MitoCatch能引导线粒体的输送，防止细胞退化

《Cell Research》：MitoCatch directs mitochondria delivery and prevents cell degeneration

　　

一旦克服了递送效率、分离后线粒体存活率以及细胞类型特异性等限制，线粒体移植有望成为恢复细胞代谢并防止细胞死亡的有效治疗策略。在本期 Nature杂志中，Ayupov等人推出了MitoCatch——一种具有选择性线粒体内化功能的靶向移植系统，可为疾病治疗提供精准手段。

线粒体功能障碍与多种疾病相关，尤其会影响那些能量需求较高的细胞，如心肌细胞和神经元，它是心血管疾病及神经退行性疾病等多种病症的典型特征。¹ 以小鼠模型为对象的研究表明，线粒体移植，即把线粒体从供体细胞转移到受体细胞中，能够恢复细胞的能量代谢并防止细胞死亡。² 尽管这种方法在临床前模型中显示出治疗潜力，³ 但在线粒体递送效率、线粒体功能保持以及针对特定细胞类型的精准定位方面仍存在诸多难题。正因如此，Ayupov等人在本期《自然》杂志上开发出了MitoCatch——一种创新的靶向系统，它通过蛋白质结合剂在分离出的供体线粒体与受体细胞表面的特定标记之间建立物理连接，从而实现选择性内化。⁴

为了验证是否可以实现靶向特异性，研究团队探讨了多种策略，包括对细胞膜、线粒体外膜进行修饰，或同时采用这两种方法。他们首先研究了MitoCatch-C，该系统中靶细胞膜上的结合剂与线粒体外膜上的蛋白质发生相互作用。细胞膜上有一种抗GFP纳米抗体，它能与供体线粒体外膜上的mito-GFP相结合。在HEK293T细胞中的初步试验显示，该系统具有高效性和特异性。在诱导的人神经元（iHNeurons）中，该系统的特异性更为突出——线粒体能够成功被内化，而从内吞囊泡中逃逸出来的线粒体还会经历分裂与融合，并沿着细胞体及神经元突起进行主动的细胞内运输。

随后，研究团队又开发出了MitoCatch-M，它的设计目的是在移植前将供体线粒体与其外膜上的结合剂相连，以便这些结合剂能与靶细胞表面的特定蛋白质发生作用。MitoCatch-M采用了源自骆驼科动物的抗GFP纳米抗体，这类抗体被固定在线粒体表面。这些线粒体可以通过内吞作用进入人类脐静脉内皮细胞（HUVECs）中，而且之后这些线粒体还能从溶酶体中释放出来，且不会导致细胞酸化。此外，这些移植后的线粒体在HUVECs中至少能存活四天，在此期间它们会与宿主细胞的线粒体网络整合，并形成管状结构。研究团队还探讨了是否无需对细胞膜进行基因改造，就能在具有天然标记表达的细胞中实现线粒体移植的靶向性。他们利用天然表达CD71的人源心脏细胞作为实验对象，证明将抗CD71纳米抗体固定在分离出的线粒体表面，确实能够引导这些线粒体被准确递送至目标细胞。

最后，研究团队通过评估MitoCatch-Bi得出了研究结论。这是一种较为复杂的方案，它利用重组的双特异性蛋白质结合剂作为分子桥梁，将靶细胞表面的特定膜蛋白与线粒体外膜上的蛋白质连接起来。与之前研究中使用的方法相比，MitoCatch-Bi系统的效果更为显著。通过使用抗TOMM20/抗CD4双特异性纳米抗体将线粒体引导至人类CD4⁺ T细胞中，有95%的靶细胞实现了线粒体移植，而对照组这一比例仅为3%。

为了研究健康的线粒体是否能够减轻细胞退化，研究人员使用了一种诱导多能干细胞系，这类干细胞来自一名携带线粒体ND4基因mt11778G>A突变且患有莱伯遗传性视神经病变（LHON）的患者。莱伯遗传性视神经病变是一种罕见的疾病，其特征为视力下降和视网膜神经节细胞丢失。通过使用MitoCatch-C系统，研究人员成功提高了患者iHNeurons的耗氧率，同时增加了与呼吸链复合体I、ATP合成以及氧化磷酸化相关的核编码基因的表达水平。当让患有LHON的细胞依靠氧化磷酸化来产生ATP时，接受线粒体移植的细胞的存活率比未接受移植的细胞高23.6%。

最后，研究团队在成年小鼠身上应用MitoCatch-C系统，评估了靶向线粒体移植对体内神经退行的影响。他们通过挤压小鼠的视神经来损伤其视网膜神经节细胞。在受伤后十天时，接受靶向线粒体注射的小鼠的神经元存活率比对照组高出近50%。此外，那些接受了移植线粒体的视网膜中的神经元依然保持活跃和功能正常，退化的轴突密度也降低了四倍（见图1）。

图1：MitoCatch线粒体移植到视网膜神经节细胞中可防止小鼠模型中的神经退行性变。

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该图展示了通过眼内注射将MitoCatch系统应用于小鼠眼睛的原理示意图。线粒体通过识别特定的表面标记被移植到视网膜神经节细胞中，这种靶向性的线粒体内化能够防止轴突退化及神经元丢失。RGCs指视网膜神经节细胞。该图由FigureLabs.com制作。

早在2000年就已有证据表明哺乳动物细胞中存在线粒体在细胞间移动的现象，但这项研究首次证明，现在可以针对特定的目标细胞有选择地控制线粒体的递送。这对于神经退行性疾病、心脏病以及遗传性线粒体疾病等那些病变局限于特定组织的疾病而言，具有非常重要的意义。虽然这项研究成功证明了该疗法在短期内到中期具有神经保护作用，但这些作用的长期持续性还有待进一步研究。此外，与所有关于线粒体移植的研究一样，仍有许多关键问题尚未解决。首先，线粒体如何从内吞溶酶体途径“逃逸”出去的细胞生物学机制仍未被阐明。目前还不清楚这些线粒体是如何在不引发溶酶体泄漏和细胞酸化的情况下释放到细胞质中的。如果线粒体是在内吞过程的早期阶段就逃逸的，那么还有许多关键问题有待解答。目前尚不确定线粒体是否能够绕过常规的降解途径，通过内吞系统直接被输送到宿主细胞的线粒体网络中。此外，货物被释放后内吞膜的去向——是会被回收、破碎还是崩解——也同样不清楚。最根本的是，控制线粒体逃逸的分子机制，包括触发和调节这一过程的脂质、蛋白质以及结构因子，目前仍然了解甚少。在线粒体方面，也存在其他一些问题。首先，从纯粹的化学计量角度来看，目前还不清楚为何仅移植少量线粒体就能恢复那些含有数千个功能异常线粒体的细胞的正常功能。其次，目前还不清楚恢复线粒体功能是否必须与细胞内的线粒体网络发生融合。第三，目前也不清楚移植进来的线粒体为何能产生持久的效果，因为随着时间的推移，这些线粒体中的蛋白质、脂质和核酸都可能被稀释，而蛋白质还可能发生降解。第四，目前还不清楚移植后功能异常的线粒体是否会通过线粒体自噬被清除。这或许可以解释为何即使移植的线粒体数量在化学计量上并不均衡，却仍能产生有益效果。

总而言之，尽管这些经过工程设计的线粒体递送方法在效率和组织特异性方面展现出明显的优势与令人振奋的结果，但由于仍有许多细胞生物学及功能方面的问题尚未得到解决，因此这些疗法能否进一步发展并用于治疗罕见病和常见病，目前还存在不确定性。考虑到线粒体疾病往往会对儿童造成严重危害，他们的父母也需承受巨大的痛苦，因此这一问题的重要性尤为突出。相关研究领域必须充分认识到，如果不进行深入的机制研究，就无法开发出设计合理、效果显著的疗法，也就无法为线粒体移植所展现出的有益效果提供合理的解释。