《Nature Communications》：Tunneling nanotubes regulate mitochondrial homeostasis between glioblastoma and astrocytes, and between tumor cells in vivo
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肿瘤进展由癌细胞通过隧道纳米管样连接（tunneling nanotube-like connections, TNTs）建立细胞网络的能力驱动，该连接可实现肿瘤细胞内部及肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）内的线粒体交换。然而
肿瘤进展由癌细胞通过隧道纳米管样连接（tunneling nanotube-like connections, TNTs）建立细胞网络的能力驱动，该连接可实现肿瘤细胞内部及肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）内的线粒体交换。然而，肿瘤与非肿瘤细胞间线粒体转移的功能后果及其在体内发生情况仍知之甚少。本研究显示胶质母细胞瘤（glioblastoma, GBM）细胞与非肿瘤性星形胶质细胞（astrocytes, AS）之间存在双向线粒体转移。研究人员发现，受损线粒体从GBM细胞转移至AS与受体细胞线粒体自噬（mitophagy）激活相关，而星形胶质细胞来源线粒体转移至GBM细胞则与线粒体活性及代谢读数改变相关。此外，活体动物模型中的体内亚细胞显微镜（intravital subcellular microscopy, ISMic）可可视化具有与体外观察到相似特征的TNT连接，并支持体内TNT介导的线粒体转移。这些发现揭示了肿瘤适应的潜在机制，并将TNTs凸显为有前景的治疗靶点。
研究背景方面，线粒体除通过氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS）产生ATP外，还调控程序性细胞死亡并是活性氧（reactive oxygen species, ROS）主要来源。肿瘤细胞之间以及肿瘤细胞与非肿瘤细胞之间的线粒体交换，参与代谢重编程、免疫抑制、肿瘤进展、治疗反应调节、细胞救援机制激活及受体细胞凋亡逃逸等过程。水平线粒体转移的主要机制之一是通过瞬时细胞间结构隧道纳米管（tunneling nanotubes, TNTs）实现。TNTs分为肌动蛋白（actin）为基础的和微管（microtubule, MT）为基础的两类。GBM是最具侵袭性的成人原发性脑肿瘤且无法治愈，其肿瘤微环境包含AS等非肿瘤细胞。已有研究提示AS可向GBM干细胞（GBM stem cells, GSCs）转移线粒体并促进致瘤性，但TNTs在活体肿瘤中的存在长期受技术限制而被质疑，且缺乏TNT特异性标记物，体内是否发生功能性TNT介导的线粒体转移仍是开放问题。因此，研究人员拟明确GBM细胞是否通过TNTs与AS及肿瘤同胞细胞双向转移健康或受损线粒体，并证明该过程在活体中存在。
本研究发表在《Nature Communications》。研究人员使用U251 GBM细胞系、患者来源GSCs即GSC(-)与GSC(*)（亦称SRC1和SRC2）、原代小鼠皮质AS，以及头颈鳞状细胞癌（head and neck squamous cell carcinoma, HNSCC）HN12细胞和4MOSC1细胞、mito-Dendra1转基因小鼠、免疫缺陷nu/nu小鼠等样本与模型开展工作。
关键技术方法上，研究人员采用旋转盘共聚焦活细胞时序成像与线粒体/肌动蛋白/微管多色标记分析TNT动态；用冷冻电镜（cryo-electron microscopy, cryo-EM）解析TNT超微结构；用带1 μm孔滤器的分泌对照组联合流式细胞术（flow cytometry, FACS）区分直接接触转移与分泌转移；用 bulk RNA测序（bulk RNA-seq）分析接受AS线粒体的GSCs转录组；用体内亚细胞活体显微镜（ISMic）在小鼠舌原位HNSCC模型中实时观察TNT样连接与线粒体；用mito-Dendra1转基因鼠实现宿主至肿瘤线粒体转移概念验证。
研究结果如下。
Dynamic analysis of TNT-mediated mitochondrial transfer between live cancer cells：研究人员通过活细胞成像分析U251中TNT介导的线粒体转移，发现线粒体呈盐跃式运动，均方位移斜率大于1提示主动运输；TNT中位长度35.31 μm，表观直径中位657.9 nm，寿命中位1.03 h，并可见含线粒体的膜性膨出结构gondolas。
TNT-transferred mitochondria integrate into the recipient cell’s mitochondrial network：研究人员共标线粒体、actin与tubulin，发现U251约三分之一TNT为MT-based，GSC(-)以actin-based为主；两类TNT均可运输线粒体，转移后线粒体整合入受体网络；cryo-EM显示单TNT由多个60–120 nm个体TNT（iTNTs）组成。
Mitochondria transfer bidirectionally between tumor and healthy cells through TNTs：研究人员共培养AS与GB/GS细胞并用1 μm滤器作分泌对照，FACS显示AS向肿瘤细胞转移更高效，U251为50.72±28%，GSC(-)为5.43±2%，GSC(+)为17.99±10%；反向转移中AS接收比例仅约1.39–7.95%，证明肿瘤与AS间TNT双向转移且AS到肿瘤占优。
AS degrade dysfunctional mitochondria transferred from tumor cells via TNTs：研究人员对接收肿瘤线粒体的AS进行TMRM与LysoTracker染色，发现肿瘤来源线粒体无膜电位、呈球状并与溶酶体共定位，Manders系数mitoGFP/LysoTracker为0.77±0.2，表明进入AS的受损线粒体经mitophagy降解；而AS来源线粒体在受体细胞接收量大时整合进网络并保留膜电位。
The expression of mitochondrial respiration related genes is enhanced in GSC receiving astrocytic-derived mitochondria：研究人员对mitoDsRED+ GSC(+)做bulk RNA-seq，PCA分群明显，1982个基因上调且无下调；GO富集于电子传递偶联质子转运、膜电位调控等，KEGG显示KIF6、KIF9、Myo3等马达蛋白基因上调，说明AS线粒体使GSC代谢转录程序增强。
Evidence of TNT-like connections in cancer cells in vivo supporting their role in mitochondria exchange：研究人员用HN12舌原位模型行ISMic，观察到厚度805±108 nm、长度25–27 μm、存续约2 h的actin阳性TNT样连接，内含mitoGFP+线粒体，并在受体细胞见GFP+ puncta；4MOSC1于mito-Dendra1小鼠中可见宿主GFP+线粒体进入肿瘤细胞的体内证据。
讨论部分总结：研究人员指出，肿瘤与非肿瘤细胞通讯是癌症标志，GBM中TNTs与肿瘤微管（tumor microtubules, TMs）共同构成抵抗网络；本文体外到体内证据说明TNTs可在活体中转移线粒体，AS既向GBM提供健康线粒体增强代谢，又接收并降解肿瘤受损线粒体，形成稳态博弈。体内高细胞密度可能低估TNTs存在，TMs与TNTs可共存且TNTs更可能是线粒体转移主结构。该工作把TNTs确立为可成像、可量化、可成药的干预节点，为针对GBM及广义肿瘤微环境互作的疗法提供依据。
结论部分翻译：隧道纳米管（TNTs）使胶质母细胞瘤细胞与星形胶质细胞之间以及肿瘤细胞之间实现双向线粒体交换；受损线粒体进入星形胶质细胞后触发线粒体自噬，健康星形胶质细胞线粒体进入GBM细胞后增强其线粒体代谢与转录程序。研究人员通过体内亚细胞显微镜（ISMic）在活体动物中观察到与体外特征一致的TNT样连接及管内线粒体，并提供宿主至肿瘤线粒体转移的体内证据。该多学科工作揭示TNT介导的肿瘤微环境互作是肿瘤韧性的关键机制，并将TNTs凸显为未来治疗策略中有前景的靶点。
