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为解决线粒体移植临床应用难题，研究人员调控间充质干细胞（MSCs）制造线粒体，促进软骨再生，意义重大。
线粒体，作为细胞中至关重要的 “能量工厂”，为人类生命活动提供约 90% 的生物能量。一旦它出现功能障碍，就如同工厂运转失常，会引发各种代谢紊乱问题。在医疗领域，人工线粒体移植被视为治疗多种疾病的 “希望之星”，比如改善心脏功能、缓解缺血性心脏病症状，治疗线粒体 DNA（mtDNA）疾病、不孕症，促进伤口愈合等。然而，这颗 “希望之星” 却被资源获取难题所困扰。从人体肝脏、肌肉等组织中获取线粒体不仅有创，而且数量有限、质量难以保证，根本无法满足临床治疗对线粒体数量和质量的需求，就像在建造高楼时，建筑材料供应不足且质量参差不齐，严重阻碍了线粒体移植疗法的广泛应用。
在这样的背景下，浙江大学医学院的研究人员决心攻克这一难题。他们开展了一项旨在高效制造线粒体并用于软骨再生的研究。研究成果发表在《Bone Research》上，为线粒体移植疗法带来了新的曙光。
为了开展研究，研究人员采用了多种关键技术方法。他们从接受特定手术的患者处获取人脂肪来源的间充质干细胞（MSCs），并分别在典型培养条件和自定义的线粒体制造条件（mito - condition）下进行培养。利用转录组测序（RNA - seq）分析不同培养条件下细胞的基因表达变化；通过 Seahorse 细胞外通量分析仪测量线粒体呼吸水平等代谢指标；运用免疫荧光染色、流式细胞术、透射电子显微镜（TEM）等技术对细胞和线粒体的形态、数量、功能进行表征；构建小鼠骨关节炎（OA）模型，评估线粒体在体内的治疗效果 。
下面来看看具体的研究结果。
- 组合表型筛选确定高效线粒体制造条件：研究人员基于之前建立的无血清培养扩增系统，通过系统排除对线粒体生物发生（mitobiogenesis）无贡献的成分，筛选出 8 个对细胞增殖和线粒体总量有积极影响的因素，再加入人血小板裂解物（HPL），最终确定了包含 9 个因素的 mito - condition 培养基。在该条件下培养的 MSCs（mc - MSCs）与典型血清培养条件下的 MSCs（tc - MSCs）相比，细胞增殖速度更快，线粒体数量显著增加，形态也有所不同，呈现出短而圆的形态。
- mito - condition 实现干细胞传代过程中线粒体的可持续繁殖：mc - MSCs 的群体倍增时间（PDT）明显短于 tc - MSCs，经过 5 次传代（约 15 天）后，mc - MSCs 的总数比 tc - MSCs 多 302 倍，且在传代过程中能稳定维持较高的线粒体数量。经计算，mc - MSCs 的线粒体总产量比 tc - MSCs 至少高 854 倍，有力证明了 mito - condition 在大规模合成人类线粒体方面的高效性。
- mito - condition 提升线粒体功能，保障能量供应：mc - MSCs 的线粒体呼吸水平、ATP 产生量、备用呼吸能力均显著提高，线粒体膜电位（MMP）升高，活性氧（ROS）积累减少，参与氧化磷酸化（OXPHOS）的相关基因和蛋白表达增加。分离后的 mc - 线粒体在 ATP 产生和 MMP 方面仍表现出色，且在储存后功能稳定，移植到其他 MSCs 中能促进细胞增殖和 ATP 产生。
- mito - condition 通过激活 AMPK 通路促进线粒体生物发生：RNA - seq 分析显示，mc - MSCs 和 tc - MSCs 的转录组存在显著差异，mc - MSCs 中与线粒体生物发生相关的基因如 TFAM、TFB2M、NRF1、CYCS 等显著上调，细胞增殖和代谢相关的通路增强，同时 AMPK 通路被激活。进一步研究证实，激活的 AMPK 通路通过上调关键下游转录因子 TFAM，促进了线粒体的生物发生，而抑制 AMPK 通路会减少 mc - MSCs 的线粒体总量。
- mito - condition 调节能量平衡，抑制其他耗能过程：转录组数据表明，mito - condition 抑制了与溶酶体消化、细胞迁移、黏附、分泌等能量消耗相关的细胞活动。研究发现，mc - MSCs 中溶酶体数量明显减少，内质网（ER）肿胀得到改善，自噬水平降低，同时细胞的分泌、迁移和黏附能力也减弱。这表明 mito - condition 通过限制其他不必要的耗能过程，实现了线粒体的高效生成和繁殖。
- mc - 线粒体在体内线粒体治疗中表现卓越：在体外实验中，将线粒体移植到人类 OA 软骨细胞中，mc - 线粒体能更显著地提高 ATP 产生量和 MMP，降低细胞凋亡率。在小鼠 OA 模型实验中，注射 mc - 线粒体的小鼠在软骨修复方面效果显著优于注射 tc - 线粒体和磷酸盐缓冲液（PBS）的小鼠，能更好地保护关节软骨，减少骨赘形成和软骨下骨硬化。
综合研究结论和讨论部分，这项研究意义非凡。研究人员通过确定 mito - condition，成功构建了活细胞线粒体工厂，实现了线粒体的高效可持续制造，为临床线粒体治疗提供了充足的高质量线粒体来源。同时，揭示了 mito - condition 调节线粒体生物发生和细胞能量平衡的分子机制，即激活 AMPK 通路，抑制其他耗能过程，为深入理解细胞器合成的调控机制提供了新视角。此外，在 OA 模型中的应用验证了 mc - 线粒体在组织再生中的治疗潜力，为骨关节炎等疾病的治疗开辟了新途径。不过，研究也存在一定局限性，如缺乏线粒体在靶细胞中有效转移和保留的证据，这也为后续研究指明了方向。总体而言，该研究为线粒体工程技术在再生医学中的发展奠定了坚实基础，有望推动相关领域的进一步发展。
