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肿瘤微环境中的细胞间线粒体转移

2021

05/27

古麻今醉

A-

A+

细胞间线粒体直接转移的潜在靶向作用为癌症治疗和组织再生提供了巨大的机会。

细胞间通讯是每个多细胞生物的基本过程，除了膜结合和释放因子外，胞质成分的共享代表了一个新的，未被充分探索的信号通路。线粒体在细胞间的直接运输是该通信通道的一个特别的例子。2020年，Sahinbegovic H等人在《Cancers》上发表了一篇题为《Intercellular Mitochondrial Transfer in the Tumor Microenvironment》的综述，讨论了癌细胞如何利用细胞间线粒体转移来维持其高代谢需求和促进耐药性，并描述了当前和未来癌症治疗中的相关分子。现简单介绍如下：

背景

大多数人类细胞以线粒体作为能量和代谢产物的主要来源。然而，一个典型的癌细胞倾向于上调糖酵解，这是奥托·瓦伯格100多年前提出的假设。糖酵解产生更少的ATP分子，并通过增加乳酸产量导致细胞外空间持续酸化，但糖酵解速率的提高有助于一些癌症特征的发展，例如通过抑制氧化磷酸化(OXPHOS)来逃避凋亡的能力，以及通过细胞外基质和组织生长的降解促进转移扩散。此外，肿瘤细胞通常在缺氧环境中生存，依赖无氧酵解产生能量。因此，迫使肿瘤细胞OXPHOS而非糖酵解成为了一种有前景的治疗策略。

微环境对肿瘤细胞的影响非常复杂，往往包括肿瘤线粒体的直接参与。癌细胞可以释放整个线粒体（在坏死时）或其组成部分，如线粒体DNA（mtDNA）、ATP、细胞色素C或甲酰化肽到细胞外空间，成为损伤相关分子模式（DAMP），激活免疫细胞，产生促炎和免疫抑制反应，来抑制或刺激肿瘤的生长和/或转移能力。

肿瘤线粒体的调节是肿瘤细胞摆脱免疫系统控制并产生耐药性的重要机制。除了肿瘤细胞和免疫细胞外，肿瘤微环境还包含许多不同的细胞类型，它们可以通过细胞-细胞接触直接控制或通过分泌可溶性因子和各种细胞外囊泡间接控制肿瘤中线粒体的状态。最近，报道了一种基于非肿瘤细胞和恶性细胞间线粒体水平转移的新的细胞间通讯机制，引发新的思考，线粒体直接共享的现象是否会导致恶性细胞对现有药物组合产生耐药性，并促进肿瘤生长。目前对细胞内分子和细胞器共享的方式知之甚少，随着研究深入，或将解释许多治疗失败的原因，并最终形成新的更有效的药物组合。

线粒体转移方式

线粒体转移是在2006年被首次发现，来自骨髓基质细胞（BMSCs）的线粒体，而不是游离的线粒体或线粒体DNA，能够迁移到线粒体缺陷的A549肺癌细胞并恢复它们的有氧呼吸。一项后续研究进一步支持了作为供体的受调节的交换方向性，线粒体有缺陷的未受辐照的PC12细胞不能滋养受体PC12细胞，使其复活。在体内注射到表达荧光标记线粒体蛋白的小鼠黑色素瘤细胞中，也观察到了线粒体的转移。

对线粒体转移生理相关性的基础研究表明，线粒体转移在受损或感染组织的再生中具有重要意义。“线粒体愈合”理论随后得到了对各种组织的进一步研究的支持，包括血管、大脑、肺、角膜和其他一些组织。在免疫系统中，线粒体的转移也被描述为对抗细菌感染。免疫细胞内病原体的存在通常伴随着从糖酵解代谢到OXPHOS的转换，作为触发快速抗微生物反应的一种手段。急性呼吸窘迫综合征期间的巨噬细胞通过周围的间充质干细胞（MSCs）获得额外的线粒体，增强其抗炎和吞噬能力，这是感染诱导代谢开关的一个显著例子。因此，线粒体交换在维持组织稳态中的重要性是毋庸置疑的。然而，线粒体在细胞间穿梭也可能产生严重的病理后果，尤其是在癌症中，癌细胞往往会利用周围环境（图1）。

图1 线粒体转移对受伤细胞和癌细胞的假定影响

线粒体转移的确切机制尚不清楚，到目前为止，只有几个关键的分子参与了这一过程。高OXPHOS需求和/或严重线粒体损伤是受体细胞的典型特征。要启动转移，供体细胞不仅要有未受损的健康线粒体，而且还应该被特别激活。金属蛋白酶-1（MMP-1）、nestin和促炎细胞因子已被确定为刺激供体细胞释放线粒体的必要因素。当与白血病细胞一起培养时，供体BMSCs表现出PGC1α水平升高，PGC1α是有效线粒体转移所必需的线粒体生物发生的主要调节器。供体功能的激活通常与受体细胞产生的细胞内活性氧（ROS）的增加有关。

隧道纳米管是线粒体的主要输送途径

相邻细胞可以通过多种机制共享线粒体，包括：(ⅰ)细胞外载体（EVs）的形成,(ⅱ)在物理接触位点形成的隧道纳米管（TNTs）,(ⅲ)线粒体排出,(ⅳ)细胞质融合。多项研究表明，在健康组织和肿瘤组织中，TNTs（细胞间的超细细胞质桥梁）是线粒体的主要传递系统（图2）。还描述了某些肿瘤中不依赖TNT的线粒体共享。然而，这样的例子相当少，而且需要对转移机制进行更多的研究。

图2 通过隧道纳米管的线粒体转移示意图

为了有效运输线粒体，需要功能性微管和相关的分子马达，特别是肌球蛋白X和肌球蛋白Va与TNTs内的线粒体共同定位。一些供体细胞线粒体外膜高表达小GTPase Miro1。在LA-4上皮细胞培养的MSCs中，当Miro1耗尽时，线粒体转移无效，而过表达Miro1增加了MSCs捐献线粒体的能力。在机制上，Miro1似乎通过促进一个复杂分子马达的组装来协调线粒体沿着微管的运动。

TNT定位肌动蛋白在线粒体交换中的作用尚不清楚。众所周知，丝状肌动蛋白阻碍可溶性胞质分子通过TNTs的被动转移，并作为稳定TNT结构的支架。肌动蛋白结合蛋白M-Sec已被证明对巨噬细胞内TNTs的形成和Ca2+的细胞间增殖非常重要。Ca2+水平的增加激活线粒体定位的Miro1，进一步与微管相关的运动蛋白结合。

CD38是一种参与细胞跨膜信号转导和细胞粘附的胞外酶，近年来被认为是线粒体转移的关键酶之一。除了受体功能，CD38还通过产生环状ADP核糖来调节细胞内Ca2+水平。CD38的Ca2+调节作用对于线粒体从BMSCs传递到骨髓瘤细胞，以及从星形胶质细胞传递到脑卒中损伤组织中的神经元似乎很重要，尽管这种传递通过不同的机制发生（分别是TNTs和EVs）。因此，细胞内Ca2+的增加可能是启动线粒体转移的一般机制。然而，目前尚不清楚CD38酶活性是如何启动提高胞质Ca2+水平并进一步促进线粒体转移的。可能是细胞氧化还原状态的变化引起的细胞外NAD+（CD38的底物）的增加发挥了作用。

间隙连接（GJ）蛋白，特别是连接蛋白43，在TNTs中已经被证实存在。连接蛋白对于相邻细胞通过TNTs进行Ca2+繁殖非常重要。GJ和TNTs在组成上有相似之处，但GJ在功能上与TNTs有所区别。GJ可以进行短程的细胞间相互作用，仅允许1.2 kDa的分子转移，而TNTs介导远程细胞间相互作用，允许更大的物质转移。需要更多的研究来充分了解GJ蛋白在TNT形成和线粒体转移的贡献。

实体癌症中的线粒体转移

目前关于实体癌中线粒体转移的知识有限，由于使用不同的实验系统，各种研究的结果往往难以比较（表1）。间充质细胞或成纤维细胞是最常用的线粒体供体。然而，肿瘤组织是一个由许多不同类型细胞组成的复杂环境，细胞间的竞争可能对线粒体转移产生重要影响。事实上，在BMSCs、内皮细胞和MCF7细胞的共培养中，观察到三种细胞之间TNTs的形成，但线粒体只从内皮细胞发送到MCF7细胞。最近，TNT介导的线粒体转移也被发现发生在自然杀伤T细胞和乳腺癌细胞之间。这些研究表明，捐献线粒体的能力可能会受到肿瘤微环境中特定细胞类型的影响。因此，使用实体肿瘤微环境中通常不存在的细胞（如BMSCs或脐带Wharton’s 胶冻细胞）进行线粒体转移实验的结果应仔细解释。

对实体肿瘤细胞间线粒体转移机制的研究表明，TNTs是主要的传递途径。首次发现的线粒体转移发生在线粒体严重受损或完全缺失的间充质细胞和肺癌细胞之间。为了促进线粒体转移，许多研究使用鱼藤酮等抑制剂来阻断呼吸链中的电子传递。因此，受体细胞中的OXPHOS状态似乎是介导线粒体转移的关键因素。然而，在BMSCs和具有致病性mtDNA突变的骨肉瘤细胞之间没有发生线粒体转移，mtDNA编码OXPHOS系统的关键组成部分。此外，研究显示，BMSCs向线粒体没有明显损伤的卵巢癌和乳腺癌细胞、肺腺癌细胞和前列腺癌细胞捐赠线粒体。这表明不仅线粒体的状态，而且特定的代谢需求可能在促进线粒体转移中发挥作用。

血液系统恶性肿瘤中的线粒体转移

肿瘤微环境对血液癌的进展和耐药性也是至关重要的。从骨髓微环境中获得新的线粒体是白血病细胞获得耐药性的一种途径。到目前为止，在多种类型的血液恶性肿瘤中观察到线粒体转移，在这些肿瘤中线粒体转移似乎具有促肿瘤功能。

急性淋巴细胞白血病的线粒体转移

急性淋巴细胞白血病（ALL）细胞与其微环境之间的交叉通讯证明，线粒体通过TNTs从MSCs传递到原代B细胞前体ALL细胞。TNTs的存在促进了ALL细胞向MSCs传递信号，影响了微环境中细胞因子和趋化因子的释放，支持了ALL细胞的生存和化疗耐药。除了B细胞ALL外，后来在T细胞ALL（T-ALL）中显示了MSCs的线粒体转运，线粒体转运由T-ALL细胞/MSC粘附介导，并通过TNTs发生。然而，与B-ALL细胞不同，线粒体从恶性T-ALL细胞输出到周围的MSCs，这可能是由于T-ALL细胞优先使用糖酵解，这个例子可以帮助揭示驱动传输方向性的信号和机制，观察T-ALL细胞是否可以为其他类型的细胞提供线粒体，以及MSCs中线粒体数量的增加是否会直接支持T-ALL细胞的肿瘤特性。

表1 线粒体转移研究

急性髓系白血病的线粒体转移

急性髓系白血病（AML）是一种典型的高度依赖于OXPHOS的血液恶性肿瘤，与健康的CD34+造血干细胞/祖细胞或CD3+淋巴细胞相比，AML细胞更容易接受新的线粒体。与人BMSCs共同培养时，AML细胞可在TNT依赖过程中获得额外的线粒体。但另有研究发现，内吞抑制剂阻断了小鼠MS-5 BMSCs和人类AML细胞之间的线粒体交换，表明一种TNT无关的传递。

常用的化疗药物如阿糖胞苷、依托泊苷和阿霉素可促进AML细胞摄取线粒体。因此，通过刺激耐药AML克隆的氧化代谢，该治疗可能具有促肿瘤作用。表面分子CD38是AML的另一个临床相关靶点，对于线粒体从BMSCs向AML细胞的运输至关重要。Daratumumab是一种被批准用于治疗多发性骨髓瘤（MM）的单克隆抗CD38抗体，研究显示，在体外和体内条件下均能阻断线粒体向AML细胞的输送，降低耗氧率（OCR），并抑制白血病细胞的生长。这些研究表明了一种新颖的、以前未预料到的抗CD38治疗的抗肿瘤机制。

多发性骨髓瘤的线粒体转移

异常骨髓瘤细胞存在于骨髓的缺氧环境中。出乎意料的是，与长期体外培养的多发性骨髓瘤细胞系相比，从患者组织中分离的原发性多发性骨髓瘤（MM）细胞具有更高的基础OCR。同样，将建立的MM细胞系注射到小鼠体内或与BMSCs共培养时，其OCR和ATP的产生显著增加。BMSCs的存在增强了MM细胞的线粒体代谢和耐药性，提示骨髓微环境可能刺激MM细胞的有氧呼吸。更深入研究表明，由TNT介导的线粒体从BMSCs转移到MM细胞和ROS诱导化合物，包括常用的蛋白酶抑制剂，显著增强了这一过程。

CD38在线粒体转移中起着至关重要的作用，是目前MM患者靶向治疗中最具吸引力的分子之一。在异种移植模型中，用抗CD38抗体或CD38基因缺失治疗可抑制BMSCs向MM细胞的线粒体转移，并诱导肿瘤萎缩。较低的线粒体活性，尤其是OXPHOS的下降，以前被认为与MM细胞对蛋白酶抑制剂的敏感性增加有关。与这些观察结果一致的是，临床数据表明使用抗CD38抗体和蛋白酶抑制剂的联合治疗具有很高的疗效。另一方面，血管细胞粘附分子1（VCAM-1）是MM细胞上VLA-4的主要配体，蛋白酶体抑制剂可通过下调 BMSCs上VCAM-1的表达，阻碍BMSCs和MMs的结合，最终导致线粒体转移受阻。

结论

细胞间线粒体直接转移的潜在靶向作用为癌症治疗和组织再生提供了巨大的机会。在实体癌和血液癌中，线粒体转移似乎以类似的方式进行，这一事实进一步增加了这一过程的重要性。它也强调了肿瘤微环境和细胞可塑性在肿瘤进展和耐药性中的重要性。此外，线粒体转移的参与可能为某些抗癌药物尚未明确的作用机制提供一个解释。在正常和病理条件下控制线粒体穿梭的分子过程的未来研究可能会带来许多令人兴奋的发现，并为改善组织再生和癌症治疗提供新的治疗可能性。

“论肿道麻”点评

我们在公众号的第197期和198期曾介绍过肿瘤微环境的代谢交流以及线粒体的代谢为肿瘤治疗提供靶点，认识到线粒体是肿瘤生长的关键代谢驱动因素，目前对于线粒体代谢的临床实验也有明确的成功，使线粒体成为肿瘤代谢和免疫代谢研究领域的前沿。在肿瘤的进展和转移过程中，肿瘤细胞和基质细胞间的信号传递发挥着重要作用，而线粒体转移的研究可以为我们未来针对肿瘤的治疗提供新方向。

肿瘤微环境是指肿瘤中存在的非癌细胞和成分，包括它们产生和释放的分子。肿瘤细胞与肿瘤微环境之间的持续相互作用在肿瘤的启动、进展、转移和对治疗的反应中起着决定性的作用。本综述介绍了细胞间线粒体转移的相关知识，描述了其在癌症的发生、发展和药物耐药性中的相关性，总结了参与线粒体共享的已知分子，展示了实体肿瘤和血液肿瘤中线粒体交换的例子，提到了通过促进肿瘤细胞氧化磷酸化，来抑制肿瘤的转移扩散，线粒体在细胞间的转移途径，以及在实体瘤、血液系统肿瘤之间的转移的特殊性的研究。尽管驱动线粒体转移的整个信号机制仍不清楚，但Miro1、Connexin43和CD38等关键分子的发现已经为可能的靶向治疗打开了大门。肿瘤微环境作为肿瘤的治疗靶点，目前引起了广泛的研究和临床兴趣，相关的靶向肿瘤微环境药物开发和临床试验已经在进行，更多解读肿瘤微环境的新技术和方法也在不断探索中。

编译：邓玲玲述评：顾悦超

审校：张军，缪长虹

原始文献：Intercellular Mitochondrial Transfer in the Tumor Microenvironment. Sahinbegovic H, Jelinek T, Hrdinka M, et al. Cancers(Basel), 2020 Jul;12(7):1787. doi:10.3390/cancers12071787.