细胞也“内卷”？浙大欧阳宏伟团队给细胞做线粒体移植术，以高通量方式，构建超能干细胞

大千世界，形形色色的生命，都是从一颗小小的受精卵逐渐发育而来，我们说“慢慢长大”，其实是受精卵不断分裂和分化的过程，分裂使细胞数目增多，生命体体积增大，当分裂的细胞达到一定数目，他们开始各司其职，分化成不同的组织器官，这些具有分裂能力和潜在分化能力的细胞，就是干细胞。

干细胞依据其发育阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞，胚胎干细胞是来自于囊胚的内细胞群，包括从受精卵发育成胎儿的全阶段，由于伦理、宗教和法律上的争议，大部分国家和地区对胚胎干细胞的研究有一定的限制；成体干细胞分为婴儿干细胞和成人干细胞，婴儿干细胞一般来自于婴儿的脐带和脐带血，成人干细胞来自于成人的牙齿、骨髓、脂肪和外周血。成体干细胞包括神经干细胞、血液干细胞、间充质干细胞和表皮干细胞，这些干细胞都具有修复和再生的能力，其中脂肪来源的间充质干细胞因为方便采集和伦理争议少而格外受研究者青睐。

干细胞有优秀的修复和再生能力，因此科学家们都希望通过将干细胞移植到体内去修复或取代受伤衰老的细胞，这种技术称为干细胞疗法。由于干细胞移植后存活率低，影响干细胞疗法，用于治疗的干细胞需要“强化”以适应体内移植部位的病理环境。

日前，浙江大学求是特聘教授欧阳宏伟老师及其团队发现通过细胞内线粒体的移植可以有效地提高干细胞能量水平，实现高效的细胞植入。线粒体是细胞的能量工厂。细胞虽小，但内部就像一个微缩的高度精密的纳米机器。

线粒体是细胞的能量工厂。细胞虽小，但内部就像一个微缩的高度功能化社会，里面有细胞核、线粒体、内质网、溶酶体和核糖体等等，这些细胞器各司其职，维持细胞的正常运转，比如细胞核是总司令部，所有指令均由此发出，而线粒体则是一个高效的能量工厂，通过氧化磷酸化过程，将葡萄糖转化成为人体所用的能量硬通货“ATP”。

不同细胞内线粒体的数量差异巨大，一般来说，能量需求越旺盛的细胞，其内线粒体的数量就越多，反之，如果细胞内线粒体越多，是否也就可以为细胞提供更多的能量，让细胞发挥更强的作用呢？欧阳宏伟老师及其团队为间充质干细胞自体移植了更多的线粒体，从而将普通间充质干细胞变成了超级间充质干细胞，这些超级间充质干细胞移植后存活时间更长，同时也改善了皮肤的修复能力。实验证明，移植线粒体是改造干细胞进行组织再生的有效策略。

移植线粒体后的脂肪间充质干细胞（ADSCs）体外抗血清饥饿和氧化应激能力提高

为了证实脂肪间充质干细胞（ADSCs）的增殖能通过线粒体移植得到增强这一假设，该团队用不同剂量的外源性线粒体转染脂肪间充质干细胞 6 小时，然后通过 CCK-8 在血清饥饿状态下评估 12 小时内细胞的增殖能力。在 6 至 12 小时内，带有外源性线粒体的 ADSCs 增殖率显著高于未经处理的 ADSCs。

在 12 小时，细胞计数显示，移植了线粒体的 ADSCs 细胞数量高出对照组两倍。显微镜下也观察到细胞密度增加，表明线粒体移植后的 ADSCs，即使在血清饥饿条件下，也具有显著的增殖潜力。

随后，在相同的血清饥饿条件下，该团队使用活细胞成像进行了划痕实验和细胞迁移实验。团队首先进行了划痕试验，因为伤口愈合是组织稳定和修复的关键步骤。与对照 ADSCs 相比，移植了线粒体的 ADSCs 迁移能力增强，从而加速了无细胞区的间隙闭合。接下来的迁移实验证实，移植了线粒体的 ADSCs 迁移更频繁，这表明外源性线粒体增加了 ADSCs 的迁移率。

为了阐明细胞对活性氧自由基（ROS）的反应，该团队将移植了线粒体的 ADSCs 暴露于 Dox 中，并检测 SA-β-Gal 活性、集落形成能力和多系分化潜能。Dox 处理的 ADSCs 在孵育 12 小时后显示黄绿色荧光，表明线粒体膜电位部分去极化。

在相同条件下，移植了线粒体的 ADSCs 仍然显示出强烈的红色荧光，表明由于外源线粒体的掺入，线粒体膜电位没有改变。通过线粒体膜电位 / Annexin V 分析进一步研究细胞凋亡显示，ADSCs 与 Dox 孵育 12 小时后细胞凋亡的总比率从 5% 增加到 64%，而有外源线粒体移植的 ADSCs 细胞凋亡总比率仅为 38%。所有这些结果表明，与传统的 ADSCs 相比，外源线粒体移植后的 ADSCs 具有更高的存活率。

相似的是，经 Dox 处理的对照组 ADSCs， SA-β-Gal 阳性细胞数量增加，以及集落形成单位数量减少。相反，线粒体移植后的 ADSCs 衰老标记物水平降低，并在一定程度上保持了其集落形成能力，与健康脂肪干细胞相当。

此外，碱性磷酸酶（ALP）染色是成骨的一个关键标志， Dox 处理的移植有外源线粒体的 ADSCs，其 ALP 阳性细胞的平均细胞数显著高于 Dox 处理的普通 ADSCs，但低于非药物处理的细胞。与这一发现一致，移植有外源线粒体的 ADSCs 有更多实质性钙化；对于脂肪生成潜能，移植有外源线粒体的 ADSCs 脂滴显著积聚。这些体外实验显示 ADSCs 的增殖、迁移和分化增强是由于外源性线粒体移植所致。

外源性线粒体移植调节细胞周期进程和细胞分泌体

为了在转录组学水平上阐明 ADSCs 对线粒体移植的反应，我们进行了全转录组 RNA 测序，以分析未处理细胞和移植有外源线粒体的 ADSCs 在线粒体移植 24 小时后的差异基因表达。与未处理的细胞相比，我们发现移植有外源线粒体的 ADSCs 中有 334 个基因上调，47 个基因下调（log2FC>2，

基因 GO 分析表明，在移植有外源线粒体的 ADSCs 高表达核分裂、DNA 复制、染色体分离、细胞器分裂等相关的基因，暗示外源线粒体的这种内化有利于在胞质分裂期间提供额外的能量。大多数下调基因与分化相关，如成骨、组织发育和肌肉细胞分化，表明线粒体移植不会改变 ADSCs 的“干性”。

此外，该团队使用 STRING 数据库 (https://string-db.org/) 构建了线粒体移植后 ADSCs 基因的相互作用网络。为上调的前 46 个节点基因构建了一个共表达网络。网络分析显示细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）家族在模块形成中发挥作用，这是作为相互作用基因之间共享链接的关键控制点。这些细胞周期调节因子可能会磷酸化干细胞中其他与细胞周期相关的底物，从而进一步促进快速增殖和维持多能性。参与骨骼肌分化的基因表达的减少（例如，IL6、IGF1、OGN 和 MYH1）也反映了线粒体移植并未引发体外不良分化。

总之，该团队根据 RNA 测序结果阐明了外源性线粒体移植促进糖酵解，糖酵解通过 CDK 家族有效产生 ATP 并刺激受体细胞增殖。

接下来该团队重点研究线粒体移植后 ADSCs 分泌的细胞外信号。分析显示 ADSCs 的外泌蛋白在线粒体转移植前后具有高度的相似性，有 335 种蛋白质没有变化，58 个外泌蛋白质在线粒体移植后的 ADSCs 高表达，而 64 个在对照 ADSCs 高表达。

对比发现，参与中性粒细胞活化、细胞生长、创伤愈合等生物过程的蛋白在线粒体移植后的 ADSCs 中富集，这对治疗特别有意义。同时，下调的蛋白质均与分化相关，这也说明在线粒体移植后，ADSCs 的“干性”增强。

通过线粒体移植后的 ADSCs 对组织进行快速修复

该团队假设体外对 ADSCs 进行线粒体移植改造后，ADSCs 的增殖和迁移功能得以增强，进而可以对组织进行快速修复，该治疗效果在大鼠全层皮肤创伤模型中得到了验证。

伤口大小测量表明，即使在 14 天后，生理盐水和对照 ADSCs 处理的伤口闭合速度也很慢，但通过线粒体移植改造后的 ADSCs 处理的伤口，在 14 天内愈合。与生理盐水和未经改造的 ADSCs 相比，接受线粒体移植改造的ADSCs显著促进了伤口闭合，第3天闭合率为 60%，对照组为 10%，未经改造的 ADSCs 为 30%；在第 14 天，接受线粒体移植改造的 ADSCs 100% 封闭伤口区域。

在第 7 天和第 14 天收集不同处理的伤口，通过染色进行组织学分析，第 14 天时所有治疗均表现出相似的炎症水平，没有严重的免疫反应。然而，生理盐水对照处理的伤口仍有间隙，而对照 ADSCs 和线粒体移植改造的 ADSCs 处理的伤口均显示出多层上皮结构，与完整皮肤的天然表皮非常相似。

此外，与对照组相比，有线粒体移植改造的 ADSCs 在伤口部位有更多的胶原分布。这些结果证明，经外源性线粒体移植改造的脂肪间充质干细胞能够在形态学和功能水平上更快地修复受损组织。

有趣的是，该团队意外地发现，线粒体移植改造后的 ADSCs 也可能作为“空中加油机”一样为周围细胞输注线粒体。目前该机制尚不清楚，但可以确定的是，得益于这些外源性线粒体， ADSCs 表现出了更好的存活率，增加了有益的旁分泌因子和次级线粒体转移的能力，从而加速伤口愈合。

通过这篇文章我们可以看到，为了能让间充质干细胞更好的工作，即提高其移植后的存活时间和修复能力，科学家们给间充质干细胞的“细胞工厂”强化了能量发生器——线粒体，把平常能量的间充质干细胞升级改造成了“超级能量”间充质干细胞，使细胞有强大的能量去抵抗环境压力和充分发挥其功能。真是小小的细胞也“内卷”呐。

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参考：

Xudong Yao, Yuanzhu Ma et al. In-cytoplasmmitochondrial transplantation for mesenchymal stem cells engineering and tissueregeneration. Bioeng Transl Med. 2021 Aug 23. DOI: 10.1002/btm2.10250

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