間充質(zhì)干細(xì)胞介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移機(jī)制及其在癌癥治療中的應(yīng)用進(jìn)展

孫文梅，王家平，張維護(hù)，肖佩林

間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）來源于骨髓、脂肪和臍帶等多種組織，具有分化為多種細(xì)胞的潛能。研究證明，MSCs能分化為除中胚層以外的功能性細(xì)胞［1］。MSCs可通過多種機(jī)制修復(fù)組織，如細(xì)胞間的直接信號傳遞，可溶性分泌因子的旁分泌信號傳遞，以及形成含免疫分子和核糖核苷酸的外泌體或微囊進(jìn)而被受體細(xì)胞吞噬［2］。組織損傷早期，細(xì)胞中線粒體活性氧（ROS）釋放，鈣離子失衡，線粒體脫氧核糖核酸（mtDNA）和腺苷三磷酸（ATP）含量下降等一系列微環(huán)境改變觸發(fā)線粒體由MSCs轉(zhuǎn)移至受損細(xì)胞，使受損細(xì)胞線粒體的氧化磷酸化（OXPHOS）恢復(fù)，從而修復(fù)受損細(xì)胞及組織［3］。與修復(fù)受損組織的機(jī)制相似，MSCs介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移也是癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移及治療耐藥形成過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。癌癥進(jìn)展是涉及炎癥及周圍腫瘤微環(huán)境（TME）等多因素共同調(diào)節(jié)的過程。在癌癥進(jìn)展過程中，伴隨炎癥反應(yīng)，趨化因子常將MSCs募集到炎癥部位周圍［4］。TME的改變?nèi)鏡OS的積累、MSCs的代謝可觸發(fā)線粒體轉(zhuǎn)移機(jī)制，影響線粒體的生物發(fā)生，促進(jìn)癌細(xì)胞增殖，對相關(guān)治療產(chǎn)生不良影響。本文對MSCs介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移機(jī)制及其在癌癥治療中的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 MSCs介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移相關(guān)機(jī)制

在TME調(diào)節(jié)過程中，MSCs可通過隧道納米管（TNTs）轉(zhuǎn)移、縫隙連接內(nèi)吞、胞外囊泡（EVs）運(yùn)輸及細(xì)胞融合等機(jī)制將自身線粒體轉(zhuǎn)移至癌細(xì)胞，增強(qiáng)后者線粒體的OXPHOS，見圖1。

Fig.1 Mechanism of mitochondrial transfer mediated by MSCs圖1 MSCs介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移的相關(guān)機(jī)制

1.1 MSCs釋放線粒體 研究表明，在TME中，應(yīng)激信號如受損線粒體釋放、線粒體產(chǎn)物和ROS水平升高均會觸發(fā)線粒體從MSCs轉(zhuǎn)移至受損細(xì)胞［5］。Mahrouf-yorgov等［6］利用人脂肪源性多能干細(xì)胞作為MSCs模型與經(jīng)H2O2氧化處理后的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)在微環(huán)境影響下受損內(nèi)皮細(xì)胞的線粒體能夠觸發(fā)MSCs的抗凋亡機(jī)制，以此緩解細(xì)胞損傷。而對于癌細(xì)胞來說，MSCs抗凋亡機(jī)制有利于增加線粒體轉(zhuǎn)移數(shù)目，促進(jìn)癌細(xì)胞增殖與侵襲。在癌癥進(jìn)展過程中，炎癥是影響腫瘤預(yù)后的重要因素。炎癥狀態(tài)下癌細(xì)胞ROS釋放增加，一方面ROS激活核轉(zhuǎn)錄因子-κB（NF-κB），活化的NF-κB上調(diào)腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細(xì)胞介素-6（IL-6）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）及趨化因子表達(dá)，上述可溶性因子的表達(dá)激活腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞，促進(jìn)癌細(xì)胞增殖及轉(zhuǎn)移［7］；另一方面ROS水平升高觸發(fā)線粒體轉(zhuǎn)移機(jī)制，致使來源于TME中的MSCs線粒體轉(zhuǎn)移至癌細(xì)胞，提高其OXPHOS水平，促進(jìn)增殖。Burt等［8］將急性淋巴細(xì)胞白血?。ˋLL）患者染色后的骨髓MSCs暴露于ROS環(huán)境下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)活化的MSCs將線粒體沿TNTs轉(zhuǎn)移至ALL細(xì)胞，使ALL細(xì)胞OXPHOS恢復(fù)。

1.2 TNTs傳輸線粒體TNTs是一種細(xì)胞間的連接通道。Rustom等［9］利用三維活細(xì)胞顯微鏡在大鼠嗜鉻細(xì)胞瘤PC12細(xì)胞的轉(zhuǎn)化細(xì)胞以及大鼠腎臟原代細(xì)胞的培養(yǎng)中首次發(fā)現(xiàn)了TNTs的存在。研究表明，無論在體內(nèi)還是體外，TNTs都能運(yùn)輸細(xì)胞內(nèi)的離子、脂滴、病菌、線粒體和溶酶體等物質(zhì)［10］。TNTs運(yùn)輸線粒體主要涉及兩種機(jī)制，一種是由線粒體Rho GTP酶1（Miro1）相關(guān)的運(yùn)動蛋白復(fù)合體介導(dǎo)，驅(qū)動運(yùn)動蛋白復(fù)合體與微管結(jié)合運(yùn)輸物質(zhì)。Ahmad等［11］將MSCs與上皮細(xì)胞共同培養(yǎng)，使用線粒體特異性抑制劑魚藤酮或炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)劑TNF-α對上皮細(xì)胞進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)從MSCs轉(zhuǎn)移至上皮細(xì)胞的線粒體數(shù)目增多，并且在上皮細(xì)胞與MSCs之間TNTs形成增加，若敲除MSCs中的Miro1基因，發(fā)現(xiàn)線粒體無法轉(zhuǎn)移至上皮細(xì)胞。該研究證實(shí)Miro1作為動力蛋白相關(guān)的鈣敏感銜接蛋白能夠介導(dǎo)線粒體利用TNTs從MSCs轉(zhuǎn)移至上皮細(xì)胞，Miro1參與調(diào)節(jié)線粒體的穩(wěn)態(tài)及運(yùn)輸，抑制TNTs形成的關(guān)鍵因素將減少線粒體轉(zhuǎn)移。Li等［12］在大鼠顱腦基底節(jié)內(nèi)注射自體心臟血作為腦出血模型，免疫熒光染色顯示，過表達(dá)的Miro1可通過TNTs促進(jìn)線粒體運(yùn)輸及分布，減少神經(jīng)元壞死和凋亡。Lin等［13］將人臍帶沃頓膠MSCs中的線粒體轉(zhuǎn)移到魚藤酮應(yīng)激的線粒體DNA缺陷患者的皮膚成纖維細(xì)胞中，在熒光顯微鏡下觀察到沃頓膠MSCs中的線粒體通過TNTs轉(zhuǎn)移至成纖維細(xì)胞。若采用細(xì)胞松弛素B抑制肌動蛋白聚合，發(fā)現(xiàn)TNTs的形成受阻，沃頓膠MSCs介導(dǎo)線粒體未發(fā)生轉(zhuǎn)移?？梢娂拥鞍资荰NTs形成的關(guān)鍵因素，TNTs在MSCs介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移過程中起到橋梁作用。另一種機(jī)制為縫隙連接蛋白43（Cx43）介導(dǎo)的縫隙連接，Cx43作為一種跨膜蛋白，與其他連接蛋白結(jié)合形成半通道，有利于離子、代謝物、第二信使和microRNAs等物質(zhì)在細(xì)胞間或細(xì)胞外環(huán)境中進(jìn)行直接交換。研究顯示，TNTs能促進(jìn)遠(yuǎn)距離通信，而縫隙連接可促進(jìn)細(xì)胞間的密切通信［14］。Norris［15］利用三維電子顯微鏡和免疫金標(biāo)記法對Cx43進(jìn)行研究，觀察在卵巢細(xì)胞間線粒體可通過縫隙連接內(nèi)化的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)移。免疫標(biāo)記切片顯示細(xì)胞與細(xì)胞接觸部位由Cx43縫隙連接組成。Li等［16］利用原代大鼠骨髓MSCs與氧糖剝奪損傷的運(yùn)動神經(jīng)元共同培養(yǎng)，通過流式細(xì)胞儀檢測線粒體從骨髓MSCs向神經(jīng)元轉(zhuǎn)移，發(fā)現(xiàn)維甲酸可作為縫隙連接細(xì)胞通訊增強(qiáng)劑促進(jìn)骨髓MSCs向神經(jīng)元的線粒體轉(zhuǎn)移，而18甘草酸作為縫隙連接細(xì)胞通訊抑制劑減少了線粒體轉(zhuǎn)移，說明骨髓MSCs通過縫隙連接介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移可減少神經(jīng)元細(xì)胞凋亡。Sinclair等［17］將BEAS2B上皮細(xì)胞與鈣黃素或線粒體綠色熒光探針標(biāo)記的MSCs共同培養(yǎng)，評估細(xì)胞質(zhì)和線粒體轉(zhuǎn)移，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞松弛素D能夠抑制MSCs微管形成，TNTs形成減少阻礙了細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的物質(zhì)從MSCs轉(zhuǎn)移至上皮細(xì)胞。Islam等［18］將脂多糖注入小鼠呼吸道，隨后向氣管內(nèi)滴入小鼠骨髓MSCs，發(fā)現(xiàn)小鼠骨髓MSCs與肺泡上皮細(xì)胞形成含Cx43的縫隙連接通道，并且骨髓MSCs將線粒體通過該通道轉(zhuǎn)移至上皮細(xì)胞，恢復(fù)上皮細(xì)胞OXPHOS，緩解肺泡上皮細(xì)胞損傷。同時(shí)鈣離子螯合劑負(fù)載的骨髓MSCs能夠成功附著于肺泡，證明骨髓MSCs利用Cx43介導(dǎo)的縫隙連接方式將線粒體轉(zhuǎn)移至肺泡上皮細(xì)胞，且縫隙連接具有鈣離子通道依賴性。

1.3 外泌體轉(zhuǎn)移線粒體DNA外泌體是一類由多種細(xì)胞分泌通過細(xì)胞內(nèi)吞機(jī)制形成的胞外囊泡［19］。在癌癥進(jìn)展過程中，MSCs衍生的外泌體富含各種miRNAs，可被癌細(xì)胞攝取并激活下游不同的信號通路，調(diào)節(jié)腫瘤進(jìn)展和細(xì)胞耐藥性［20］。EVs作為MSCs釋放的分泌體，通過與鄰近細(xì)胞交換生物活性成分并向遠(yuǎn)端細(xì)胞亞群輸送遺傳內(nèi)容來影響線粒體的生物發(fā)生［21］。Sansone等［22］從激素治療抵抗的轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者血清中分離出EVs，其內(nèi)含有高水平的線粒體DNA（mtDNA），若激素治療抵抗轉(zhuǎn)移性乳腺癌細(xì)胞獲得mtDNA，乳腺癌細(xì)胞OXPHOS水平升高，促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的增殖。MSCs作為腫瘤的間質(zhì)成分一方面可利用EVs將線粒體轉(zhuǎn)移至癌細(xì)胞，促進(jìn)其OXPHOS及ATP產(chǎn)生，有利于腫瘤進(jìn)展；另一方面腫瘤衍生的外泌體通過調(diào)節(jié)不同的信號通路影響MSCs分化，從而促進(jìn)癌細(xì)胞增殖及轉(zhuǎn)移。Chowdhury等［23］向人骨髓MSCs培養(yǎng)基中加入前列腺癌細(xì)胞培養(yǎng)液培養(yǎng)21 d后，向共同培養(yǎng)液加入轉(zhuǎn)化生長因子β1（TGF-β1），檢測到肌成纖維細(xì)胞標(biāo)志物α-平滑肌肌動蛋白顯著增加，表明TGF-β1促進(jìn)MSCs向成纖維細(xì)胞分化，從而促進(jìn)血管生成及腫瘤生長。癌細(xì)胞來源的外泌體通過調(diào)節(jié)TME，從而影響癌細(xì)胞增殖及轉(zhuǎn)移，因此外泌體可作為癌癥靶向治療的新方向。

1.4 細(xì)胞融合 細(xì)胞融合是單核細(xì)胞通過合并質(zhì)膜形成多核細(xì)胞、共享細(xì)胞器和胞漿成分的過程。細(xì)胞融合可以是暫時(shí)的，也可以是永久性的。Acquistapace等［24］將人類MSCs或脂肪源性多能干細(xì)胞與轉(zhuǎn)基因小鼠心肌細(xì)胞共同培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)線粒體通過部分細(xì)胞融合的方式轉(zhuǎn)移至心肌細(xì)胞，促進(jìn)心肌細(xì)胞向祖細(xì)胞樣狀態(tài)重編程。當(dāng)細(xì)胞處于氧化應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞融合過程中線粒體交換受損的DNA，保持有氧呼吸的線粒體生物發(fā)生［25］。在MSC介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移過程中，一定程度上的細(xì)胞融合維持了線粒體的生物發(fā)生。

2 MSCs介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移在癌癥治療中的相關(guān)應(yīng)用

MSCs通過分泌細(xì)胞因子和趨化因子激活相關(guān)信號通路促進(jìn)腫瘤血管生長，影響癌癥的生長和轉(zhuǎn)移［19］。癌癥進(jìn)展過程中，線粒體的生物發(fā)生已被證明與細(xì)胞增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移表型的獲得以及耐藥性密切相關(guān)［26］。癌細(xì)胞異常增殖、存活和轉(zhuǎn)移常依賴于高水平的能量代謝，MSCs來源線粒體轉(zhuǎn)移至癌細(xì)胞后，維持其線粒體生物發(fā)生，促進(jìn)癌細(xì)胞增殖，探索MSCs介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移至癌細(xì)胞的相關(guān)機(jī)制，可為其治療提供理論依據(jù)。

2.1 血液系統(tǒng)腫瘤中的線粒體轉(zhuǎn)移 急性髓系白血?。ˋML）是由造血干細(xì)胞基因突變引起的侵襲性血液系統(tǒng)惡性腫瘤，常使用阿糖胞苷和蒽環(huán)類抗生素進(jìn)行誘導(dǎo)和鞏固治療，好發(fā)于老年群體，但健康狀況較差的老年患者對這類化療方案易產(chǎn)生耐藥性［27］。AML腫瘤細(xì)胞在體內(nèi)迅速增殖，產(chǎn)生化療耐藥性與MSCs介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移至AML腫瘤細(xì)胞以及TME中促炎細(xì)胞因子及抗炎細(xì)胞因子間的作用失調(diào)有關(guān)［28-29］。一方面TME中MSCs與白血病干細(xì)胞相互作用，通過分泌促炎細(xì)胞因子IL-1β、TNF-α和IL-6促進(jìn)AML細(xì)胞增殖；另一方面，TME中的MSCs介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移至AML腫瘤細(xì)胞，保護(hù)其免受核苷類似物如阿糖胞苷的細(xì)胞毒性作用，促進(jìn)化療耐藥性產(chǎn)生。

ALL通常由異常淋巴祖細(xì)胞克隆性擴(kuò)增所致，不僅侵犯骨髓、外周血，甚至擴(kuò)散至髓外部位［30］。相關(guān)研究表明，采用大劑量多藥聯(lián)合化療的方案對ALL治療有一定效果，但化學(xué)耐藥仍是ALL治愈的難點(diǎn)［31］。在ALL細(xì)胞中，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酶2衍生的超氧化物刺激骨髓MSCs產(chǎn)生ROS，隨著ROS的積累，TME改變致使線粒體發(fā)生轉(zhuǎn)移，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞OXPHOS水平升高［32］，導(dǎo)致ALL產(chǎn)生化療耐藥。Wang等［33］將MSCs與暴露于阿糖胞苷或甲氨蝶呤的人ALL細(xì)胞系中的Jurkat細(xì)胞在體外共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)化療藥物能夠引起Jurkat細(xì)胞氧化應(yīng)激，隨后在共聚焦顯微鏡下觀察到Jurkat細(xì)胞與MSCs通過TNTs雙向轉(zhuǎn)移線粒體，利用流式細(xì)胞儀檢測發(fā)現(xiàn)Jurkat內(nèi)線粒體轉(zhuǎn)移至MSCs更為明顯。若將細(xì)胞松弛素D加入Jurkat細(xì)胞與MSCs共培養(yǎng)體系，Jurkat細(xì)胞凋亡率升高，表明TNTs促進(jìn)線粒體轉(zhuǎn)移，使MSCs保護(hù)ALL細(xì)胞免受細(xì)胞毒性藥物影響，導(dǎo)致化療耐藥發(fā)生。

2.2 乳腺癌中的線粒體轉(zhuǎn)移 目前，乳腺癌居中國女性惡性腫瘤發(fā)病率的首位，且中國女性乳腺癌患者5年生存率低于歐美女性［34］。為彌補(bǔ)手術(shù)及放療等治療方案的不足，常輔以化療，但一部分患者對化療產(chǎn)生耐藥性［35］。Kheirandish-rostami等［36］將人臍帶MSCs中的線粒體分離并轉(zhuǎn)移到經(jīng)羅丹明紅處理后線粒體功能障礙的乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞中，檢測到細(xì)胞侵襲性增強(qiáng)。在TME中，癌細(xì)胞與其他細(xì)胞之間的細(xì)胞通訊在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起著決定性的作用，MSCs可將自身線粒體轉(zhuǎn)移至周圍癌細(xì)胞，恢復(fù)其正常有氧呼吸。線粒體轉(zhuǎn)移的同時(shí)也將自身mtDNA轉(zhuǎn)移至癌細(xì)胞內(nèi)，增強(qiáng)癌細(xì)胞的侵襲性［37］。Sansone等［22］通過建立激素治療抵抗轉(zhuǎn)移性雌激素受體陽性的乳腺癌患者的異種移植模型，證明來源于乳腺癌細(xì)胞EVs的mtDNA，可作為致癌信號轉(zhuǎn)移，促進(jìn)腫瘤干細(xì)胞激活，并導(dǎo)致OXPHOS依賴型乳腺癌的內(nèi)分泌治療抵抗和預(yù)后不良。Davis等［38］采用單細(xì)胞RNA測序技術(shù)對乳腺癌衍生異種移植模型進(jìn)行研究，證實(shí)在乳腺癌微轉(zhuǎn)移過程中，線粒體OXPHOS水平升高，促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的增殖及轉(zhuǎn)移。

2.3 膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（GBM）中的線粒體轉(zhuǎn)移GBM起源于神經(jīng)膠質(zhì)干細(xì)胞，是成人常見的、侵襲性較強(qiáng)的原發(fā)性腦腫瘤［39］，常采用手術(shù)聯(lián)合放化療的治療方案，但因TME中細(xì)胞間的相互作用導(dǎo)致化療產(chǎn)生耐藥性而預(yù)后不良。Sun等［40］將正常人星形膠質(zhì)細(xì)胞中分離的線粒體與GBM細(xì)胞共同培養(yǎng)，利用共聚焦顯微鏡和基因測序觀察，發(fā)現(xiàn)來自正常人星形膠質(zhì)細(xì)胞的線粒體轉(zhuǎn)移到GBM細(xì)胞中，增強(qiáng)GBM細(xì)胞有氧呼吸功能，重新激活線粒體凋亡通路，抑制GBM惡性增殖。Salaud等［41］將MSCs中的線粒體利用線粒體紅色熒光探針標(biāo)記后與GBM細(xì)胞共培養(yǎng)，觀察到MSCs細(xì)胞中的線粒體通過TNTs、EVs轉(zhuǎn)移到GBM中，促進(jìn)GBM細(xì)胞增殖及化療耐藥性。Nzigou mombo等［42］將MSCs的線粒體分離后利用熒光標(biāo)記的線粒體與GBM干細(xì)胞共同培養(yǎng)，共聚焦成像顯示，來源于MSCs的線粒體轉(zhuǎn)移到GBM干細(xì)胞中，促進(jìn)GBM干細(xì)胞增殖?？梢姡煌瑏碓吹木€粒體轉(zhuǎn)移至GBM將對增殖產(chǎn)生不同的影響。

3 小結(jié)

MSCs可通過TNTs、EVs和細(xì)胞融合的方式介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移到癌細(xì)胞，恢復(fù)其OXPHOS，導(dǎo)致癌細(xì)胞的耐藥和增殖。探索抑制線粒體轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵因素（如阻斷TNTs的形成）可能是癌癥治療的新靶點(diǎn)。然而，當(dāng)前研究主要在體外進(jìn)行，而人體內(nèi)的線粒體轉(zhuǎn)移治療癌癥的具體機(jī)制亟待闡明，同時(shí)醫(yī)學(xué)倫理問題也需要兼顧。隨著研究的不斷深入及拓展，抑制MSCs來源線粒體轉(zhuǎn)移能夠?yàn)榘┌Y相關(guān)治療提供新的理論依據(jù)。