纳米管介导的线粒体转移在肿瘤免疫治疗研究中的应用
2024-11-29 来源: MedChemExpress (MCE) 点击次数:113401
肿瘤与免疫
免疫细胞与癌细胞就像是两军对战，抗争已久。癌细胞相当“狡猾”！不断通过免疫检查点分子逃避 T 细胞介导的肿瘤免疫。比如，癌细胞会高表达 PD-L1，可与 T 细胞表面的 PD-1 结合，“蒙蔽”T 细胞，使 T 细胞误以为是同类，从而实现免疫逃逸。此外，癌细胞会促使一些免疫细胞表达更多的 CTLA-4 受体，这种蛋白会传递“刹车”指令，抑制 T 细胞对自己的杀伤作用。
图 1. CTLA-4 和 PD-1 的图示[1]。
于是，见招拆招！科研家们开发了多种肿瘤免疫疗法，如免疫检查点阻断 (Immune checkpoint blockade, ICB)，使用抗 CTLA-4 或抗 PD-1 抗体阻断 CTLA-4 和 PD-1 的结合，抑制 T 细胞中的这些抑制信号，从而改善肿瘤细胞的根除。
然而，癌细胞为了"活命"也是花样百出。这不，Tanmoy Saha 等人首次研究了癌细胞和免疫细胞之间的线粒体运输，发现癌细胞可以通过纳米管介导“偷走”免疫细胞线粒体，癌细胞不仅获得了代谢功能，而且在此过程中也严重地使免疫细胞丧失功能[2]。
02
癌细胞“偷走”线粒体
癌细胞伸出"魔爪"—纳米管
研究人员设计了一个简单的实验，将不同的鼠/人类乳腺癌细胞与效应免疫细胞 (如自然杀伤 T 细胞 (NKT) 或 CD3+ /CD8+ T 细胞) 共培养，并使用场发射扫描电子显微镜 (FESEM) 检查共培养中的细胞间相互作用。有趣的是，FESEM 图像分析显示癌细胞和免疫细胞通过纳米级管状结构进行物理连接 (图 1a-d)。在某些情况下，发现来自癌细胞的单个纳米管与几个免疫细胞串联连接并与免疫细胞膜形成多个接触 (图 1d)。
图 2. 癌细胞和效应免疫细胞通过物理纳米管连接[2]。
a-b. FESEM 图像显示乳腺癌细胞和免疫细胞之间的纳米管 (红色箭头)。CD8+ /CD3+ T 细胞被添加到 MDA-MB-231 (a) 或 4T1 细胞 (b) 中。在 a 中，纳米管似乎在 T 细胞周围分支。c. 左图：FESEM 图像显示免疫金标记的 CD8+ T 细胞和 4T1 癌细胞之间的纳米管 (红色箭头)。右图：在更高放大倍数下，可以在 T 细胞表面看到金纳米粒子 (直径，10 nm)(蓝色箭头)。d. 左图：FESEM 图像显示单个纳米管可以将癌细胞 (4T1) 与多个 T 细胞 (黄色箭头) 连接起来。中间：放大视图显示纳米管与免疫细胞之间的相互作用。右图：黄色箭头表示纳米管与免疫细胞融合的芽体。
此外，在某些情况下，纳米管会聚集形成更厚的纳米管。可不要小瞧了这个纳米管，它可是能做不少“坏事儿”。很快，研究人员发现，纳米管介导免疫细胞和癌细胞之间的线粒体转移。
纳米管状结构
纳米管状结构除了参与免疫细胞之间的细胞间通讯外，也能介导 HIV 病毒在 T 细胞之间的转移、朊病毒在神经元之间的转移，赋予癌细胞生存优势和转移。纳米管还能进行细胞间细胞器运输，比如上皮细胞之间线粒体的转移。
纳米管："偷走"T 细胞线粒体
首先，研究人员使用 MitoTracker Green (一种绿色荧光探针) 标记了自然杀伤 T 细胞 (NKT) 中的线粒体。其次，清洗免疫细胞以去除任何未结合的染料。然后，将该免疫细胞添加到转移性乳腺癌细胞培养物中。
该细胞一开始没有任何标记的线粒体。然而，在共培养后 16 h，观察到癌细胞中出现大量点状绿色荧光 (图 2)，这与线粒体从免疫细胞转移到癌细胞一致。使用鬼笔环肽红染色纳米管中的 F-肌动蛋白，可观察到 MitoTracker 标记的线粒体在纳米管内共定位 (图 2)，支持通过纳米管进行线粒体运输。
图 3. MitoTracker-Green 标记的线粒体从免疫细胞转移到癌细胞[2]。
顶部：代表性共聚焦图像显示连接 NKT 和 4T1 细胞的纳米管。在与癌细胞 (4T1) 共培养之前，NKT 细胞 (DN32.D3) 中的线粒体用 MitoTracker Green (绿色) 染料标记。Rhodamine phalloidin (罗丹明鬼笔环肽) (红色) 用于标记所有细胞中的肌动蛋白丝。癌细胞中绿色信号 (合并图像中显示为黄色) 的存在代表 MitoTracker-Green 标记的线粒体从免疫细胞转移到癌细胞。底部：纳米管中肌动蛋白的 MitoTracker 定位 (黄色箭头)。
此外，测试了线粒体转移的方向性，结果表明，线粒体的运输主要是单向的——从免疫细胞到癌细胞。
免疫细胞：灾难！要无法呼吸了
接下来，研究人员通过代谢分析研究了线粒体转移对癌细胞和免疫细胞的影响。在免疫细胞中观察到呼吸能力显著降低，相反，癌细胞表现出更高的呼吸能力。此外，观察到共培养试验中免疫细胞数量在 16 h 内显著减少，癌细胞则表现出明显更高的生长。
作者进一步通过敲低参与纳米管形成 (Sec3 和 Sec5) 和线粒体运输 (Mirol) 的蛋白质，清楚地建立了线粒体转移是由纳米管介导机制驱动的。于是，选用了一种已经被描述的纳米管形成抑制剂，L-778123 (可在非细胞毒性浓度下有效抑制纳米管的形成)。同时，Saha 等人将抗 PD1 抗体与 L-778123 结合，在乳腺癌小鼠模型中进行试验。结果发现，与 PD1 单独治疗相比，L-778123 联合 PD1 阻断显著增加了肿瘤内 T 细胞的活化和浸润，导致肿瘤进展延迟，动物存活时间延长 (图 3b)。
图 4.线粒体劫持的药物阻断可提高 T 细胞抗肿瘤免疫[3]。
a. 癌细胞纳米管介导的 T 细胞线粒体劫持 (蓝色) 增强了癌细胞代谢，同时损害了T细胞活化 (即 CD69)、增殖和效应物功能，从而限制了癌症免疫治疗的疗效 (αPD1)。
b. L-778123 抑制纳米管形成，可防止线粒体“盗窃”，从而增强免疫检查点抑制剂引发的抗肿瘤 T 细胞免疫反应。
03
T 细胞“充电”！
线粒体的丢失和功能障碍导致 T 细胞衰竭，这使 T 细胞免疫疗法成功的主要障碍。不过，近期，研究人员发现，骨髓基质细胞 (BMSC) 与 T 细胞也可建立纳米管连接，并利用其将基质细胞线粒体移植到 CD8+ T 细胞中，变身“超强 T 细胞”！
免疫细胞：纳米管，我也可以！
相似地，研究人员对人类/小鼠 BMSC 和物种匹配的 CD8+ T 细胞进行了共培养研究。24 h 后固定细胞并使用场发射扫描电子显微镜 (FESEM) 检查，发现复杂的纳米管结构在人类/小鼠 BMSC 和 CD8+ T 细胞中存在物理连接 (图 4)。
图 5. FESEM 图像显示人类 (a 和 b) 和小鼠 (c 和 d) 共培养物中 BMSCs 和 CD8+ T 细胞之间的纳米管 (黄色箭头)[4]。
图像显示细 (a)、粗 (b) 和分支 (B1) 纳米管。
从 BMSC 运输线粒体到 CD8+ T 细胞
为了确定线粒体是否确实在纳米管内从 BMSC 运输到 CD8+ T 细胞，作者使用 dsRed (红色荧光蛋白) 标记 BMSC 的线粒体亚基蛋白 (COX8A)(称为 Mito-dsRed)，并使用共聚焦显微镜观察 BMSC 与 CD8+ T 细胞的共培养。共培养 24 h 后，观察到部分人类和小鼠的 CD8+ T 细胞中均获得了 dsRed 红色荧光信号 (图 5)。表明纳米管内部出现线粒体转移 (红色箭头)。
图 6. 细胞间纳米管介导线粒体从 BMSC 运输到 CD8+ T 细胞[4]。
同时，使用 Phalloidin Green (鬼笔环肽，绿色荧光) 和 DAPI 染色。纳米管内 DAPI 和 dsRed 信号的共定位 (图 5a) 表明完整的线粒体从 BMSCs 运输到 CD8+ T 细胞。
也就是说，癌细胞虽然可通过纳米管“偷走”T细胞的线粒体，但免疫细胞也为自己开辟了一条“充电通道”：通过纳米管介导小鼠和人类细胞中线粒体从 BMSC 到 CD8+ T 细胞的细胞间运输。
T 细胞："变身"超强 T 细胞
线粒体的一项关键任务是产生能量，主要通过有氧呼吸。研究人员进一步评估了供体线粒体对 CD8+ T 细胞呼吸的影响。发现 BMSC 线粒体移植增强了 CD8+ T 细胞代谢适应性，表现出明显更高的基础呼吸和备用呼吸能力 (SCR)。
此外，线粒体转移增强 CD8+ T 细胞对实体肿瘤的抗肿瘤免疫力。转移的线粒体赋予了更强的细胞植入和扩增，能有效地浸润肿瘤，介导更强劲的肿瘤消退，显著延长了小鼠的生存期。同时赋予了 T 细胞对衰竭的抵抗力，并促进了向强效的细胞毒性效应细胞的分化。
04
小结
癌细胞与免疫细胞之间的“对决”始终没有结束，肿瘤免疫治疗仍有许多待开发之处，纳米管介导的线粒体转移也再次证明了线粒体的重要作用。希望这两篇高分文献能够给大家带来新的启发~
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参考详情：
[1] Wang DR, et al. Therapeutic targets and biomarkers of tumor immunotherapy: response versus non-response. Signal Transduct Target Ther. 2022 Sep 19;7(1):331.
[2] Saha T, et al. Intercellular nanotubes mediate mitochondrial trafficking between cancer and immune cells. Nat Nanotechnol. 2022 Jan;17(1):98-106.
[3] Baldwin JG, et al. Cancer cells hijack T-cell mitochondria. Nat Nanotechnol. 2022 Jan;17(1):3-4.
[4] Baldwin JG, et al. Intercellular nanotube-mediated mitochondrial transfer enhances T cell metabolic fitness and antitumor efficacy. Cell. 2024 Nov 14;187(23):6614-6630.e21.
