线粒体功能增强在间充质干细胞治疗中的新作用

骨髓间充质干细胞具有自我更新和多谱系分化的潜力，因此正被广泛研究用于通过干细胞治疗靶向炎症和免疫相关疾病。一项meta分析评估了MSC治疗的安全性，并探讨了过去15年临床应用中人群异质性的影响，证实了MSC给药对不同人群[1]的安全性。然而，基于骨髓间充质干细胞的治疗目前前景有限，因为骨髓间充质干细胞正在衰老，因此失去了它们的潜力。解决间充质干细胞衰老问题，使其持续增殖并分化为多系间充质细胞，是干细胞治疗和再生医学面临的最大挑战之一，也是一个尚未满足的需求。

越来越多的研究表明，细胞骨架在维持间充质干细胞的形状、扩展和硬度方面起着关键作用，这反过来又决定了细胞的命运、分化和功能[2]。在老年间充质干细胞中，肌动蛋白细胞骨架相关蛋白表达的改变和肌动蛋白周转的减少导致间充质干细胞对生物和机械线索的反应减弱，并降低了它们的迁移能力。在从进行性核上性麻痹(PSP)患者中获得的骨髓间充质/基质细胞(BMSCs)中，过度磷酸化的Tau蛋白普遍积累，在[3]衰老过程中观察到微管联系的改变，微管质量显著减少，微管重构受阻。值得注意的是，在胎盘来源间充质干细胞(PD-MSCs)中显示出较高的形态异质性和细胞骨架紊乱，MIT-001治疗改善了无组织微丝[4]．在这方面，MIT-001纠正肌动蛋白的细胞骨架紊乱似乎是恢复MSC功能的一种可行的方法。

已知SASP的动态组成导致msc -衰老传递到周围细胞，最终导致干细胞治疗[5]的失败。有趣的是,在在体外脐血间充质干细胞的扩大，一个细胞群显示通过SASP激活延缓细胞衰老和p16, p21和p53的表达增加，暗示SASP在细胞周期阻滞[6]的直接作用。MIT-001对SASP的抑制作用通过降低PD-MSCs暴露于TNF-α和IFN-γ后IL-1β和MCP-1的表达来表现。与此同时，MIT-001下调了细胞周期抑制剂p16的表达，并改善了衰老表型[4]。这些结果提示MIT-001在PD-MSCs中抑制SASP的作用，这将有利于干细胞治疗。

线粒体功能在间充质干细胞中的相关性一直被忽视，因为这些细胞的线粒体总质量相对较低，代谢转移到糖酵解作为主要能量来源。然而，越来越多的证据表明，线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)和ATP的产生对MSCs的增殖、分化和存活至关重要[7,8]。因此，希望阐明维持线粒体稳态的机制将为解决MSC衰老和干细胞治疗的障碍铺平道路。许多正在进行的研究集中在线粒体ROS、线粒体生物能学、线粒体动力学和钙^{2 +}缓冲能力，在衰老的间充质干细胞中经常发生改变。了解和靶向这些将揭示MSCs在治疗中的潜力，并避免其衰老(图1)。

图1:线粒体稳态改变影响间充质干细胞(MSCs)的衰老。

线粒体活性氧

大部分的能量是通过线粒体OXPHOS产生的，与位于线粒体内膜的电子传递链(ETC)有关。ETC也被认为是细胞内ROS[9]的主要来源。尽管一定水平的ROS对MSCs的命运决定至关重要，但有证据表明，细胞中较高水平的ROS会对生物分子造成严重损伤，包括DNA突变、脂质过氧化和蛋白质修饰[10]。在衰老的MSCs中，氧化应激[11]后，ROS的增加与端粒维持和DNA修复的减少平行。据报道，ROS在不平衡MSC氧化还原系统[12]中起着关键作用。在高ROS条件下，衰老间充质干细胞中调节ROS清除酶的转录因子Nrf2活性降低。在PSP患者的骨髓间充质干细胞中，ROS和氧化应激显著增加，同时细胞抗氧化剂谷胱甘肽减少，线粒体[3]降解率高。因此，降低线粒体ROS水平对增强MSCs活性似乎具有重要意义。Yu等证实了这一点，他们发现经细胞因子TNF-α和IFN-γ处理的PD-MSCs中ROS的增加诱导了MSC衰老，并表明MIT-001治疗恢复了MSCs[4]的静止。

线粒体耗氧率(OCR)

线粒体OXPHOS和OCR可作为生理和病理生理中线粒体功能的指标。当在正常和高糖培养基中培养时，MSCs在正常葡萄糖培养基中OCR更高，但在高糖培养基中发现更多的ROS积累在胞浆和线粒体中，炎症细胞因子IL-6和TNF-α。有趣的是，SOD2的上调显著改善了OCR，并减少了高糖培养基[13]中的炎症细胞因子。这些结果表明，ROS和抗氧化酶的水平是OCR的主要调节因子，尽管它们对MSCs中OCR的作用尚不清楚。暴露于TNF-α和IFN-γ的人PD-MSCs显示备用呼吸能力增加，IL-β、IL-6和MCP-1[4]减少。总的来说，用OCR对线粒体能量学的评估可以描述线粒体的功能活性和MSCs适用于治疗的效力。此外，MIT-001增强备用呼吸能力对潜在间充质干细胞的改善至关重要。

线粒体动力学和线粒体吞噬

累积的数据表明，线粒体动力学通过改变线粒体的大小和形状来决定间充质干细胞的命运[14,15]。对于线粒体裂变，动力相关蛋白drp1从细胞质募集到线粒体，并介导线粒体分裂。Drp1缺失导致线粒体裂变不足，从而诱导线粒体过度灌注和线粒体DNA积累。对于线粒体融合，Mfn1和Mfn2介导外膜融合;其次是opa1介导的嵴[16]的内膜融合和重塑。缺乏线粒体融合会导致严重的线粒体碎裂和相关的人类疾病[17,18]。有趣的是，暴露于TNF-α和IFN-γ的PD-MSCs显示了调节裂变和融合过程的基因表达增加，包括Drp1, Mfn1和Mfn2。MIT-001处理使Drp1和MFN1的表达水平轻度下降，而Mfn2的表达水平下降最为显著。这表明MIT -001在纠正线粒体动力学紊乱[4]方面具有潜力。

干细胞自噬能力的丧失会导致不健康线粒体的积累;然而，它对MSCs的作用还有待阐明。PSP患者骨髓间充质干细胞中线粒体生物发生的失调表现为较高的线粒体降解和较低的生物发生[3]，证明了线粒体自噬在细胞稳态中的关键作用。

越来越多的研究对线粒体Ca^{2 +}内质网形状和胞质钙的调节作用^{2 +}信号[20]。er储存的Ca的释放^{2 +}病理刺激诱导线粒体Ca^{2 +}通过线粒体钙转运体摄取过量。在脓毒症诱导的心功能障碍模型中，含有PINK-1的msc来源外泌体阻止线粒体Ca^{2 +}超负荷和挽救细胞功能，说明线粒体钙的重要性^{2 +}调节细胞内稳态[21]。线粒体钙的抑制^{2 +}心肌再灌注损伤模型中MIT-001及其衍生物的过负荷显示动物存活率增加[22,23]。

线粒体钙^{2 +}过载产生ROS，促进细胞氧化应激;反之，ROS增加Ca^{2 +}激增。因此，人们高度期待线粒体Ca^{2 +}过载可能在MSC衰老过程中起着至关重要的作用，其中ROS主要调节因子[24]。因此，线粒体Ca^{2 +}MIT-001的摄取和MSC静止的恢复为成功的干细胞治疗提供了希望。

通过线粒体功能障碍评估骨髓间充质干细胞的潜能，可用于骨髓间充质干细胞的治疗应用。此外，MIT-001的线粒体功能增强有望在临床环境中用于MSC治疗。

本研究得到韩国健康产业发展研究院(KHIDI)和韩国痴呆研究中心(KDRC)的韩国健康技术研发项目的支持，由韩国保健福利部和科学和信通科技部资助(批准号:HU21C2273010021, SHK)，教育部资助的韩国国家研究基金(NRF)的基础科学研究项目(批准号:2018年r1d1a1b07048900 JHY)。

作者感谢Juri Na女士在插画工作中的帮助。

JHY构思、设计并撰写了手稿。SHK构思、设计并审阅了手稿。两位作者都阅读并批准了最终稿。

本文作者就职于MitoImmune Therapeutics公司。一项MIT-001专利已注册(美国专利号:: 9000028)。

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