近日，浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院傳染病診治國家重點實驗室在《細胞通訊和信號傳導》期刊雜志發(fā)表了《間充質(zhì)干細胞治療肝病的新視角：恢復線粒體功能》的文章，文章論述了，間充質(zhì)干細胞治療肝病潛力不僅通過其細胞替代和旁分泌作用來介導，還通過其對肝病中線粒體功能障礙的調(diào)節(jié)來介導。

在這里，浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院傳染病診治國家重點實驗室全面回顧了線粒體功能障礙在肝病發(fā)生過程中的作用以及間充質(zhì)干細胞如何靶向線粒體功能障礙。還討論了一種修飾間充質(zhì)干細胞以增強其在肝臟疾病中的功能的新方法的最新進展。充分了解間充質(zhì)干細胞恢復線粒體功能及其潛在機制將為臨床應用提供創(chuàng)新策略。

背景

肝病尤其造成全球疾病負擔和死亡率。過去幾年，全球肝臟相關死亡率從2000年的3%上升至2015年的3.5%。肝移植是治療終末期肝病唯一有效的治療方法。然而，肝移植的使用受到成本高和供體短缺的限制。MSCs是自我更新的細胞，可以從多種組織中獲得，如骨髓、臍帶血、外周血、滑膜和脂肪組織。在臨床應用方面，間充質(zhì)干細胞相對于傳統(tǒng)治療方法具有多種優(yōu)勢，例如易于采集、多譜系分化潛力和強大的免疫抑制作用。因此，間充質(zhì)干細胞已成為肝病新型細胞療法的有前途的候選者。

間充質(zhì)干細胞在肝硬化、肝衰竭等多種肝病動物模型以及臨床研究中均顯示出顯著的療效。為了解釋MSC治療影響肝病的潛在機制，早期研究表明，可以在體外和體內(nèi)操縱MSC分化為肝細胞樣細胞。然后，人們觀察到間充質(zhì)干細胞通過與各種免疫細胞直接相互作用或產(chǎn)生一系列生長因子、細胞因子和信號分子而產(chǎn)生強大的免疫調(diào)節(jié)作用。近年來，越來越多的研究表明間充質(zhì)干細胞可以改變急性肝損傷和慢性肝病中的線粒體功能障礙，從而產(chǎn)生顯著的治療效果。

線粒體功能障礙與肝臟疾病

線粒體及其功能概述

線粒體是具有磷脂雙層結(jié)構的小細胞器。由于這種雙膜結(jié)構，線粒體分為五個不同的區(qū)域：線粒體外膜（OMM）、膜間空間、線粒體內(nèi)膜（IMM）、嵴空間和基質(zhì)。這些區(qū)域中的每一個都具有非常獨特的功能作用。

例如，高度折疊的IMM含有電子傳遞鏈 (ETC) 的蛋白質(zhì)復合物。細胞中線粒體的數(shù)量因細胞類型而異。成熟的紅細胞沒有線粒體，而肝細胞可以含有2000多個線粒體。線粒體有自己的一套DNA以及轉(zhuǎn)錄和翻譯機制。在哺乳動物中，線粒體DNA (mtDNA) 是一條單一的環(huán)狀染色體，包含37個編碼多種蛋白質(zhì)的基因。mtDNA 很容易受到內(nèi)源性和環(huán)境損傷。

線粒體被認為是細胞的動力源，驅(qū)動和維持高度組織化的細胞活動。同樣，線粒體是肝細胞的主要能量來源，在肝臟廣泛的氧化代謝和正常功能中發(fā)揮著重要作用。線粒體也是肝損傷相關生存信號通路的核心。通過對肝病發(fā)病機制的深入探索，研究人員發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙在酒精相關性肝病（ALD）、非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）等疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。藥物性肝病 (DILD) 、病毒性肝炎、肝硬化、肝細胞癌(HCC)和肝臟缺血/再灌注(I/R)損傷。

越來越多的證據(jù)表明間充質(zhì)干細胞在肝病線粒體功能恢復中發(fā)揮作用。例如，間充質(zhì)干細胞可以通過將線粒體傳輸至肝細胞來改善脂質(zhì)負荷。

總之，線粒體對于所有細胞類型的能量產(chǎn)生、信號傳導、程序性細胞死亡和許多其他代謝任務都是不可或缺的。如果這個精確細胞器的任何部分受損或耗盡，就會對生理活動產(chǎn)生影響并加速疾病的進展。

許多肝臟疾病也存在線粒體功能障礙

肝臟是碳水化合物、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)代謝穩(wěn)態(tài)的中心器官。肝細胞中的線粒體具有獨特的功能，例如調(diào)節(jié)糖異生過程、氨解毒和合成代謝途徑，所有這些都是代謝調(diào)節(jié)所必需的。因此，肝細胞中功能失調(diào)的線粒體會破壞整體身體穩(wěn)態(tài)。肝病中最常見的線粒體功能障礙類型是氧化能力增加和抗氧化防御減弱。氧化劑-抗氧化劑平衡的破壞是由于ROS產(chǎn)生的增加或抗氧化劑的消耗而引起的。積累的ROS可直接引起mtDNA和線粒體膜損傷。這些因素進一步促進ROS的產(chǎn)生，最終形成惡性循環(huán)。大多數(shù)肝臟疾病與不止一種類型的線粒體功能障礙相關（圖1）。

酒精相關性肝病

在ALD中，乙醇可以通過多種方式導致線粒體功能障礙。

首先，乙醇在肝臟中通過乙醇脫氫酶 (ADH) 轉(zhuǎn)化為乙醛。該反應消耗NAD+并產(chǎn)生NADH，從而增加 NADH/NAD+比率。NADH導致ROS形成，并通過線粒體ETC的競爭性底物氧化抑制肝臟中脂肪酸的完全氧化。

其次，乙醇誘導線粒體中細胞色素P-4502E1酶的表達，從而促進ROS的產(chǎn)生。

第三，在酒精中毒患者中，線粒體DNA會發(fā)生氧化、耗盡和缺失，一旦達到足以損害線粒體呼吸和ATP合成的閾值，就會導致線粒體功能障礙。此外，飲酒還會導致線粒體中膽固醇超載。

非酒精性脂肪肝

NAFLD是一種疾病的通用術語，其特征是非酒精引起的肝細胞中過多脂肪的積累。NAFLD患者中發(fā)現(xiàn)線粒體功能和形態(tài)受損。脂質(zhì)超載可能會增加氧化代謝，但會因線粒體解偶聯(lián)而導致ATP產(chǎn)生不良。氧化代謝對脂質(zhì)超載的適應也會導致ETC受損，從而導致肝臟承受大量氧化應激。線粒體膜中增加的心磷脂可以轉(zhuǎn)移至OMM并形成孔，導致細胞色素c釋放到細胞質(zhì)中并激活細胞凋亡途徑。脂毒性環(huán)境還會誘導內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，破壞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體之間的結(jié)構完整性，這將導致從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到線粒體的Ca²⁺流入增加，從而促進ROS產(chǎn)生并誘導線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（MPTP）的打開）。

藥物性肝病

由于許多藥物在肝臟中代謝，因此它們有可能通過靶向代謝或能量產(chǎn)生中的某個步驟或酶來干擾線粒體功能。例如，對乙酰氨基酚 (APAP) 是一種用于緩解疼痛和退燒的藥物，由肝臟代謝為N-乙酰基對苯醌亞胺 (NAPQI)。NAPQI的積累會改變線粒體蛋白，例如電壓門控離子通道，形成NAPQI蛋白加合物，從而增加 ROS生成并減少ATP生成。此外，APAP誘導的過度線粒體氧化應激會激活胞質(zhì)中的c-junN末端激酶 (JNK) 及其易位至OMM，從而導致維持電子傳遞的Src激酶失活。最后，這個過程減少了線粒體呼吸并放大了氧自由基和過氧亞硝酸鹽的形成。

病毒性肝炎

乙型肝炎病毒 (HBV) 和丙型肝炎病毒 (HCV) 感染常常伴有ETC功能受損和線粒體室重排。肝炎病毒與 ETC 蛋白積極相互作用。

終末期肝病和肝臟缺血/再灌注損傷

ALD、NAFLD或病毒感染都可能發(fā)展為肝硬化，這是由疤痕組織取代健康肝組織引起的。肝硬化患者的脂質(zhì)和氨基酸代謝以及線粒體動態(tài)功能均受損。線粒體功能障礙還通過對TGFβ的反應積極參與纖維形成和炎癥，TGFβ由活化的肝星狀細胞和巨噬細胞分泌，是導致肝纖維化的主要效應器。

肝硬化是發(fā)生肝細胞癌的最有力的危險因素。過度氧化應激是由積累的脂滴引起的，脂滴會增強 mtDNA 突變并減少mtDNA拷貝數(shù)，這兩者都是導致代謝重編程和肝細胞癌進展的常見事件。

肝移植和肝切除手術是治療終末期肝病的有效方法。然而，手術后常見的并發(fā)癥是肝缺血再灌注損傷，該損傷在缺氧或缺氧期間開始，并在氧輸送和組織pH值恢復時變得更加嚴重。肝I/R損傷與線粒體功能障礙密切相關，例如鈣超載、過度氧化應激和線粒體自噬缺陷。

多種因素導致不同肝臟疾病中線粒體功能障礙。這些因素無疑會影響肝臟代謝和解毒，加速終末期肝病的進展。線粒體功能障礙導致的ROS增加似乎在肝臟疾病中普遍存在，這進一步導致嚴重的功能障礙，例如 mtDNA突變。因此，恢復線粒體功能，例如提供健康的線粒體或修復有缺陷的線粒體，可能是治療肝病的創(chuàng)新策略。

間充質(zhì)干細胞通過調(diào)節(jié)線粒體功能發(fā)揮肝病治療作用

間充質(zhì)干細胞因其在肝臟疾病治療中的突出表現(xiàn)而受到廣泛關注。在過去的十年中，已經(jīng)證明間充質(zhì)干細胞可以通過發(fā)育成肝細胞樣細胞并通過其免疫調(diào)節(jié)能力來治療肝臟疾病。

最近，將功能性線粒體從間充質(zhì)干細胞轉(zhuǎn)移到成熟心肌細胞中的令人興奮的結(jié)果為確定其治療效果提供了新的思路。線粒體調(diào)節(jié)正在成為間充質(zhì)干細胞治療機制研究中最熱門的話題之一。

越來越多的肝病研究證據(jù)表明間充質(zhì)干細胞可以恢復線粒體功能。在此背景下，我們將從線粒體轉(zhuǎn)移、氧化/抗氧化失衡糾正、線粒體自噬和動態(tài)調(diào)節(jié)、脂質(zhì)代謝和鈣穩(wěn)態(tài)改變等方面揭示MSC介導的線粒體修復治療肝病的潛在機制（表1）。

線粒體轉(zhuǎn)移作為間充質(zhì)干細胞治療的橋梁

為了進一步研究MSC與其他細胞之間串擾的影響，將完全分化的小鼠心肌細胞與脂肪來源的MSC共培養(yǎng)。這項研究首次強調(diào)了線粒體從干細胞轉(zhuǎn)移到心肌細胞在體細胞重編程中的關鍵功能。隧道納米管 (TNT) 和細胞外囊泡 (EV) 是MSC將線粒體貨物遞送至其他細胞或受損組織最常用的方法。

隧道納米管

TNT從質(zhì)膜延伸出來，使不同的哺乳動物細胞能夠長距離接觸。TNT最初被描述為哺乳動物細胞可以安排膜囊泡和細胞器在細胞之間選擇性轉(zhuǎn)移的導管。目前，TNT介導的線粒體或mtDNA從MSC轉(zhuǎn)移到其他器官細胞的過程已被報道用于呼吸系統(tǒng)、心血管、神經(jīng)元和免疫系統(tǒng)疾病和紊亂。

當間充質(zhì)干細胞歸巢到肝臟時，它們可以通過TNT將線粒體捐贈給周圍受損的肝細胞。最近，在NAFLD小鼠模型中，間充質(zhì)干細胞通過改變肝臟脂質(zhì)代謝從儲存到利用來逆轉(zhuǎn)線粒體功能障礙，并改善與脂質(zhì)氧化增強相關的過度氧化應激。這些效應與TNT將線粒體遞送至小鼠肝細胞有關。需要進一步的研究來闡明 TNT將功能性線粒體轉(zhuǎn)移到受損細胞的機制。

細胞外囊泡

EV是大多數(shù)真核細胞內(nèi)體區(qū)室中產(chǎn)生的脂質(zhì)結(jié)合囊泡。EV的三種主要亞型是微泡（MV）、外泌體和凋亡小體，它們的區(qū)別在于其生物發(fā)生、釋放途徑、大小、內(nèi)容和功能。在中風、創(chuàng)傷性腦損傷和肝損傷的動物模型中，MSC已被證明可以分泌大量不同類型的EV，具有再生和抗炎作用。因此，MSC-EV現(xiàn)在具有從實驗室到臨床試驗的疾病治療潛力。

研究人員表明，MSC可以通過釋放MV將線粒體轉(zhuǎn)移到急性肺損傷中受損的肺泡。最近，一項實驗表明，心肌內(nèi)注射含有線粒體的MSC-EV可以增強體內(nèi)心肌梗死后的心功能。與已知的TNT相比，需要更多的研究來評估MSC-EV的線粒體捐贈在肝病治療中是如何發(fā)生的。值得注意的是，MSC-EV運輸其他線粒體貨物對挽救線粒體功能具有強大的作用。

基于線粒體功能調(diào)節(jié)的間充質(zhì)干細胞修飾策略

除了我們之前關于改良間充質(zhì)干細胞有益于肝纖維化和肝癌的研究外，改良間充質(zhì)干細胞療法在治療其他肝病方面也被認為是有效的。目前，出現(xiàn)了更精確的修飾方法來增強間充質(zhì)干細胞的作用。這些策略可能涉及間充質(zhì)干細胞的啟動、間充質(zhì)干細胞的基因修飾或間充質(zhì)干細胞分泌物的使用（圖2）。

A。用專門設計的培養(yǎng)環(huán)境預處理間充質(zhì)干細胞將提高存活率并增強免疫調(diào)節(jié)。

b。過度表達抗氧化基因等基因修飾對線粒體功能障礙具有可靠的治療效果。

C。使用源自攜帶功能載體（例如 miRNA）的MSC的分泌組，可以特異性恢復線粒體功能。預處理和基因修飾的間充質(zhì)干細胞也可以通過分泌組發(fā)揮作用

迄今為止，正如我們上面所說，只有少數(shù)研究報道了修飾間充質(zhì)干細胞在肝病中針對線粒體功能障礙的應用。在其他疾病的MSC治療策略中也發(fā)現(xiàn)通過恢復線粒體功能來提高療效。例如，腦損傷研究表明，外泌體中過度表達miR-21增強了MSC的神經(jīng)保護作用，MSC 通過直接靶向和抑制PTEN來調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞的線粒體自噬。因此，同樣的想法可以通過針對功能失調(diào)的線粒體來優(yōu)化肝病治療。

結(jié)論

在這篇綜述中，我們總結(jié)了肝病中常見的線粒體功能障礙類型及其相關機制。然后，我們重點探討了間充質(zhì)干細胞通過改變線粒體功能對肝病的治療作用。有趣的是，一些研究人員最近將注意力轉(zhuǎn)向了利用間充質(zhì)干細胞的EVs進行無細胞療法。這種方法避免了間充質(zhì)干細胞移植的一些缺點。然而，EVs是否能像間充質(zhì)干細胞一樣有效發(fā)揮作用以及它們在保護線粒體方面的作用尚不清楚。

最后，我們注意到，間充質(zhì)干細胞的改造很受歡迎，在治療肝病方面具有巨大優(yōu)勢。大多數(shù)研究人員傾向于使用基因修飾來獲得長期、有針對性和可靠的效果。然而，移植經(jīng)修飾的間充質(zhì)干細胞的潛在致瘤風險引發(fā)了人們對其安全性的擔憂。另一個令人擔憂的問題是，癌細胞與間充質(zhì)干細胞之間通過線粒體交換產(chǎn)生的串擾是有益還是有害。間充質(zhì)干細胞可直接捐獻線粒體以挽救受傷細胞。然而，這種利他行為也有利于癌細胞，因為腫瘤的生長和運動需要線粒體。

因此，需要進一步研究如何改變間充質(zhì)干細胞療法以解決這些問題?？傊覀冊诒疚闹谢仡櫟淖钚逻M展有望為提高線粒體靶向間充質(zhì)干細胞治療肝病的療效提供新的方向和策略。

參考資料：Cen, Y., Lou, G., Qi, J.?et al.?A new perspective on mesenchymal stem cell-based therapy for liver diseases: restoring mitochondrial function.?Cell Commun Signal?21, 214 (2023). https://doi.org/10.1186/s12964-023-01230-0

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