首頁資訊細(xì)胞也“內(nèi)卷”？浙大歐陽宏偉團(tuán)隊(duì)給細(xì)胞做線粒體移植術(shù)，以高通量方式，構(gòu)建超能干細(xì)胞

細(xì)胞也“內(nèi)卷”？浙大歐陽宏偉團(tuán)隊(duì)給細(xì)胞做線粒體移植術(shù)，以高通量方式，構(gòu)建超能干細(xì)胞

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月06日 11:51

大千世界，形形色色的生命，都是從一顆小小的受精卵逐漸發(fā)育而來，我們說“慢慢長(zhǎng)大”，其實(shí)是受精卵不斷分裂和分化的過程，分裂使細(xì)胞數(shù)目增多，生命體體積增大，當(dāng)分裂的細(xì)胞達(dá)到一定數(shù)目，他們開始各司其職，分化成不同的組織器官，這些具有分裂能力和潛在分化能力的細(xì)胞，就是干細(xì)胞。

干細(xì)胞依據(jù)其發(fā)育階段分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞，胚胎干細(xì)胞是來自于囊胚的內(nèi)細(xì)胞群，包括從受精卵發(fā)育成胎兒的全階段，由于倫理、宗教和法律上的爭(zhēng)議，大部分國家和地區(qū)對(duì)胚胎干細(xì)胞的研究有一定的限制；成體干細(xì)胞分為嬰兒干細(xì)胞和成人干細(xì)胞，嬰兒干細(xì)胞一般來自于嬰兒的臍帶和臍帶血，成人干細(xì)胞來自于成人的牙齒、骨髓、脂肪和外周血。成體干細(xì)胞包括神經(jīng)干細(xì)胞、血液干細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞和表皮干細(xì)胞，這些干細(xì)胞都具有修復(fù)和再生的能力，其中脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞因?yàn)榉奖悴杉蛡惱頎?zhēng)議少而格外受研究者青睞。

干細(xì)胞有優(yōu)秀的修復(fù)和再生能力，因此科學(xué)家們都希望通過將干細(xì)胞移植到體內(nèi)去修復(fù)或取代受傷衰老的細(xì)胞，這種技術(shù)稱為干細(xì)胞療法。由于干細(xì)胞移植后存活率低，影響干細(xì)胞療法，用于治療的干細(xì)胞需要“強(qiáng)化”以適應(yīng)體內(nèi)移植部位的病理環(huán)境。

日前，浙江大學(xué)求是特聘教授歐陽宏偉老師及其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過細(xì)胞內(nèi)線粒體的移植可以有效地提高干細(xì)胞能量水平，實(shí)現(xiàn)高效的細(xì)胞植入。線粒體是細(xì)胞的能量工廠。細(xì)胞雖小，但內(nèi)部就像一個(gè)微縮的高度精密的納米機(jī)器。

線粒體是細(xì)胞的能量工廠。細(xì)胞雖小，但內(nèi)部就像一個(gè)微縮的高度功能化社會(huì)，里面有細(xì)胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體和核糖體等等，這些細(xì)胞器各司其職，維持細(xì)胞的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，比如細(xì)胞核是總司令部，所有指令均由此發(fā)出，而線粒體則是一個(gè)高效的能量工廠，通過氧化磷酸化過程，將葡萄糖轉(zhuǎn)化成為人體所用的能量硬通貨“ATP”。

不同細(xì)胞內(nèi)線粒體的數(shù)量差異巨大，一般來說，能量需求越旺盛的細(xì)胞，其內(nèi)線粒體的數(shù)量就越多，反之，如果細(xì)胞內(nèi)線粒體越多，是否也就可以為細(xì)胞提供更多的能量，讓細(xì)胞發(fā)揮更強(qiáng)的作用呢？歐陽宏偉老師及其團(tuán)隊(duì)為間充質(zhì)干細(xì)胞自體移植了更多的線粒體，從而將普通間充質(zhì)干細(xì)胞變成了超級(jí)間充質(zhì)干細(xì)胞，這些超級(jí)間充質(zhì)干細(xì)胞移植后存活時(shí)間更長(zhǎng)，同時(shí)也改善了皮膚的修復(fù)能力。實(shí)驗(yàn)證明，移植線粒體是改造干細(xì)胞進(jìn)行組織再生的有效策略。

移植線粒體后的脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞（ADSCs）體外抗血清饑餓和氧化應(yīng)激能力提高

為了證實(shí)脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞（ADSCs）的增殖能通過線粒體移植得到增強(qiáng)這一假設(shè)，該團(tuán)隊(duì)用不同劑量的外源性線粒體轉(zhuǎn)染脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞 6 小時(shí)，然后通過 CCK-8 在血清饑餓狀態(tài)下評(píng)估 12 小時(shí)內(nèi)細(xì)胞的增殖能力。在 6 至 12 小時(shí)內(nèi)，帶有外源性線粒體的 ADSCs 增殖率顯著高于未經(jīng)處理的 ADSCs。

在 12 小時(shí)，細(xì)胞計(jì)數(shù)顯示，移植了線粒體的 ADSCs 細(xì)胞數(shù)量高出對(duì)照組兩倍。顯微鏡下也觀察到細(xì)胞密度增加，表明線粒體移植后的 ADSCs，即使在血清饑餓條件下，也具有顯著的增殖潛力。

隨后，在相同的血清饑餓條件下，該團(tuán)隊(duì)使用活細(xì)胞成像進(jìn)行了劃痕實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞遷移實(shí)驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行了劃痕試驗(yàn)，因?yàn)閭谟鲜墙M織穩(wěn)定和修復(fù)的關(guān)鍵步驟。與對(duì)照 ADSCs 相比，移植了線粒體的 ADSCs 遷移能力增強(qiáng)，從而加速了無細(xì)胞區(qū)的間隙閉合。接下來的遷移實(shí)驗(yàn)證實(shí)，移植了線粒體的 ADSCs 遷移更頻繁，這表明外源性線粒體增加了 ADSCs 的遷移率。

為了闡明細(xì)胞對(duì)活性氧自由基（ROS）的反應(yīng)，該團(tuán)隊(duì)將移植了線粒體的 ADSCs 暴露于 Dox 中，并檢測(cè) SA-β-Gal 活性、集落形成能力和多系分化潛能。Dox 處理的 ADSCs 在孵育 12 小時(shí)后顯示黃綠色熒光，表明線粒體膜電位部分去極化。

在相同條件下，移植了線粒體的 ADSCs 仍然顯示出強(qiáng)烈的紅色熒光，表明由于外源線粒體的摻入，線粒體膜電位沒有改變。通過線粒體膜電位 / Annexin V 分析進(jìn)一步研究細(xì)胞凋亡顯示，ADSCs 與 Dox 孵育 12 小時(shí)后細(xì)胞凋亡的總比率從 5% 增加到 64%，而有外源線粒體移植的 ADSCs 細(xì)胞凋亡總比率僅為 38%。所有這些結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的 ADSCs 相比，外源線粒體移植后的 ADSCs 具有更高的存活率。

相似的是，經(jīng) Dox 處理的對(duì)照組 ADSCs， SA-β-Gal 陽性細(xì)胞數(shù)量增加，以及集落形成單位數(shù)量減少。相反，線粒體移植后的 ADSCs 衰老標(biāo)記物水平降低，并在一定程度上保持了其集落形成能力，與健康脂肪干細(xì)胞相當(dāng)。

此外，堿性磷酸酶（ALP）染色是成骨的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)志， Dox 處理的移植有外源線粒體的 ADSCs，其 ALP 陽性細(xì)胞的平均細(xì)胞數(shù)顯著高于 Dox 處理的普通 ADSCs，但低于非藥物處理的細(xì)胞。與這一發(fā)現(xiàn)一致，移植有外源線粒體的 ADSCs 有更多實(shí)質(zhì)性鈣化；對(duì)于脂肪生成潛能，移植有外源線粒體的 ADSCs 脂滴顯著積聚。這些體外實(shí)驗(yàn)顯示 ADSCs 的增殖、遷移和分化增強(qiáng)是由于外源性線粒體移植所致。

外源性線粒體移植調(diào)節(jié)細(xì)胞周期進(jìn)程和細(xì)胞分泌體

為了在轉(zhuǎn)錄組學(xué)水平上闡明 ADSCs 對(duì)線粒體移植的反應(yīng)，我們進(jìn)行了全轉(zhuǎn)錄組 RNA 測(cè)序，以分析未處理細(xì)胞和移植有外源線粒體的 ADSCs 在線粒體移植 24 小時(shí)后的差異基因表達(dá)。與未處理的細(xì)胞相比，我們發(fā)現(xiàn)移植有外源線粒體的 ADSCs 中有 334 個(gè)基因上調(diào)，47 個(gè)基因下調(diào)（log2FC>2，

基因 GO 分析表明，在移植有外源線粒體的 ADSCs 高表達(dá)核分裂、DNA 復(fù)制、染色體分離、細(xì)胞器分裂等相關(guān)的基因，暗示外源線粒體的這種內(nèi)化有利于在胞質(zhì)分裂期間提供額外的能量。大多數(shù)下調(diào)基因與分化相關(guān)，如成骨、組織發(fā)育和肌肉細(xì)胞分化，表明線粒體移植不會(huì)改變 ADSCs 的“干性”。

此外，該團(tuán)隊(duì)使用 STRING 數(shù)據(jù)庫 (https://string-db.org/) 構(gòu)建了線粒體移植后 ADSCs 基因的相互作用網(wǎng)絡(luò)。為上調(diào)的前 46 個(gè)節(jié)點(diǎn)基因構(gòu)建了一個(gè)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)分析顯示細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶（CDK）家族在模塊形成中發(fā)揮作用，這是作為相互作用基因之間共享鏈接的關(guān)鍵控制點(diǎn)。這些細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子可能會(huì)磷酸化干細(xì)胞中其他與細(xì)胞周期相關(guān)的底物，從而進(jìn)一步促進(jìn)快速增殖和維持多能性。參與骨骼肌分化的基因表達(dá)的減少（例如，IL6、IGF1、OGN 和 MYH1）也反映了線粒體移植并未引發(fā)體外不良分化。

總之，該團(tuán)隊(duì)根據(jù) RNA 測(cè)序結(jié)果闡明了外源性線粒體移植促進(jìn)糖酵解，糖酵解通過 CDK 家族有效產(chǎn)生 ATP 并刺激受體細(xì)胞增殖。

接下來該團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究線粒體移植后 ADSCs 分泌的細(xì)胞外信號(hào)。分析顯示 ADSCs 的外泌蛋白在線粒體轉(zhuǎn)移植前后具有高度的相似性，有 335 種蛋白質(zhì)沒有變化，58 個(gè)外泌蛋白質(zhì)在線粒體移植后的 ADSCs 高表達(dá)，而 64 個(gè)在對(duì)照 ADSCs 高表達(dá)。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，參與中性粒細(xì)胞活化、細(xì)胞生長(zhǎng)、創(chuàng)傷愈合等生物過程的蛋白在線粒體移植后的 ADSCs 中富集，這對(duì)治療特別有意義。同時(shí)，下調(diào)的蛋白質(zhì)均與分化相關(guān)，這也說明在線粒體移植后，ADSCs 的“干性”增強(qiáng)。

通過線粒體移植后的 ADSCs 對(duì)組織進(jìn)行快速修復(fù)

該團(tuán)隊(duì)假設(shè)體外對(duì) ADSCs 進(jìn)行線粒體移植改造后，ADSCs 的增殖和遷移功能得以增強(qiáng)，進(jìn)而可以對(duì)組織進(jìn)行快速修復(fù)，該治療效果在大鼠全層皮膚創(chuàng)傷模型中得到了驗(yàn)證。

傷口大小測(cè)量表明，即使在 14 天后，生理鹽水和對(duì)照 ADSCs 處理的傷口閉合速度也很慢，但通過線粒體移植改造后的 ADSCs 處理的傷口，在 14 天內(nèi)愈合。與生理鹽水和未經(jīng)改造的 ADSCs 相比，接受線粒體移植改造的ADSCs顯著促進(jìn)了傷口閉合，第3天閉合率為 60%，對(duì)照組為 10%，未經(jīng)改造的 ADSCs 為 30%；在第 14 天，接受線粒體移植改造的 ADSCs 100% 封閉傷口區(qū)域。

在第 7 天和第 14 天收集不同處理的傷口，通過染色進(jìn)行組織學(xué)分析，第 14 天時(shí)所有治療均表現(xiàn)出相似的炎癥水平，沒有嚴(yán)重的免疫反應(yīng)。然而，生理鹽水對(duì)照處理的傷口仍有間隙，而對(duì)照 ADSCs 和線粒體移植改造的 ADSCs 處理的傷口均顯示出多層上皮結(jié)構(gòu)，與完整皮膚的天然表皮非常相似。

此外，與對(duì)照組相比，有線粒體移植改造的 ADSCs 在傷口部位有更多的膠原分布。這些結(jié)果證明，經(jīng)外源性線粒體移植改造的脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞能夠在形態(tài)學(xué)和功能水平上更快地修復(fù)受損組織。

有趣的是，該團(tuán)隊(duì)意外地發(fā)現(xiàn)，線粒體移植改造后的 ADSCs 也可能作為“空中加油機(jī)”一樣為周圍細(xì)胞輸注線粒體。目前該機(jī)制尚不清楚，但可以確定的是，得益于這些外源性線粒體， ADSCs 表現(xiàn)出了更好的存活率，增加了有益的旁分泌因子和次級(jí)線粒體轉(zhuǎn)移的能力，從而加速傷口愈合。

通過這篇文章我們可以看到，為了能讓間充質(zhì)干細(xì)胞更好的工作，即提高其移植后的存活時(shí)間和修復(fù)能力，科學(xué)家們給間充質(zhì)干細(xì)胞的“細(xì)胞工廠”強(qiáng)化了能量發(fā)生器——線粒體，把平常能量的間充質(zhì)干細(xì)胞升級(jí)改造成了“超級(jí)能量”間充質(zhì)干細(xì)胞，使細(xì)胞有強(qiáng)大的能量去抵抗環(huán)境壓力和充分發(fā)揮其功能。真是小小的細(xì)胞也“內(nèi)卷”吶。

-End-

參考：

Xudong Yao, Yuanzhu Ma et al. In-cytoplasmmitochondrial transplantation for mesenchymal stem cells engineering and tissueregeneration. Bioeng Transl Med. 2021 Aug 23. DOI: 10.1002/btm2.10250