間充質(zhì)干細(xì)胞治療肝病的新視角：恢復(fù)線粒體功能

近日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院傳染病診治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在《細(xì)胞通訊和信號(hào)傳導(dǎo)》期刊雜志發(fā)表了《間充質(zhì)干細(xì)胞治療肝病的新視角：恢復(fù)線粒體功能》的文章，文章論述了，間充質(zhì)干細(xì)胞治療肝病潛力不僅通過(guò)其細(xì)胞替代和旁分泌作用來(lái)介導(dǎo)，還通過(guò)其對(duì)肝病中線粒體功能障礙的調(diào)節(jié)來(lái)介導(dǎo)。

在這里，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院傳染病診治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室全面回顧了線粒體功能障礙在肝病發(fā)生過(guò)程中的作用以及間充質(zhì)干細(xì)胞如何靶向線粒體功能障礙。還討論了一種修飾間充質(zhì)干細(xì)胞以增強(qiáng)其在肝臟疾病中的功能的新方法的最新進(jìn)展。充分了解間充質(zhì)干細(xì)胞恢復(fù)線粒體功能及其潛在機(jī)制將為臨床應(yīng)用提供創(chuàng)新策略。

背景

肝病尤其造成全球疾病負(fù)擔(dān)和死亡率。過(guò)去幾年，全球肝臟相關(guān)死亡率從2000年的3%上升至2015年的3.5%。肝移植是治療終末期肝病唯一有效的治療方法。然而，肝移植的使用受到成本高和供體短缺的限制。MSCs是自我更新的細(xì)胞，可以從多種組織中獲得，如骨髓、臍帶血、外周血、滑膜和脂肪組織。在臨床應(yīng)用方面，間充質(zhì)干細(xì)胞相對(duì)于傳統(tǒng)治療方法具有多種優(yōu)勢(shì)，例如易于采集、多譜系分化潛力和強(qiáng)大的免疫抑制作用。因此，間充質(zhì)干細(xì)胞已成為肝病新型細(xì)胞療法的有前途的候選者。

間充質(zhì)干細(xì)胞在肝硬化、肝衰竭等多種肝病動(dòng)物模型以及臨床研究中均顯示出顯著的療效。為了解釋MSC治療影響肝病的潛在機(jī)制，早期研究表明，可以在體外和體內(nèi)操縱MSC分化為肝細(xì)胞樣細(xì)胞。然后，人們觀察到間充質(zhì)干細(xì)胞通過(guò)與各種免疫細(xì)胞直接相互作用或產(chǎn)生一系列生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子和信號(hào)分子而產(chǎn)生強(qiáng)大的免疫調(diào)節(jié)作用。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明間充質(zhì)干細(xì)胞可以改變急性肝損傷和慢性肝病中的線粒體功能障礙，從而產(chǎn)生顯著的治療效果。

線粒體功能障礙與肝臟疾病

線粒體及其功能概述

線粒體是具有磷脂雙層結(jié)構(gòu)的小細(xì)胞器。由于這種雙膜結(jié)構(gòu)，線粒體分為五個(gè)不同的區(qū)域：線粒體外膜（OMM）、膜間空間、線粒體內(nèi)膜（IMM）、嵴空間和基質(zhì)。這些區(qū)域中的每一個(gè)都具有非常獨(dú)特的功能作用。

例如，高度折疊的IMM含有電子傳遞鏈 (ETC) 的蛋白質(zhì)復(fù)合物。細(xì)胞中線粒體的數(shù)量因細(xì)胞類(lèi)型而異。成熟的紅細(xì)胞沒(méi)有線粒體，而肝細(xì)胞可以含有2000多個(gè)線粒體。線粒體有自己的一套DNA以及轉(zhuǎn)錄和翻譯機(jī)制。在哺乳動(dòng)物中，線粒體DNA (mtDNA) 是一條單一的環(huán)狀染色體，包含37個(gè)編碼多種蛋白質(zhì)的基因。mtDNA 很容易受到內(nèi)源性和環(huán)境損傷。

線粒體被認(rèn)為是細(xì)胞的動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)和維持高度組織化的細(xì)胞活動(dòng)。同樣，線粒體是肝細(xì)胞的主要能量來(lái)源，在肝臟廣泛的氧化代謝和正常功能中發(fā)揮著重要作用。線粒體也是肝損傷相關(guān)生存信號(hào)通路的核心。通過(guò)對(duì)肝病發(fā)病機(jī)制的深入探索，研究人員發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙在酒精相關(guān)性肝病（ALD）、非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）等疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。藥物性肝病 (DILD) 、病毒性肝炎、肝硬化、肝細(xì)胞癌(HCC)和肝臟缺血/再灌注(I/R)損傷。

越來(lái)越多的證據(jù)表明間充質(zhì)干細(xì)胞在肝病線粒體功能恢復(fù)中發(fā)揮作用。例如，間充質(zhì)干細(xì)胞可以通過(guò)將線粒體傳輸至肝細(xì)胞來(lái)改善脂質(zhì)負(fù)荷。

總之，線粒體對(duì)于所有細(xì)胞類(lèi)型的能量產(chǎn)生、信號(hào)傳導(dǎo)、程序性細(xì)胞死亡和許多其他代謝任務(wù)都是不可或缺的。如果這個(gè)精確細(xì)胞器的任何部分受損或耗盡，就會(huì)對(duì)生理活動(dòng)產(chǎn)生影響并加速疾病的進(jìn)展。

許多肝臟疾病也存在線粒體功能障礙

肝臟是碳水化合物、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)代謝穩(wěn)態(tài)的中心器官。肝細(xì)胞中的線粒體具有獨(dú)特的功能，例如調(diào)節(jié)糖異生過(guò)程、氨解毒和合成代謝途徑，所有這些都是代謝調(diào)節(jié)所必需的。因此，肝細(xì)胞中功能失調(diào)的線粒體會(huì)破壞整體身體穩(wěn)態(tài)。肝病中最常見(jiàn)的線粒體功能障礙類(lèi)型是氧化能力增加和抗氧化防御減弱。氧化劑-抗氧化劑平衡的破壞是由于ROS產(chǎn)生的增加或抗氧化劑的消耗而引起的。積累的ROS可直接引起mtDNA和線粒體膜損傷。這些因素進(jìn)一步促進(jìn)ROS的產(chǎn)生，最終形成惡性循環(huán)。大多數(shù)肝臟疾病與不止一種類(lèi)型的線粒體功能障礙相關(guān)（圖1）。

酒精相關(guān)性肝病

在ALD中，乙醇可以通過(guò)多種方式導(dǎo)致線粒體功能障礙。

首先，乙醇在肝臟中通過(guò)乙醇脫氫酶 (ADH) 轉(zhuǎn)化為乙醛。該反應(yīng)消耗NAD+并產(chǎn)生NADH，從而增加 NADH/NAD+比率。NADH導(dǎo)致ROS形成，并通過(guò)線粒體ETC的競(jìng)爭(zhēng)性底物氧化抑制肝臟中脂肪酸的完全氧化。

其次，乙醇誘導(dǎo)線粒體中細(xì)胞色素P-4502E1酶的表達(dá)，從而促進(jìn)ROS的產(chǎn)生。

第三，在酒精中毒患者中，線粒體DNA會(huì)發(fā)生氧化、耗盡和缺失，一旦達(dá)到足以損害線粒體呼吸和ATP合成的閾值，就會(huì)導(dǎo)致線粒體功能障礙。此外，飲酒還會(huì)導(dǎo)致線粒體中膽固醇超載。

非酒精性脂肪肝

NAFLD是一種疾病的通用術(shù)語(yǔ)，其特征是非酒精引起的肝細(xì)胞中過(guò)多脂肪的積累。NAFLD患者中發(fā)現(xiàn)線粒體功能和形態(tài)受損。脂質(zhì)超載可能會(huì)增加氧化代謝，但會(huì)因線粒體解偶聯(lián)而導(dǎo)致ATP產(chǎn)生不良。氧化代謝對(duì)脂質(zhì)超載的適應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致ETC受損，從而導(dǎo)致肝臟承受大量氧化應(yīng)激。線粒體膜中增加的心磷脂可以轉(zhuǎn)移至OMM并形成孔，導(dǎo)致細(xì)胞色素c釋放到細(xì)胞質(zhì)中并激活細(xì)胞凋亡途徑。脂毒性環(huán)境還會(huì)誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，破壞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體之間的結(jié)構(gòu)完整性，這將導(dǎo)致從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到線粒體的Ca²⁺流入增加，從而促進(jìn)ROS產(chǎn)生并誘導(dǎo)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（MPTP）的打開(kāi)）。

藥物性肝病

由于許多藥物在肝臟中代謝，因此它們有可能通過(guò)靶向代謝或能量產(chǎn)生中的某個(gè)步驟或酶來(lái)干擾線粒體功能。例如，對(duì)乙酰氨基酚 (APAP) 是一種用于緩解疼痛和退燒的藥物，由肝臟代謝為N-乙酰基對(duì)苯醌亞胺 (NAPQI)。NAPQI的積累會(huì)改變線粒體蛋白，例如電壓門(mén)控離子通道，形成NAPQI蛋白加合物，從而增加 ROS生成并減少ATP生成。此外，APAP誘導(dǎo)的過(guò)度線粒體氧化應(yīng)激會(huì)激活胞質(zhì)中的c-junN末端激酶 (JNK) 及其易位至OMM，從而導(dǎo)致維持電子傳遞的Src激酶失活。最后，這個(gè)過(guò)程減少了線粒體呼吸并放大了氧自由基和過(guò)氧亞硝酸鹽的形成。

病毒性肝炎

乙型肝炎病毒 (HBV) 和丙型肝炎病毒 (HCV) 感染常常伴有ETC功能受損和線粒體室重排。肝炎病毒與 ETC 蛋白積極相互作用。

終末期肝病和肝臟缺血/再灌注損傷

ALD、NAFLD或病毒感染都可能發(fā)展為肝硬化，這是由疤痕組織取代健康肝組織引起的。肝硬化患者的脂質(zhì)和氨基酸代謝以及線粒體動(dòng)態(tài)功能均受損。線粒體功能障礙還通過(guò)對(duì)TGFβ的反應(yīng)積極參與纖維形成和炎癥，TGFβ由活化的肝星狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞分泌，是導(dǎo)致肝纖維化的主要效應(yīng)器。

肝硬化是發(fā)生肝細(xì)胞癌的最有力的危險(xiǎn)因素。過(guò)度氧化應(yīng)激是由積累的脂滴引起的，脂滴會(huì)增強(qiáng) mtDNA 突變并減少mtDNA拷貝數(shù)，這兩者都是導(dǎo)致代謝重編程和肝細(xì)胞癌進(jìn)展的常見(jiàn)事件。

肝移植和肝切除手術(shù)是治療終末期肝病的有效方法。然而，手術(shù)后常見(jiàn)的并發(fā)癥是肝缺血再灌注損傷，該損傷在缺氧或缺氧期間開(kāi)始，并在氧輸送和組織pH值恢復(fù)時(shí)變得更加嚴(yán)重。肝I/R損傷與線粒體功能障礙密切相關(guān)，例如鈣超載、過(guò)度氧化應(yīng)激和線粒體自噬缺陷。

多種因素導(dǎo)致不同肝臟疾病中線粒體功能障礙。這些因素?zé)o疑會(huì)影響肝臟代謝和解毒，加速終末期肝病的進(jìn)展。線粒體功能障礙導(dǎo)致的ROS增加似乎在肝臟疾病中普遍存在，這進(jìn)一步導(dǎo)致嚴(yán)重的功能障礙，例如 mtDNA突變。因此，恢復(fù)線粒體功能，例如提供健康的線粒體或修復(fù)有缺陷的線粒體，可能是治療肝病的創(chuàng)新策略。

間充質(zhì)干細(xì)胞通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體功能發(fā)揮肝病治療作用

間充質(zhì)干細(xì)胞因其在肝臟疾病治療中的突出表現(xiàn)而受到廣泛關(guān)注。在過(guò)去的十年中，已經(jīng)證明間充質(zhì)干細(xì)胞可以通過(guò)發(fā)育成肝細(xì)胞樣細(xì)胞并通過(guò)其免疫調(diào)節(jié)能力來(lái)治療肝臟疾病。

最近，將功能性線粒體從間充質(zhì)干細(xì)胞轉(zhuǎn)移到成熟心肌細(xì)胞中的令人興奮的結(jié)果為確定其治療效果提供了新的思路。線粒體調(diào)節(jié)正在成為間充質(zhì)干細(xì)胞治療機(jī)制研究中最熱門(mén)的話題之一。

越來(lái)越多的肝病研究證據(jù)表明間充質(zhì)干細(xì)胞可以恢復(fù)線粒體功能。在此背景下，我們將從線粒體轉(zhuǎn)移、氧化/抗氧化失衡糾正、線粒體自噬和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、脂質(zhì)代謝和鈣穩(wěn)態(tài)改變等方面揭示MSC介導(dǎo)的線粒體修復(fù)治療肝病的潛在機(jī)制（表1）。

線粒體轉(zhuǎn)移作為間充質(zhì)干細(xì)胞治療的橋梁

為了進(jìn)一步研究MSC與其他細(xì)胞之間串?dāng)_的影響，將完全分化的小鼠心肌細(xì)胞與脂肪來(lái)源的MSC共培養(yǎng)。這項(xiàng)研究首次強(qiáng)調(diào)了線粒體從干細(xì)胞轉(zhuǎn)移到心肌細(xì)胞在體細(xì)胞重編程中的關(guān)鍵功能。隧道納米管 (TNT) 和細(xì)胞外囊泡 (EV) 是MSC將線粒體貨物遞送至其他細(xì)胞或受損組織最常用的方法。

隧道納米管

TNT從質(zhì)膜延伸出來(lái)，使不同的哺乳動(dòng)物細(xì)胞能夠長(zhǎng)距離接觸。TNT最初被描述為哺乳動(dòng)物細(xì)胞可以安排膜囊泡和細(xì)胞器在細(xì)胞之間選擇性轉(zhuǎn)移的導(dǎo)管。目前，TNT介導(dǎo)的線粒體或mtDNA從MSC轉(zhuǎn)移到其他器官細(xì)胞的過(guò)程已被報(bào)道用于呼吸系統(tǒng)、心血管、神經(jīng)元和免疫系統(tǒng)疾病和紊亂。

當(dāng)間充質(zhì)干細(xì)胞歸巢到肝臟時(shí)，它們可以通過(guò)TNT將線粒體捐贈(zèng)給周?chē)軗p的肝細(xì)胞。最近，在NAFLD小鼠模型中，間充質(zhì)干細(xì)胞通過(guò)改變肝臟脂質(zhì)代謝從儲(chǔ)存到利用來(lái)逆轉(zhuǎn)線粒體功能障礙，并改善與脂質(zhì)氧化增強(qiáng)相關(guān)的過(guò)度氧化應(yīng)激。這些效應(yīng)與TNT將線粒體遞送至小鼠肝細(xì)胞有關(guān)。需要進(jìn)一步的研究來(lái)闡明 TNT將功能性線粒體轉(zhuǎn)移到受損細(xì)胞的機(jī)制。

細(xì)胞外囊泡

EV是大多數(shù)真核細(xì)胞內(nèi)體區(qū)室中產(chǎn)生的脂質(zhì)結(jié)合囊泡。EV的三種主要亞型是微泡（MV）、外泌體和凋亡小體，它們的區(qū)別在于其生物發(fā)生、釋放途徑、大小、內(nèi)容和功能。在中風(fēng)、創(chuàng)傷性腦損傷和肝損傷的動(dòng)物模型中，MSC已被證明可以分泌大量不同類(lèi)型的EV，具有再生和抗炎作用。因此，MSC-EV現(xiàn)在具有從實(shí)驗(yàn)室到臨床試驗(yàn)的疾病治療潛力。

研究人員表明，MSC可以通過(guò)釋放MV將線粒體轉(zhuǎn)移到急性肺損傷中受損的肺泡。最近，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，心肌內(nèi)注射含有線粒體的MSC-EV可以增強(qiáng)體內(nèi)心肌梗死后的心功能。與已知的TNT相比，需要更多的研究來(lái)評(píng)估MSC-EV的線粒體捐贈(zèng)在肝病治療中是如何發(fā)生的。值得注意的是，MSC-EV運(yùn)輸其他線粒體貨物對(duì)挽救線粒體功能具有強(qiáng)大的作用。

基于線粒體功能調(diào)節(jié)的間充質(zhì)干細(xì)胞修飾策略

除了我們之前關(guān)于改良間充質(zhì)干細(xì)胞有益于肝纖維化和肝癌的研究外，改良間充質(zhì)干細(xì)胞療法在治療其他肝病方面也被認(rèn)為是有效的。目前，出現(xiàn)了更精確的修飾方法來(lái)增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞的作用。這些策略可能涉及間充質(zhì)干細(xì)胞的啟動(dòng)、間充質(zhì)干細(xì)胞的基因修飾或間充質(zhì)干細(xì)胞分泌物的使用（圖2）。

A。用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的培養(yǎng)環(huán)境預(yù)處理間充質(zhì)干細(xì)胞將提高存活率并增強(qiáng)免疫調(diào)節(jié)。

b。過(guò)度表達(dá)抗氧化基因等基因修飾對(duì)線粒體功能障礙具有可靠的治療效果。

C。使用源自攜帶功能載體（例如 miRNA）的MSC的分泌組，可以特異性恢復(fù)線粒體功能。預(yù)處理和基因修飾的間充質(zhì)干細(xì)胞也可以通過(guò)分泌組發(fā)揮作用

迄今為止，正如我們上面所說(shuō)，只有少數(shù)研究報(bào)道了修飾間充質(zhì)干細(xì)胞在肝病中針對(duì)線粒體功能障礙的應(yīng)用。在其他疾病的MSC治療策略中也發(fā)現(xiàn)通過(guò)恢復(fù)線粒體功能來(lái)提高療效。例如，腦損傷研究表明，外泌體中過(guò)度表達(dá)miR-21增強(qiáng)了MSC的神經(jīng)保護(hù)作用，MSC 通過(guò)直接靶向和抑制PTEN來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的線粒體自噬。因此，同樣的想法可以通過(guò)針對(duì)功能失調(diào)的線粒體來(lái)優(yōu)化肝病治療。

結(jié)論

在這篇綜述中，我們總結(jié)了肝病中常見(jiàn)的線粒體功能障礙類(lèi)型及其相關(guān)機(jī)制。然后，我們重點(diǎn)探討了間充質(zhì)干細(xì)胞通過(guò)改變線粒體功能對(duì)肝病的治療作用。有趣的是，一些研究人員最近將注意力轉(zhuǎn)向了利用間充質(zhì)干細(xì)胞的EVs進(jìn)行無(wú)細(xì)胞療法。這種方法避免了間充質(zhì)干細(xì)胞移植的一些缺點(diǎn)。然而，EVs是否能像間充質(zhì)干細(xì)胞一樣有效發(fā)揮作用以及它們?cè)诒Ｗo(hù)線粒體方面的作用尚不清楚。

最后，我們注意到，間充質(zhì)干細(xì)胞的改造很受歡迎，在治療肝病方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)研究人員傾向于使用基因修飾來(lái)獲得長(zhǎng)期、有針對(duì)性和可靠的效果。然而，移植經(jīng)修飾的間充質(zhì)干細(xì)胞的潛在致瘤風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)了人們對(duì)其安全性的擔(dān)憂。另一個(gè)令人擔(dān)憂的問(wèn)題是，癌細(xì)胞與間充質(zhì)干細(xì)胞之間通過(guò)線粒體交換產(chǎn)生的串?dāng)_是有益還是有害。間充質(zhì)干細(xì)胞可直接捐獻(xiàn)線粒體以挽救受傷細(xì)胞。然而，這種利他行為也有利于癌細(xì)胞，因?yàn)槟[瘤的生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)需要線粒體。

因此，需要進(jìn)一步研究如何改變間充質(zhì)干細(xì)胞療法以解決這些問(wèn)題。總之，我們?cè)诒疚闹谢仡櫟淖钚逻M(jìn)展有望為提高線粒體靶向間充質(zhì)干細(xì)胞治療肝病的療效提供新的方向和策略。

參考資料：Cen, Y., Lou, G., Qi, J. et al. A new perspective on mesenchymal stem cell-based therapy for liver diseases: restoring mitochondrial function. Cell Commun Signal 21, 214 (2023). https://doi.org/10.1186/s12964-023-01230-0

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