2024年5月，波士顿哈佛医学院的Juan M. Melero-Martin团队在Nature杂志上发表了文章Mitochondrial transfer mediates endothelial cell engraftment through mitophagy，阐述了间充质基质细胞（MSC）通过隧道纳米管（TNT）将线粒体传递到内皮细胞（EC）中，促进EC体内定植，为血管细胞治疗提供了一种新方法。
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研究背景
EC移植是治疗缺血性疾病的有效途径。尽管EC可以自组装成血管结构，但在体内成功定植并形成功能性血管需要与血管周围细胞（如平滑肌细胞、周细胞、成纤维细胞和MSC）共移植。血管周围细胞促进EC移植的机制尚不完全清楚。
作为一种细胞间信号传导方式，线粒体传递在健康和疾病中具有重要作用。研究表明，不同细胞类型之间的线粒体传递有助于促进组织修复，增加受体细胞ATP产生，但线粒体传递的潜在机制仍有待探究。
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研究内容
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EC移植需要基质细胞参与
作者借助小鼠异体移植模型研究EC移植，将人EC与MSC植入免疫缺陷裸鼠，发现MSC可以帮助EC植入并产生灌注血管，这种作用无法被MSC分泌的血管生成因子替代。
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MSC通过TNT向EC传递线粒体
研究表明，MSC可以将自身线粒体传递到肺泡上皮细胞和神经元，从而促进细胞存活。作者研究了MSC线粒体传递是否也可以提高移植后EC的存活率。将DsRed标记线粒体的MSC（mitoRed-MSCs）与EC共培养，两种细胞间形成了细长的管状结构——隧道纳米管（TNT），流式细胞术和免疫荧光检测到EC中含有约25%的DsRed+线粒体。TNF是一种TNT形成诱导剂，用抗TNF抗体处理或敲除TNFAIP2抑制TNT形成可以阻断线粒体传递。因此MSC和EC之间通过TNT发生了线粒体传递。
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自发线粒体传递促进EC定植
移植前预先将MSC的线粒体转移到EC中是否能促进EC定植呢？将MSC与EC共培养24h，流式分选出CD31+ DsRed+的EC（mitoT-EC），与未接受MSC线粒体的EC相比，mitoT-EC形成的灌注血管密度更高，体内定植能力更强，线粒体传递增强了EC的移植能力。
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人工移植线粒体促进EC定植
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外源线粒体去极化
通过细胞间自然传递或人工移植接受外源线粒体可改善EC适应性，作者推测移植的线粒体必须具有功能。用含有高浓度Ca2+的EGM2培养基培养后，线粒体受到不可逆损伤，膜电位去极化，但仍能增强EC适应性。线粒体DNA（mtDNA）基因分型方法发现第7天已无法在EC中检测到供体mtDNA信号，移植的线粒体逐渐消失。将GFP分成GFP-1-10和GFP-11，分别导入EC和MSC，mitoAT-EC中GFP信号微弱，表明线粒体几乎不发生融合。
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无mtDNA线粒体仍增强EC功能
为了进一步证实供体线粒体不需要具有功能，作者构建了不含mtDNA的mitoRed-MSCs并将其线粒体移植给EC，对EC的影响与正常功能线粒体相似（包括ATP增加、迁移活性和体内定植能力）。因此，线粒体移植后不是通过直接发挥功能来增强EC适应性的。
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外源线粒体诱导线粒体自噬
接下来，作者借助RNA测序分析线粒体移植后EC的转录变化，结果显示与线粒体呼吸、ATP合成、电子传递链和氧化磷酸化相关的基因显著富集，生物合成相关基因表达上调，流式细胞术和Western Blot分析证实EC中线粒体数量增加。
TEM和免疫荧光结果显示外源线粒体与自噬体共定位，自噬活性增加。分别敲除供受体细胞的PINK1和PARKIN（两种线粒体自噬介质）后，作者发现外源线粒体的PINK1与EC的Parkin结合会诱发线粒体自噬。由此可知，外源线粒体进入EC后线粒体自噬激活，进而促进自身线粒体生物合成，改善EC的呼吸能力和细胞功能。
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线粒体自噬促进EC定植
最后，作者研究了线粒体自噬能否增强mitoAT-EC定植。用shRNA阻断PINK1-Parkin介导的线粒体自噬通路后，EC定植能力减弱，灌注血管形成减少，在MSC、EC共移植模型中也得到相似的结果。由此可知，线粒体自噬是介导EC和MSC体内移植模型的重要调节因素。
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总结展望
本研究表明，细胞应激时MSC通过TNT将线粒体传递到EC，从而促进EC植入。人工移植线粒体可以诱导PINK1-Parkin途径介导的线粒体自噬，这反过来又增强了EC的线粒体生物合成，无需MSC支持就可以增强EC定植能力并形成功能性血管。本文揭示了MSC和EC之间线粒体传递的作用机制，为血管细胞治疗提供了一种新方法。
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38693258/
撰稿、编辑 | 顾韫慧
参考文献：
1.Wang K, Lin RZ, Melero-Martin JM. Bioengineering human vascular networks: trends and directions in endothelial and perivascular cell sources. Cell Mol Life Sci. 2019;76(3):421-439. doi:10.1007/s00018-018-2939-0
2.Borcherding N, Brestoff JR. The power and potential of mitochondria transfer. Nature. 2023;623(7986):283-291. doi:10.1038/s41586-023-06537-z
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