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“慢慢長大”，其實是受精卵不斷分裂和分化的過程，分裂使細胞數(shù)目增多，生命體體積增大，當分裂的細胞達到一定數(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胞，就是干細胞。

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

干細胞有優(yōu)秀的修復和再生能力，因此科學家們都希望通過將干細胞移植到體內去修復或取代受傷衰老的細胞，這種技術稱為干細胞療法。由于干細胞移植后存活率低，影響干細胞療法，用于治療的干細胞需要“強化”以適應體內移植部位的病理環(huán)境。

日前，浙江大學求是特聘教授歐陽宏偉老師及其團隊發(fā)現(xiàn)通過細胞內線粒體的移植可以有效地提高干細胞能量水平，實現(xiàn)高效的細胞植入。線粒體是細胞的能量工廠。細胞雖小，但內部就像一個微縮的高度精密的納米機器。

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

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

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

為了證實脂肪間充質干細胞（ADSCs）的增殖能通過線粒體移植得到增強這一假設，該團隊用不同劑量的外源性線粒體轉染脂肪間充質干細胞 6 小時，然后通過 CCK-8 在血清饑餓狀態(tài)下評估 12 小時內細胞的增殖能力。在 6 至 12 小時內，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，細胞計數(shù)顯示，移植了線粒體的 ADSCs 細胞數(shù)量高出對照組兩倍。顯微鏡下也觀察到細胞密度增加，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，該團隊使用活細胞成像進行了劃痕實驗和細胞遷移實驗。團隊首先進行了劃痕試驗，因為傷口愈合是組織穩(wěn)定和修復的關鍵步驟。與對照 ADSCs 相比，移植了線粒體的 ADSCs 遷移能力增強，從而加速了無細胞區(qū)的間隙閉合。接下來的遷移實驗證實，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。

為了闡明細胞對活性氧自由基（ROS）的反應，該團隊將移植了線粒體的 ADSCs 暴露于 Dox 中，并檢測 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 分析進一步研究細胞凋亡顯示，ADSCs 與 Dox 孵育 12 小時后細胞凋亡的總比率從 5% 增加到 64%，而有外源線粒體移植的 ADSCs 細胞凋亡總比率僅為 38%。所有這些結果表明，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 處理的對照組 ADSCs， SA-β-Gal 陽性細胞數(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，與健康脂肪干細胞相當。

此外，堿性磷酸酶（ALP）染色是成骨的一個關鍵標志， Dox 處理的移植有外源線粒體的 ADSCs，其 ALP 陽性細胞的平均細胞數(shù)顯著高于 Dox 處理的普通 ADSCs，但低于非藥物處理的細胞。與這一發(fā)現(xiàn)一致，移植有外源線粒體的 ADSCs 有更多實質性鈣化；對于脂肪生成潛能，移植有外源線粒體的 ADSCs 脂滴顯著積聚。這些體外實驗顯示 ADSCs 的增殖、遷移和分化增強是由于外源性線粒體移植所致。

外源性線粒體移植調節(jié)細胞周期進程和細胞分泌體

為了在轉錄組學水平上闡明 ADSCs 對線粒體移植的反應，我們進行了全轉錄組 RNA 測序，以分析未處理細胞和移植有外源線粒體的 ADSCs 在線粒體移植 24 小時后的差異基因表達。與未處理的細胞相比，我們發(fā)現(xiàn)移植有外源線粒體的 ADSCs 中有 334 個基因上調，47 個基因下調（log2FC>2，

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

此外，該團隊使用 STRING 數(shù)據(jù)庫 (https://string-db.org/) 構建了線粒體移植后 ADSCs 基因的相互作用網(wǎng)絡。為上調的前 46 個節(jié)點基因構建了一個共表達網(wǎng)絡。網(wǎng)絡分析顯示細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鍵控制點。這些細胞周期調節(jié)因子可能會磷酸化干細胞中其他與細胞周期相關的底物，從而進一步促進快速增殖和維持多能性。參與骨骼肌分化的基因表達的減少（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，該團隊根據(jù) RNA 測序結果闡明了外源性線粒體移植促進糖酵解，糖酵解通過 CDK 家族有效產(chǎn)生 ATP 并刺激受體細胞增殖。

接下來該團隊重點研究線粒體移植后 ADSCs 分泌的細胞外信號。分析顯示 ADSCs 的外泌蛋白在線粒體轉移植前后具有高度的相似性，有 335 種蛋白質沒有變化，58 個外泌蛋白質在線粒體移植后的 ADSCs 高表達，而 64 個在對照 ADSCs 高表達。

對比發(fā)現(xiàn)，參與中性粒細胞活化、細胞生長、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，這對治療特別有意義。同時，下調的蛋白質均與分化相關，這也說明在線粒體移植后，ADSCs 的“干性”增強。

通過線粒體移植后的 ADSCs 對組織進行快速修復

該團隊假設體外對 ADSCs 進行線粒體移植改造后，ADSCs 的增殖和遷移功能得以增強，進而可以對組織進行快速修復，該治療效果在大鼠全層皮膚創(chuàng)傷模型中得到了驗證。

傷口大小測量表明，即使在 14 天后，生理鹽水和對照 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顯著促進了傷口閉合，第3天閉合率為 60%，對照組為 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，通過染色進行組織學分析，第 14 天時所有治療均表現(xiàn)出相似的炎癥水平，沒有嚴重的免疫反應。然而，生理鹽水對照處理的傷口仍有間隙，而對照 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構，與完整皮膚的天然表皮非常相似。

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

有趣的是，該團隊意外地發(fā)現(xiàn)，線粒體移植改造后的 ADSCs 也可能作為“空中加油機”一樣為周圍細胞輸注線粒體。目前該機制尚不清楚，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線粒體轉移的能力，從而加速傷口愈合。

通過這篇文章我們可以看到，為了能讓間充質干細胞更好的工作，即提高其移植后的存活時間和修復能力，科學家們給間充質干細胞的“細胞工廠”強化了能量發(fā)生器——線粒體，把平常能量的間充質干細胞升級改造成了“超級能量”間充質干細胞，使細胞有強大的能量去抵抗環(huán)境壓力和充分發(fā)揮其功能。真是小小的細胞也“內卷”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

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