間充質干細胞介導線粒體轉移機制及其在癌癥治療中的應用進展

孫文梅，王家平，張維護，肖佩林

間充質干細胞（MSCs）來源于骨髓、脂肪和臍帶等多種組織，具有分化為多種細胞的潛能。研究證明，MSCs能分化為除中胚層以外的功能性細胞［1］。MSCs可通過多種機制修復組織，如細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而被受體細胞吞噬［2］。組織損傷早期，細胞中線粒體活性氧（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境改變觸發線粒體由MSCs轉移至受損細胞，使受損細胞線粒體的氧化磷酸化（OXPHOS）恢復，從而修復受損細胞及組織［3］。與修復受損組織的機制相似，MSCs介導線粒體轉移也是癌細胞轉移及治療耐藥形成過程的關鍵環節。癌癥進展是涉及炎癥及周圍腫瘤微環境（TME）等多因素共同調節的過程。在癌癥進展過程中，伴隨炎癥反應，趨化因子常將MSCs募集到炎癥部位周圍［4］。TME的改變如ROS的積累、MSCs的代謝可觸發線粒體轉移機制，影響線粒體的生物發生，促進癌細胞增殖，對相關治療產生不良影響。本文對MSCs介導線粒體轉移機制及其在癌癥治療中的相關研究進展進行綜述。

1 MSCs介導線粒體轉移相關機制

在TME調節過程中，MSCs可通過隧道納米管（TNTs）轉移、縫隙連接內吞、胞外囊泡（EVs）運輸及細胞融合等機制將自身線粒體轉移至癌細胞，增強后者線粒體的OXPHOS，見圖1。

Fig.1 Mechanism of mitochondrial transfer mediated by MSCs圖1 MSCs介導線粒體轉移的相關機制

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

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

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

1.4 細胞融合 細胞融合是單核細胞通過合并質膜形成多核細胞、共享細胞器和胞漿成分的過程。細胞融合可以是暫時的，也可以是永久性的。Acquistapace等［24］將人類MSCs或脂肪源性多能干細胞與轉基因小鼠心肌細胞共同培養，發現線粒體通過部分細胞融合的方式轉移至心肌細胞，促進心肌細胞向祖細胞樣狀態重編程。當細胞處于氧化應激狀態時，細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生［25］。在MSC介導線粒體轉移過程中，一定程度上的細胞融合維持了線粒體的生物發生。

2 MSCs介導線粒體轉移在癌癥治療中的相關應用

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

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

ALL通常由異常淋巴祖細胞克隆性擴增所致，不僅侵犯骨髓、外周血，甚至擴散至髓外部位［30］。相關研究表明，采用大劑量多藥聯合化療的方案對ALL治療有一定效果，但化學耐藥仍是ALL治愈的難點［31］。在ALL細胞中，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產生ROS，隨著ROS的積累，TME改變致使線粒體發生轉移，促進腫瘤細胞OXPHOS水平升高［32］，導致ALL產生化療耐藥。Wang等［33］將MSCs與暴露于阿糖胞苷或甲氨蝶呤的人ALL細胞系中的Jurkat細胞在體外共培養，發現化療藥物能夠引起Jurkat細胞氧化應激，隨后在共聚焦顯微鏡下觀察到Jurkat細胞與MSCs通過TNTs雙向轉移線粒體，利用流式細胞儀檢測發現Jurkat內線粒體轉移至MSCs更為明顯。若將細胞松弛素D加入Jurkat細胞與MSCs共培養體系，Jurkat細胞凋亡率升高，表明TNTs促進線粒體轉移，使MSCs保護ALL細胞免受細胞毒性藥物影響，導致化療耐藥發生。

2.2 乳腺癌中的線粒體轉移 目前，乳腺癌居中國女性惡性腫瘤發病率的首位，且中國女性乳腺癌患者5年生存率低于歐美女性［34］。為彌補手術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生耐藥性［35］。Kheirandish-rostami等［36］將人臍帶MSCs中的線粒體分離并轉移到經羅丹明紅處理后線粒體功能障礙的乳腺癌MDA-MB-231細胞中，檢測到細胞侵襲性增強。在TME中，癌細胞與其他細胞之間的細胞通訊在腫瘤的發生發展中起著決定性的作用，MSCs可將自身線粒體轉移至周圍癌細胞，恢復其正常有氧呼吸。線粒體轉移的同時也將自身mtDNA轉移至癌細胞內，增強癌細胞的侵襲性［37］。Sansone等［22］通過建立激素治療抵抗轉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胞EVs的mtDNA，可作為致癌信號轉移，促進腫瘤干細胞激活，并導致OXPHOS依賴型乳腺癌的內分泌治療抵抗和預后不良。Davis等［38］采用單細胞RNA測序技術對乳腺癌衍生異種移植模型進行研究，證實在乳腺癌微轉移過程中，線粒體OXPHOS水平升高，促進乳腺癌細胞的增殖及轉移。

2.3 膠質母細胞瘤（GBM）中的線粒體轉移GBM起源于神經膠質干細胞，是成人常見的、侵襲性較強的原發性腦腫瘤［39］，常采用手術聯合放化療的治療方案，但因TME中細胞間的相互作用導致化療產生耐藥性而預后不良。Sun等［40］將正常人星形膠質細胞中分離的線粒體與GBM細胞共同培養，利用共聚焦顯微鏡和基因測序觀察，發現來自正常人星形膠質細胞的線粒體轉移到GBM細胞中，增強GBM細胞有氧呼吸功能，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記后與GBM細胞共培養，觀察到MSCs細胞中的線粒體通過TNTs、EVs轉移到GBM中，促進GBM細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記的線粒體與GBM干細胞共同培養，共聚焦成像顯示，來源于MSCs的線粒體轉移到GBM干細胞中，促進GBM干細胞增殖。可見，不同來源的線粒體轉移至GBM將對增殖產生不同的影響。

3 小結

MSCs可通過TNTs、EVs和細胞融合的方式介導線粒體轉移到癌細胞，恢復其OXPHOS，導致癌細胞的耐藥和增殖。探索抑制線粒體轉移的關鍵因素（如阻斷TNTs的形成）可能是癌癥治療的新靶點。然而，當前研究主要在體外進行，而人體內的線粒體轉移治療癌癥的具體機制亟待闡明，同時醫學倫理問題也需要兼顧。隨著研究的不斷深入及拓展，抑制MSCs來源線粒體轉移能夠為癌癥相關治療提供新的理論依據。