRed+ 的 TNTs。(b) 免疫荧光技术鉴定带有 DsRed+ 线粒体的 ECs (mitoRed-ECs)。然而，线粒体的转移出人意料地短暂：它在联合移植后立即开始，并在血管稳定后停止。此外，选择性阻断纳米管的形成会破坏线粒体的转移并损害血管形成。这些发现表明，线粒体通过纳米管（TNTs）的瞬时转移是 MSCs 支持 ECs 移植物活力的方式。
▐ 外源线粒体人工移植到 ECs 中是否可以增强其植入？
由于当前治疗缺血的方法的局限性，作者想知道用线粒体人工启动内皮细胞是否可以模拟联合移植的效果。为此，作者将从基质细胞中分离出来的线粒体与 ECs 一起孵育，这样线粒体就可以通过一种称为内吞作用的过程被吸收，实现线粒体的人工移植 (称为 mitoAT-EC) (图 4a)。
图 4. 外源线粒体移植促进 ECs 植入[3]。
(a) 线粒体分离和移植过程示意图。(b) Seahorse 分析显示移植后 24 h mitoAT-ECs的呼吸增强(n=6)。OCR: Oxygen consumption rate,耗氧率; OM, Oligomycin，寡霉素; FCCP，Carbonyl cyanide-p-trifluoromethoxyphenyl hydrazone，羰基氰化物-对三氟甲氧基苯腙; R&A，rotenone andantimycin A，鱼藤酮和抗霉素。(c) Seahorse 分析产生 ATP。(d) ECs 与 mitoAT-ECs 的功能比较: H2O2 暴露后 ATP 生成。(e) 小鼠移植 ECs 或 mitoAT-ECs 结果图示。这种人工线粒体移植复制了自然转移过程，受体内皮细胞的代谢活性增强 (图 4b-d)。在糖尿病裸鼠的缺血后肢模型中，mitoAT-EC 的植入水平显著提高，可有效改善血流并防止组织坏死 (图2i-p)。线粒体移植对 ECs 的增强功能可能并不直接依赖于线粒体的功能性。
▐ 外源线粒体移植诱导 mitoAT-EC 细胞自噬
从基质细胞转移过来的线粒体不需要有增强内皮细胞移植物的功能，因为转移过来的线粒体在一个叫做线粒体自噬的过程中迅速降解，而不是与现有的线粒体池融合。
作者在内皮细胞的自噬体中观察到人工移植的线粒体，但是当他们通过沉默编码 PINK1 或 Parkin 的基因表达来破坏线粒体自噬时，这阻止了线粒体被这些囊泡吞没，即在受体内皮细胞中沉默 Parkin (由 PRKN 编码) 可以消除 mitoAT-EC 中LC3B+ 自噬体的形成 (图 5a-b)。
图 5. 外源线粒体移植诱导 mitoAT-EC 细胞自噬[3]。
(a) 免疫荧光显示移植 24 h 后 mitoAT-EC 中外源性 DsRed+ 线粒体 (红色 )与内源性 Parkin (Alexa 647) 共定位 (白色箭头)。(b) mitoAT-EC 中 LC3B+ 自噬体的免疫荧光检测。Parkin 和 PINK1 沉默 (shRNA) 对供体 MSC 线粒体 (mito) 或受体 EC 的影响，DAPI 为细胞核。(c) 沉默 PINK1 和 PRKN 对间充质干细胞共植内皮细胞植入能力的影响: 第7天血管灌注移植物 (箭头) 的观察和 H&E 染色。(d) 图中显示 Parkin (受体 ECs) 和 PINK1(供体线粒体)在 mitoAT-ECs 中自噬激活中的作用。
同时，当使用 shPRKN-ECs 或 shPINK1-MSCs 时，含有 ECs 和 MSCs 的移植物在第 7 天的血管形成明显减少 (图 5c)。值得注意的是，线粒体自噬诱导受体内皮细胞产生新的线粒体 (线粒体生物发生)，从而增强细胞功能并刺激血管形成。在机制上，这些结果证实了 PINK1-Parkin 途径介导线粒体自噬，而线粒体自噬反过来调节线粒体移植后 mitoAT-EC 所表现出的增强的植入能力 (图 5d)。
这项研究揭示了细胞应激条件下的线粒体转移机制，体外人工线粒体移植可以有效提高 ECs 在缺血组织中的移植能力，从而形成新的血管，并且线粒体移植不依赖于其他细胞类型，大大降低了临床转化的难度，具有重要的研究意义。
| Mdivi-1 Mdivi-1 是一种有效的线粒体分裂/线粒体自噬 (mitophagy) 抑制剂。 |
| AICAR 阿卡地新 AICAR (Acadesine) 是一种腺苷类似物，也是一种 AMPK 激活剂。AICAR 调节葡萄糖和脂质的代谢，并抑制促炎细胞因子和 iNOS 的产生。AICAR 也是一种自噬 (autophagy)，YAP 和 mitophagy 抑制剂。 |
| Adezmapimod Adezmapimod 不抑制 JNK 活性，是一种自噬 (autophagy) 和线粒体自噬 (mitophagy) 激活剂。 |
| Olaparib Olaparib 是一种自噬 (autophagy) 和线粒体自噬 (mitophagy) 激活剂。 |
| CCCP CCCP 是氧化磷酸化 (OXPHOS) 解偶联剂。CCCP 诱导 PINK1 激活，促进 Parkin 在 Ser65 位点磷酸化。 |
| Salinomycin Salinomycin 是 Wnt/β-catenin 信号传导的有效抑制剂，阻断 Wnt 诱导的 LRP6 磷酸化。 FCCP FCCP 是线粒体中氧化磷酸化 (OXPHOS) 解偶联剂。FCCP 诱导 PINK1 激活，促进 Parkin 在 Ser65 位点磷酸化。 |
[1] Main EN, et al. Mitochondria as a therapeutic: a potential new frontier in driving the shift from tissue repair to regeneration. Regen Biomater. 2023 Aug 12;10:rbad070.
[2] Evans CS. Cells destroy donated mitochondria to build blood vessels. Nature. 2024 May;629(8012):539-541.
[3] Lin RZ, et al. Mitochondrial transfer mediates endothelial cell engraftment through mitophagy. Nature. 2024 May;629(8012):660-668.