受体细胞对移植线粒体命运与功能的调控机制

《Clinical and Translational Medicine》：After delivery: How recipient cells shape the fate and function of transplanted mitochondria

　　

背景：线粒体移植建立在一个简单的理念之上：功能衰竭的细胞可能通过健康的线粒体得到挽救。该方法已进入早期临床试验，封装技术和细胞类型靶向策略已在特定系统中改善了摄取效率。然而，更好的递送手段并不能解释其治疗机制。 主体：内化的供体线粒体会遭遇受体细胞内已存在的网络、质量控制机制以及对线粒体物质的感应系统。供体物质可能滞留于内溶酶体系统，也可能到达胞质。胞质内的命运包括网络整合、清除以及一种候选的无需融合即可实现的功能性贡献。胞内加工过程还可能产生具有生物活性的货物。这些不同的命运意味着不同的作用机制和证据要求。本综述探讨了受体细胞如何塑造内化线粒体的贡献，同时承认存在不依赖细胞摄取的细胞外获益途径。研究人员区分了来自直接移植实验的证据与源自内源性线粒体生物学和天然细胞间转移的机制性支持。所需的供体命运和作用持续时间取决于治疗任务。短暂挽救可能依赖于短期供体功能或在特定模型中的生产性加工；持续支持可能依赖于持续的供体功能、受体适应性改变或重复给药。持久的线粒体DNA（mtDNA）校正则要求供体mtDNA的保留与复制。 结论：将这些治疗任务与产品设计、安全性评估及临床终点联系起来，将研究问题从“有多少线粒体进入了细胞”转变为“它们在抵达后完成了什么”。 关键点： •受体细胞的加工方式决定了移植线粒体被摄取后的行为。 •摄取、结构整合和供体线粒体DNA的保留需要各自独立的证据。 •短暂挽救、持续支持和持久的线粒体DNA校正提出了不同的要求。 •治疗目标应指导供体选择、产品测试和临床终点的设定。

主体内容总结

1 引言

线粒体移植旨在通过功能性线粒体拯救受损细胞，已进入针对小儿心脏缺血再灌注损伤和急性脑缺血的早期临床试验。递送仍是实践障碍，定量研究表明摄取效率低且不能确保有效的胞内递送。红细胞膜衍生囊泡封装可将摄取阳性细胞比例从低于5%提升至约80%，而MitoCatch技术可实现可调的靶向附着。然而，更好的递送并不能解释治疗机制。内化的供体线粒体遭遇受体细胞已有的网络、质量控制机制和对线粒体物质的感应系统。它们可能发生结构整合，或在保持未融合状态下支持功能。益处也可能来源于释放的线粒体DNA（mtDNA）、代谢物或肽类，或是受体对损伤相关信号的反应。本综述探究受体细胞加工如何塑造移植线粒体的贡献，以及何种证据能区分可能的机制。受体细胞通过维护内源性线粒体和加工外来货物的系统来处理供体物质。内吞途径分选内化物质；相容的供体可能与宿主网络融合，而线粒体自噬和基因组水平的选择决定哪些物质被保留或移除。先天感应器可将线粒体成分识别为细菌样或损伤相关信号。本文遵循从递送到受体细胞加工再到治疗贡献的路径展开论述。

1.1 综述方法与证据框架

本叙述性综述优先考虑关于受体细胞加工和治疗结局的直接移植研究，以内源性线粒体生物学和天然细胞间转移作为机制背景。主张均对照可获取的全文或可验证的摘要信息进行核查。研究人员区分了直接移植证据、来自相邻领域的机制性支持以及需要检验的假说。

2 递送如何影响后续事件

递送设定了起始条件。内吞摄取将供体物质置于内溶酶体膜之后；直接的胞质转移则绕过了这一屏障。局部给药和血管给药暴露于不同的受体细胞群体。

2.1 途径与批量递送

直接注射或血管输注使组织暴露于分离的线粒体。自体移植研究在小儿心脏缺血再灌注损伤和急性脑缺血中提供了初步的短期安全性观察。临床前损伤模型也显示出功能改善。然而，不均匀、低效的摄取使得组织暴露的表征优于单个细胞器进入后的命运追踪。直接注射集中局部暴露；血管输注则在实质递送前使供体暴露于血液和内皮。细胞分辨测量必须确定受体细胞身份及其后的供体命运。

2.2 封装

报道的红细胞膜衍生囊泡系统将供体线粒体阳性细胞的比例从低于5%提升至约80%。在选定的细胞系统中，封装的线粒体与内源性网络相关联，供体来源的mtDNA至少可检测7天，生物能量缺陷得到纠正。在mtDNA耗竭综合征、Leigh综合征和帕金森病模型中也有功能性拯救的报道。其优势可能源于保存了细胞外转运期间的供体膜电位、改变了内化途径、减少了溶酶体降解或向易感细胞递送了更大剂量的完整线粒体。改进的递送本身既不能确立胞内机制，也不能证明在未经选择的组织中实现了持久的供体基因组维持。

2.3 细胞类型靶向与表面工程

靶向决定哪些细胞接触供体线粒体。MitoCatch利用细胞表面、线粒体展示或双特异性结合子靶向特定受体。在测试系统中，供体被内化并暴露于胞质；观察到运输、融合和分裂。靶向移植保护了体外受损神经元和小鼠神经元损伤后的神经元。融合是否为保护所必需，以及供体mtDNA能持续多久，仍有待解决。表面工程的证据基础较窄。靶向血管细胞粘附分子1或胶原的肽段增加了受伤内皮细胞中的线粒体关联、摄取和保留，同时改善了线粒体功能。单凭功能改善无法区分供体活性与内源性网络反应。

2.4 离体转移平台

选定的离体转移平台通过将供体线粒体直接放置于胞质中来绕过内体屏障。光热纳米刀瞬时打开质膜，而MitoPunch则驱动线粒体悬浮液穿过瞬时膜破坏。在mtDNA缺陷的rho零受体细胞中，这些方法产生了保留供体mtDNA并恢复呼吸作用的克隆。机械性进入、rho零受体以及代谢或克隆选择限制了向完整组织的推断。这些系统确立了可能的结果，但非其在未经选择、线粒体完整的细胞中的发生频率。

2.5 区分递送与机制

这些平台改变了组织暴露、供体保护、受体选择或胞质通路。一些线粒体制剂可能在进入前就已发挥作用：有报道称细胞外纳米级线粒体可在无细胞摄取的情况下清除活性氧。摄取指内化，通常进入膜结合区室。胞质通路指完整的供体细胞器或供体物质暴露于胞质。结构整合需要供体-受体基质混合或已解析的膜与基质连续性。持久性指在定义的时间间隔内保留完整的细胞器或供体mtDNA。一个事件的证据不能确立下一个事件。

3 进入后：移植线粒体的命运

摄取并非最终命运。在内体或溶酶体内，供体线粒体仍与受体网络隔离，可能被保留、加工或降解。相反，胞质中的供体物质会遇到移动、重塑、融合和移除线粒体的机器。分支命运包括区室滞留、胞质通路、整合、重塑、清除和候选的非融合功能。这些命运可能共存。供体状态和受体状态共同塑造这些命运。膜电位是供体质量的指标之一：极化的线粒体更可能保持融合能力，而去极化则有利于清除。

3.1 内吞摄取后的逃逸：第一个未解决的步骤

当摄取将供体线粒体置于膜结合区室内时，内体逃逸成为一个瓶颈。该区室将供体与用于运动、融合和质量控制的胞质机器隔离开。移植研究表明肌动蛋白依赖性内吞作用和巨胞饮样进入。货物可能滞留在内溶酶体系统中或被降解。完整的供体逃逸需要跨越区室边界，但分子事件仍未解决。光热纳米刀和MitoPunch通过瞬时质膜破坏将供体线粒体直接放入胞质。内溶酶体损伤不一定导致逃逸；有限损伤可招募内体分选复合物（ESCRT）进行修复。暴露的腔内聚糖招募半乳凝素，可能启动自噬加工或溶酶体自噬。这些反应可能重新密封或降解区室，或伴随一次生产性的突破。决定性的观察将是把损伤与该细胞器的膜跨越联系起来。一项定量研究分离了通常被归为成功递送的事件。线粒体靶向的分裂荧光素酶互补实验与供体-受体相互作用和内容物混合一致。约9%的内化线粒体与半乳凝素-3斑点共定位。半乳凝素招募标志着区室损伤，而非完整的细胞器逃逸。

3.2 整合：加入宿主网络

胞质通路使供体能够接触到受体网络。结构整合已被直接观察，而供体mtDNA保留是一个不同的基因组结果。两者单独都不能证明融合是益处的原因。融合需要协调的供体和受体机器。线粒体融合蛋白1和2（MFN1/2）介导外膜锚定和融合，视神经萎缩蛋白1（OPA1）完成内膜融合并维持嵴结构。动力相关蛋白1（DRP1）参与网络重塑和受损线粒体区域的分离。膜电位将融合能力与质量控制联系起来。FluidFM和靶向递送研究发现，完整的供体常进入融合-分裂动力学，而受伤或纯化损伤的细胞器更可能碎片化或降解。融合只是供体功能的一种可能途径。功能性非融合贡献描述了一种不同的候选命运：物理上分离的供体可能提供呼吸或代谢支持，至少是暂时性的。一项视网膜神经节细胞研究发现融合抑制减弱了移植益处，支持在该模型中融合的贡献。遗传互补实验在选定系统中提供了基因组和功能性贡献的证据。融合依赖性必须在相关的受体环境中进行检验，而不是仅从功能恢复中推断。

3.3 随时间变化的清除与持久性

在胞质通路或整合后，供体进入一个处于持续重塑、选择和更新中的群体。它们可能被保留、稀释、拆解或降解。供体mtDNA或受体反应可能比完整细胞器存活得更久。在胞质通路前的降解是内溶酶体加工，区别于对胞质供体的线粒体自噬。胞质供体遇到内源性的质量控制机器。去极化的胞质线粒体可以稳定PTEN诱导激酶1（PINK1）并启动磷酸泛素信号和Parkin依赖的泛素化。自噬受体视神经蛋白（OPTN）和核点蛋白52（NDP52）参与下游机器。BCL2相互作用蛋白3样（NIX）、BCL2相互作用蛋白3（BNIP3）和FUN14结构域包含蛋白1（FUNDC1）提供了上下文依赖的Parkin非依赖性途径。移植研究将清除与不同结果联系起来。在内皮细胞中，供体PINK1和受体Parkin是线粒体自噬和增强血管植入所必需的，尽管缺乏稳定的结构整合。因此，生产性加工在一个内皮模型中具有因果支持。细胞器、基因组和标记物需要分开追踪。组织荧光或铁保留可能比供体破裂、溶酶体加工和碎片摄取存活得更久。所需持久性随治疗主张而定。短暂的供体存活可能支持急性代谢或启动更长寿命的受体反应。持久的异质性校正需要供体基因组持续存在、复制并能抵抗细胞分裂或组织更新。

3.4 细胞器还是信号？归因问题

整合、持久性、候选的非融合功能和生产性加工可能产生相似的益处，并与生物活性货物的释放共存。快速的心脏反应使瞬时机制得以显现。实验性心肌益处可在数分钟内出现，但这并不确立稳定的整合是其原因。内皮线粒体自噬结果提出了一个特定的归因问题：加工是增强血管植入所必需的，但其下游介质仍未解决。骨细胞线粒体增加胞质mtDNA并激活肿瘤细胞中的环状GMP-AMP合酶（cGAS）-干扰素基因刺激因子（STING）信号。相比之下，移植到发炎的滑膜细胞和关节炎小鼠中恢复了线粒体和溶酶体功能，同时抑制了异常的cGAS-STING活性。供体物质因此可以激活感应，或通过恢复受体细胞稳态来减少感应。区室和暴露塑造免疫识别。内溶酶体mtDNA可结合Toll样受体9（TLR9），而胞质mtDNA可激活cGAS-cGAMP-STING-TBK1-IRF3轴。氧化mtDNA、三磷酸腺苷（ATP）、N-甲酰肽和心磷脂可参与NLR家族含pyrin结构域蛋白3（NLRP3）、甲酰肽受体及相关先天通路。细胞器功能和信号传导可以共存。活体与死亡供体的比较本身不能区分这些机制。更具辨别力的比较可使用完整的呼吸型线粒体、膜完整但呼吸受限的制剂、mtDNA耗竭或融合受损的供体，以及匹配的无细胞组分。受体侧扰动可以检验进入后哪些过程是必需的。时间分辨分析将机制与益处的持续时间联系起来。

4 细胞器何时必须持续存在？

急性损伤可能需要短暂的供体作用。急性缺血性损伤模型提供了数小时至数天的挽救窗口。短暂的呼吸、钙离子或氧化还原缓冲，或保护性受体反应可能就足够了。慢性获得性疾病需要持续的益处，但不一定需要原始供体基因组的终生保留。供体功能、受体适应或重复替代可以在单个细胞器消失时维持支持。持久的mtDNA校正需要更多：供体野生型mtDNA必须被保留和复制，以使致病性mtDNA异质性水平保持在功能阈值以下。核基因线粒体疾病提出了不同的限制。供体mtDNA无法去除因果性的核病变。任何持续的益处必须依赖于供体细胞器功能、受体适应或重复替代。

5 将进入后命运转化为治疗产品

线粒体产品必须由其预期的进入后贡献来定义。颗粒计数或蛋白质含量无法确定有多少细胞器保持完整、具备呼吸能力、到达胞质或持续存在。供体来源定义了基因型和生物学背景；产品质量描述了给药时的材料。组织来源增加了供体-受体亲缘关系无法捕捉的成分差异。分离过程塑造细胞器完整性和制备组成。效力测定必须匹配预期贡献；没有一种测定能捕捉所有临床相关属性。成分可以改变机制和安全性。游离mtDNA、破坏的线粒体膜、代谢物和非线粒体成分即使在很少完整细胞器存在时也可能保持生物活性。安全性发现必须在测试的产品和暴露条件下进行解释。给药决定了组织暴露。人体研究涵盖了不同的来源、途径和治疗环境。