缺血性疾病，如严重肢体缺血和心肌梗死，这些疾病影响着全球数百万人。内皮细胞（ECs）移植是血管医学中一种有前景的治疗方法，但通常需要共移植周围血管支持细胞，如间充质干细胞（MSCs），以促进ECs的植入和功能血管的形成，这增加了临床实施的复杂性。尽管MSCs对ECs植入的促进作用已被广泛认可，但其背后的机制尚不完全清楚。研究旨在揭示MSCs如何通过线粒体转移促进ECs的植入，并探索人工线粒体移植作为一种新的血管细胞治疗方法的潜力。
研究简介
本研究的结果显示，在细胞应激条件下，MSCs能够通过隧道纳米管（TNTs）向ECs转移线粒体，这一过程对于ECs的成功植入至关重要。发现，阻断这种线粒体转移会损害ECs的植入能力。此外，还设计了一种人工移植线粒体的策略，通过短暂增强ECs的生物能量学，使它们能够在缺血组织中形成功能性血管，而无需MSCs的支持。值得注意的是，外源性线粒体并未与ECs的内源线粒体池整合，而是在内化后触发了线粒体自噬（mitophagy）。移植的线粒体与自噬体共定位，而PINK1-Parkin通路的消融则抵消了ECs的增强植入能力。这些发现揭示了间充质和内皮细胞之间线粒体转移的潜在机制，并为血管细胞治疗提供了新的方法。
首先通过共移植模型研究了ECs的植入，发现单独的ECs植入未能在7天内产生灌注移植物，而与MSCs共植入则显著提高了ECs的存活率，并生成了与宿主循环系统相连的微血管网络。这一发现强调了周围血管细胞在调节血管稳定性和功能中的关键作用，尽管其促进ECs植入的机制尚未完全明了。
进一步的实验表明，MSCs能够通过TNTs向ECs转移线粒体，这一过程对于ECs在体内的成功植入至关重要。利用带有线粒体标签的MSCs（mitoRed-MSCs）进行组织学检查，观察到从MSCs延伸出的超细且长的突起，这些突起富含DsRed+线粒体，与TNTs相似。流式细胞术和免疫荧光分析显示，在与ECs共培养24小时后，约25%的ECs含有DsRed+线粒体，表明线粒体从mitoRed-MSCs转移。此外，线粒体转移需要直接的MSC-EC通信，在低氧（1%氧气）应激下显著增加。
还探讨了肿瘤坏死因子（TNF）在TNT形成中的作用，发现阻断TNF能够显著减少共培养模型中线粒体含有TNT的存在。此外，通过RNA干扰沉默TNFAIP2，一个TNT形成的调节因子，显著减少了TNT的出现。这些结果表明，MSCs与ECs之间的线粒体转移是通过TNTs进行的。
在探讨线粒体转移对ECs植入的影响时，发现，通过RNA干扰沉默TNFAIP2或MIRO1在MSCs中的表达，显著损害了ECs的植入能力。与对照MSCs相比，与沉默TNFAIP2或MIRO1的MSCs共植入的ECs在7天内形成的灌注微血管数量减少。因此，TNT的形成和随后的线粒体从MSCs向ECs的转移对于ECs的强大植入至关重要。
还探索了人工线粒体移植的可能性，将从MSCs中分离的线粒体与EC培养物共孵化，发现线粒体在大约4小时内被ECs摄取。人工线粒体移植模拟了MSCs通过TNTs自然转移线粒体的效果，导致短暂的细胞保护特性，如增强的代谢活动、抗凋亡能力和增加的细胞迁移能力。值得注意的是，移植其他细胞器（例如溶酶体）并未在ECs中产生这些功能增强。
进一步探讨了外源性线粒体是否与受体ECs的内源线粒体池融合。通过使用分裂GFP系统，发现，通过自然转移（共培养）和人工移植的线粒体与受体线粒体池的融合非常有限。这些结果表明，移植的线粒体作为触发剂，触发了受体ECs中的线粒体自噬，而不是功能性地整合入受体线粒体池。
还发现，即使在没有线粒体DNA（mtDNA）的情况下，从MSCs转移的线粒体也能增强ECs的ATP产生、迁移活性和体内植入能力。这些结果表明，供体线粒体不需要功能性，而是作为触发线粒体自噬的触发因素。
最后，探讨了线粒体自噬在调节ECs植入中的作用。通过沉默PINK1和Parkin，发现，线粒体自噬的激活对于线粒体移植后ECs的增强植入能力至关重要。这些发现为线粒体移植研究提供了可能的机制解释，并为血管细胞治疗提供了新的策略。
链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07340-0
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