间充质干细胞介导线粒体转移机制及其在癌症治疗中的应用进展

孙文梅，王家平，张维护，肖佩林

间充质干细胞（MSCs）来源于骨髓、脂肪和脐带等多种组织，具有分化为多种细胞的潜能。研究证明，MSCs能分化为除中胚层以外的功能性细胞［1］。MSCs可通过多种机制修复组织，如细胞间的直接信号传递，可溶性分泌因子的旁分泌信号传递，以及形成含免疫分子和核糖核苷酸的外泌体或微囊进而被受体细胞吞噬［2］。组织损伤早期，细胞中线粒体活性氧（ROS）释放，钙离子失衡，线粒体脱氧核糖核酸（mtDNA）和腺苷三磷酸（ATP）含量下降等一系列微环境改变触发线粒体由MSCs转移至受损细胞，使受损细胞线粒体的氧化磷酸化（OXPHOS）恢复，从而修复受损细胞及组织［3］。与修复受损组织的机制相似，MSCs介导线粒体转移也是癌细胞转移及治疗耐药形成过程的关键环节。癌症进展是涉及炎症及周围肿瘤微环境（TME）等多因素共同调节的过程。在癌症进展过程中，伴随炎症反应，趋化因子常将MSCs募集到炎症部位周围［4］。TME的改变如ROS的积累、MSCs的代谢可触发线粒体转移机制，影响线粒体的生物发生，促进癌细胞增殖，对相关治疗产生不良影响。本文对MSCs介导线粒体转移机制及其在癌症治疗中的相关研究进展进行综述。

1 MSCs介导线粒体转移相关机制

在TME调节过程中，MSCs可通过隧道纳米管（TNTs）转移、缝隙连接内吞、胞外囊泡（EVs）运输及细胞融合等机制将自身线粒体转移至癌细胞，增强后者线粒体的OXPHOS，见图1。

Fig.1 Mechanism of mitochondrial transfer mediated by MSCs图1 MSCs介导线粒体转移的相关机制

1.1 MSCs释放线粒体 研究表明，在TME中，应激信号如受损线粒体释放、线粒体产物和ROS水平升高均会触发线粒体从MSCs转移至受损细胞［5］。Mahrouf-yorgov等［6］利用人脂肪源性多能干细胞作为MSCs模型与经H2O2氧化处理后的人脐静脉内皮细胞共培养，发现在微环境影响下受损内皮细胞的线粒体能够触发MSCs的抗凋亡机制，以此缓解细胞损伤。而对于癌细胞来说，MSCs抗凋亡机制有利于增加线粒体转移数目，促进癌细胞增殖与侵袭。在癌症进展过程中，炎症是影响肿瘤预后的重要因素。炎症状态下癌细胞ROS释放增加，一方面ROS激活核转录因子-κB（NF-κB），活化的NF-κB上调肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）、血管内皮生长因子（VEGF）及趋化因子表达，上述可溶性因子的表达激活肿瘤相关成纤维细胞，促进癌细胞增殖及转移［7］；另一方面ROS水平升高触发线粒体转移机制，致使来源于TME中的MSCs线粒体转移至癌细胞，提高其OXPHOS水平，促进增殖。Burt等［8］将急性淋巴细胞白血病（ALL）患者染色后的骨髓MSCs暴露于ROS环境下进行观察，发现活化的MSCs将线粒体沿TNTs转移至ALL细胞，使ALL细胞OXPHOS恢复。

1.2 TNTs传输线粒体TNTs是一种细胞间的连接通道。Rustom等［9］利用三维活细胞显微镜在大鼠嗜铬细胞瘤PC12细胞的转化细胞以及大鼠肾脏原代细胞的培养中首次发现了TNTs的存在。研究表明，无论在体内还是体外，TNTs都能运输细胞内的离子、脂滴、病菌、线粒体和溶酶体等物质［10］。TNTs运输线粒体主要涉及两种机制，一种是由线粒体Rho GTP酶1（Miro1）相关的运动蛋白复合体介导，驱动运动蛋白复合体与微管结合运输物质。Ahmad等［11］将MSCs与上皮细胞共同培养，使用线粒体特异性抑制剂鱼藤酮或炎症反应诱导剂TNF-α对上皮细胞进行预处理，发现从MSCs转移至上皮细胞的线粒体数目增多，并且在上皮细胞与MSCs之间TNTs形成增加，若敲除MSCs中的Miro1基因，发现线粒体无法转移至上皮细胞。该研究证实Miro1作为动力蛋白相关的钙敏感衔接蛋白能够介导线粒体利用TNTs从MSCs转移至上皮细胞，Miro1参与调节线粒体的稳态及运输，抑制TNTs形成的关键因素将减少线粒体转移。Li等［12］在大鼠颅脑基底节内注射自体心脏血作为脑出血模型，免疫荧光染色显示，过表达的Miro1可通过TNTs促进线粒体运输及分布，减少神经元坏死和凋亡。Lin等［13］将人脐带沃顿胶MSCs中的线粒体转移到鱼藤酮应激的线粒体DNA缺陷患者的皮肤成纤维细胞中，在荧光显微镜下观察到沃顿胶MSCs中的线粒体通过TNTs转移至成纤维细胞。若采用细胞松弛素B抑制肌动蛋白聚合，发现TNTs的形成受阻，沃顿胶MSCs介导线粒体未发生转移。可见肌动蛋白是TNTs形成的关键因素，TNTs在MSCs介导线粒体转移过程中起到桥梁作用。另一种机制为缝隙连接蛋白43（Cx43）介导的缝隙连接，Cx43作为一种跨膜蛋白，与其他连接蛋白结合形成半通道，有利于离子、代谢物、第二信使和microRNAs等物质在细胞间或细胞外环境中进行直接交换。研究显示，TNTs能促进远距离通信，而缝隙连接可促进细胞间的密切通信［14］。Norris［15］利用三维电子显微镜和免疫金标记法对Cx43进行研究，观察在卵巢细胞间线粒体可通过缝隙连接内化的方式进行转移。免疫标记切片显示细胞与细胞接触部位由Cx43缝隙连接组成。Li等［16］利用原代大鼠骨髓MSCs与氧糖剥夺损伤的运动神经元共同培养，通过流式细胞仪检测线粒体从骨髓MSCs向神经元转移，发现维甲酸可作为缝隙连接细胞通讯增强剂促进骨髓MSCs向神经元的线粒体转移，而18甘草酸作为缝隙连接细胞通讯抑制剂减少了线粒体转移，说明骨髓MSCs通过缝隙连接介导线粒体转移可减少神经元细胞凋亡。Sinclair等［17］将BEAS2B上皮细胞与钙黄素或线粒体绿色荧光探针标记的MSCs共同培养，评估细胞质和线粒体转移，发现细胞松弛素D能够抑制MSCs微管形成，TNTs形成减少阻碍了细胞质内的物质从MSCs转移至上皮细胞。Islam等［18］将脂多糖注入小鼠呼吸道，随后向气管内滴入小鼠骨髓MSCs，发现小鼠骨髓MSCs与肺泡上皮细胞形成含Cx43的缝隙连接通道，并且骨髓MSCs将线粒体通过该通道转移至上皮细胞，恢复上皮细胞OXPHOS，缓解肺泡上皮细胞损伤。同时钙离子螯合剂负载的骨髓MSCs能够成功附着于肺泡，证明骨髓MSCs利用Cx43介导的缝隙连接方式将线粒体转移至肺泡上皮细胞，且缝隙连接具有钙离子通道依赖性。

1.3 外泌体转移线粒体DNA外泌体是一类由多种细胞分泌通过细胞内吞机制形成的胞外囊泡［19］。在癌症进展过程中，MSCs衍生的外泌体富含各种miRNAs，可被癌细胞摄取并激活下游不同的信号通路，调节肿瘤进展和细胞耐药性［20］。EVs作为MSCs释放的分泌体，通过与邻近细胞交换生物活性成分并向远端细胞亚群输送遗传内容来影响线粒体的生物发生［21］。Sansone等［22］从激素治疗抵抗的转移性乳腺癌患者血清中分离出EVs，其内含有高水平的线粒体DNA（mtDNA），若激素治疗抵抗转移性乳腺癌细胞获得mtDNA，乳腺癌细胞OXPHOS水平升高，促进乳腺癌细胞的增殖。MSCs作为肿瘤的间质成分一方面可利用EVs将线粒体转移至癌细胞，促进其OXPHOS及ATP产生，有利于肿瘤进展；另一方面肿瘤衍生的外泌体通过调节不同的信号通路影响MSCs分化，从而促进癌细胞增殖及转移。Chowdhury等［23］向人骨髓MSCs培养基中加入前列腺癌细胞培养液培养21 d后，向共同培养液加入转化生长因子β1（TGF-β1），检测到肌成纤维细胞标志物α-平滑肌肌动蛋白显著增加，表明TGF-β1促进MSCs向成纤维细胞分化，从而促进血管生成及肿瘤生长。癌细胞来源的外泌体通过调节TME，从而影响癌细胞增殖及转移，因此外泌体可作为癌症靶向治疗的新方向。

1.4 细胞融合 细胞融合是单核细胞通过合并质膜形成多核细胞、共享细胞器和胞浆成分的过程。细胞融合可以是暂时的，也可以是永久性的。Acquistapace等［24］将人类MSCs或脂肪源性多能干细胞与转基因小鼠心肌细胞共同培养，发现线粒体通过部分细胞融合的方式转移至心肌细胞，促进心肌细胞向祖细胞样状态重编程。当细胞处于氧化应激状态时，细胞融合过程中线粒体交换受损的DNA，保持有氧呼吸的线粒体生物发生［25］。在MSC介导线粒体转移过程中，一定程度上的细胞融合维持了线粒体的生物发生。

2 MSCs介导线粒体转移在癌症治疗中的相关应用

MSCs通过分泌细胞因子和趋化因子激活相关信号通路促进肿瘤血管生长，影响癌症的生长和转移［19］。癌症进展过程中，线粒体的生物发生已被证明与细胞增殖、侵袭和转移表型的获得以及耐药性密切相关［26］。癌细胞异常增殖、存活和转移常依赖于高水平的能量代谢，MSCs来源线粒体转移至癌细胞后，维持其线粒体生物发生，促进癌细胞增殖，探索MSCs介导线粒体转移至癌细胞的相关机制，可为其治疗提供理论依据。

2.1 血液系统肿瘤中的线粒体转移 急性髓系白血病（AML）是由造血干细胞基因突变引起的侵袭性血液系统恶性肿瘤，常使用阿糖胞苷和蒽环类抗生素进行诱导和巩固治疗，好发于老年群体，但健康状况较差的老年患者对这类化疗方案易产生耐药性［27］。AML肿瘤细胞在体内迅速增殖，产生化疗耐药性与MSCs介导线粒体转移至AML肿瘤细胞以及TME中促炎细胞因子及抗炎细胞因子间的作用失调有关［28-29］。一方面TME中MSCs与白血病干细胞相互作用，通过分泌促炎细胞因子IL-1β、TNF-α和IL-6促进AML细胞增殖；另一方面，TME中的MSCs介导线粒体转移至AML肿瘤细胞，保护其免受核苷类似物如阿糖胞苷的细胞毒性作用，促进化疗耐药性产生。

ALL通常由异常淋巴祖细胞克隆性扩增所致，不仅侵犯骨髓、外周血，甚至扩散至髓外部位［30］。相关研究表明，采用大剂量多药联合化疗的方案对ALL治疗有一定效果，但化学耐药仍是ALL治愈的难点［31］。在ALL细胞中，烟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产生ROS，随着ROS的积累，TME改变致使线粒体发生转移，促进肿瘤细胞OXPHOS水平升高［32］，导致ALL产生化疗耐药。Wang等［33］将MSCs与暴露于阿糖胞苷或甲氨蝶呤的人ALL细胞系中的Jurkat细胞在体外共培养，发现化疗药物能够引起Jurkat细胞氧化应激，随后在共聚焦显微镜下观察到Jurkat细胞与MSCs通过TNTs双向转移线粒体，利用流式细胞仪检测发现Jurkat内线粒体转移至MSCs更为明显。若将细胞松弛素D加入Jurkat细胞与MSCs共培养体系，Jurkat细胞凋亡率升高，表明TNTs促进线粒体转移，使MSCs保护ALL细胞免受细胞毒性药物影响，导致化疗耐药发生。

2.2 乳腺癌中的线粒体转移 目前，乳腺癌居中国女性恶性肿瘤发病率的首位，且中国女性乳腺癌患者5年生存率低于欧美女性［34］。为弥补手术及放疗等治疗方案的不足，常辅以化疗，但一部分患者对化疗产生耐药性［35］。Kheirandish-rostami等［36］将人脐带MSCs中的线粒体分离并转移到经罗丹明红处理后线粒体功能障碍的乳腺癌MDA-MB-231细胞中，检测到细胞侵袭性增强。在TME中，癌细胞与其他细胞之间的细胞通讯在肿瘤的发生发展中起着决定性的作用，MSCs可将自身线粒体转移至周围癌细胞，恢复其正常有氧呼吸。线粒体转移的同时也将自身mtDNA转移至癌细胞内，增强癌细胞的侵袭性［37］。Sansone等［22］通过建立激素治疗抵抗转移性雌激素受体阳性的乳腺癌患者的异种移植模型，证明来源于乳腺癌细胞EVs的mtDNA，可作为致癌信号转移，促进肿瘤干细胞激活，并导致OXPHOS依赖型乳腺癌的内分泌治疗抵抗和预后不良。Davis等［38］采用单细胞RNA测序技术对乳腺癌衍生异种移植模型进行研究，证实在乳腺癌微转移过程中，线粒体OXPHOS水平升高，促进乳腺癌细胞的增殖及转移。

2.3 胶质母细胞瘤（GBM）中的线粒体转移GBM起源于神经胶质干细胞，是成人常见的、侵袭性较强的原发性脑肿瘤［39］，常采用手术联合放化疗的治疗方案，但因TME中细胞间的相互作用导致化疗产生耐药性而预后不良。Sun等［40］将正常人星形胶质细胞中分离的线粒体与GBM细胞共同培养，利用共聚焦显微镜和基因测序观察，发现来自正常人星形胶质细胞的线粒体转移到GBM细胞中，增强GBM细胞有氧呼吸功能，重新激活线粒体凋亡通路，抑制GBM恶性增殖。Salaud等［41］将MSCs中的线粒体利用线粒体红色荧光探针标记后与GBM细胞共培养，观察到MSCs细胞中的线粒体通过TNTs、EVs转移到GBM中，促进GBM细胞增殖及化疗耐药性。Nzigou mombo等［42］将MSCs的线粒体分离后利用荧光标记的线粒体与GBM干细胞共同培养，共聚焦成像显示，来源于MSCs的线粒体转移到GBM干细胞中，促进GBM干细胞增殖。可见，不同来源的线粒体转移至GBM将对增殖产生不同的影响。

3 小结

MSCs可通过TNTs、EVs和细胞融合的方式介导线粒体转移到癌细胞，恢复其OXPHOS，导致癌细胞的耐药和增殖。探索抑制线粒体转移的关键因素（如阻断TNTs的形成）可能是癌症治疗的新靶点。然而，当前研究主要在体外进行，而人体内的线粒体转移治疗癌症的具体机制亟待阐明，同时医学伦理问题也需要兼顾。随着研究的不断深入及拓展，抑制MSCs来源线粒体转移能够为癌症相关治疗提供新的理论依据。