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  • 间充质干细胞治疗肝病的新视角:恢复线粒体功能

    1970-01-01 08:00来源:人参果细胞网 作者:

    近日,浙江大学医学院附属第一医院传染病诊治国家重点实验室在《细胞通讯和信号传导》期刊杂志发表了《间充质干细胞治疗肝病的新视角:恢复线粒体功能》的文章,文章论述了,间充质干细胞治疗肝病潜力不仅通过其细胞替代和旁分泌作用来介导,还通过其对肝病中线粒体功能障碍的调节来介导。

    在这里,浙江大学医学院附属第一医院传染病诊治国家重点实验室全面回顾了线粒体功能障碍在肝病发生过程中的作用以及间充质干细胞如何靶向线粒体功能障碍。还讨论了一种修饰间充质干细胞以增强其在肝脏疾病中的功能的新方法的最新进展。充分了解间充质干细胞恢复线粒体功能及其潜在机制将为临床应用提供创新策略。

    背景

    肝病尤其造成全球疾病负担和死亡率。过去几年,全球肝脏相关死亡率从2000年的3%上升至2015年的3.5%。肝移植是治疗终末期肝病唯一有效的治疗方法。然而,肝移植的使用受到成本高和供体短缺的限制。MSCs是自我更新的细胞,可以从多种组织中获得,如骨髓、脐带血、外周血、滑膜和脂肪组织。在临床应用方面,间充质干细胞相对于传统治疗方法具有多种优势,例如易于采集、多谱系分化潜力和强大的免疫抑制作用。因此,间充质干细胞已成为肝病新型细胞疗法的有前途的候选者。

    间充质干细胞在肝硬化、肝衰竭等多种肝病动物模型以及临床研究中均显示出显着的疗效。为了解释MSC治疗影响肝病的潜在机制,早期研究表明,可以在体外和体内操纵MSC分化为肝细胞样细胞。然后,人们观察到间充质干细胞通过与各种免疫细胞直接相互作用或产生一系列生长因子、细胞因子和信号分子而产生强大的免疫调节作用。近年来,越来越多的研究表明间充质干细胞可以改变急性肝损伤和慢性肝病中的线粒体功能障碍,从而产生显着的治疗效果。

    线粒体功能障碍与肝脏疾病

    线粒体及其功能概述

    线粒体是具有磷脂双层结构的小细胞器。由于这种双膜结构,线粒体分为五个不同的区域:线粒体外膜(OMM)、膜间空间、线粒体内膜(IMM)、嵴空间和基质。这些区域中的每一个都具有非常独特的功能作用。

    例如,高度折叠的IMM含有电子传递链(ETC)的蛋白质复合物。细胞中线粒体的数量因细胞类型而异。成熟的红细胞没有线粒体,而肝细胞可以含有2000多个线粒体。线粒体有自己的一套DNA以及转录和翻译机制。在哺乳动物中,线粒体DNA(mtDNA)是一条单一的环状染色体,包含37个编码多种蛋白质的基因。mtDNA很容易受到内源性和环境损伤。

    线粒体被认为是细胞的动力源,驱动和维持高度组织化的细胞活动。同样,线粒体是肝细胞的主要能量来源,在肝脏广泛的氧化代谢和正常功能中发挥着重要作用。线粒体也是肝损伤相关生存信号通路的核心。通过对肝病发病机制的深入探索,研究人员发现线粒体功能障碍在酒精相关性肝病(ALD)、非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)等疾病的发生发展中发挥着重要作用。药物性肝病(DILD)、病毒性肝炎、肝硬化、肝细胞癌(HCC)和肝脏缺血/再灌注(I/R)损伤。

    越来越多的证据表明间充质干细胞在肝病线粒体功能恢复中发挥作用。例如,间充质干细胞可以通过将线粒体传输至肝细胞来改善脂质负荷。

    总之,线粒体对于所有细胞类型的能量产生、信号传导、程序性细胞死亡和许多其他代谢任务都是不可或缺的。如果这个精确细胞器的任何部分受损或耗尽,就会对生理活动产生影响并加速疾病的进展。

    许多肝脏疾病也存在线粒体功能障碍

    肝脏是碳水化合物、脂质和蛋白质代谢稳态的中心器官。肝细胞中的线粒体具有独特的功能,例如调节糖异生过程、氨解毒和合成代谢途径,所有这些都是代谢调节所必需的。因此,肝细胞中功能失调的线粒体会破坏整体身体稳态。肝病中最常见的线粒体功能障碍类型是氧化能力增加和抗氧化防御减弱。氧化剂-抗氧化剂平衡的破坏是由于ROS产生的增加或抗氧化剂的消耗而引起的。积累的ROS可直接引起mtDNA和线粒体膜损伤。这些因素进一步促进ROS的产生,最终形成恶性循环。大多数肝脏疾病与不止一种类型的线粒体功能障碍相关(图1)。

    图1:肝病中常见的线粒体功能障碍酒精相关性肝病

    在ALD中,乙醇可以通过多种方式导致线粒体功能障碍。

    首先,乙醇在肝脏中通过乙醇脱氢酶(ADH)转化为乙醛。该反应消耗NAD+并产生NADH,从而增加NADH/NAD+比率。NADH导致ROS形成,并通过线粒体ETC的竞争性底物氧化抑制肝脏中脂肪酸的完全氧化。

    其次,乙醇诱导线粒体中细胞色素P-4502E1酶的表达,从而促进ROS的产生。

    第三,在酒精中毒患者中,线粒体DNA会发生氧化、耗尽和缺失,一旦达到足以损害线粒体呼吸和ATP合成的阈值,就会导致线粒体功能障碍。此外,饮酒还会导致线粒体中胆固醇超载。

    非酒精性脂肪肝

    NAFLD是一种疾病的通用术语,其特征是非酒精引起的肝细胞中过多脂肪的积累。NAFLD患者中发现线粒体功能和形态受损。脂质超载可能会增加氧化代谢,但会因线粒体解偶联而导致ATP产生不良。氧化代谢对脂质超载的适应也会导致ETC受损,从而导致肝脏承受大量氧化应激。线粒体膜中增加的心磷脂可以转移至OMM并形成孔,导致细胞色素c释放到细胞质中并激活细胞凋亡途径。脂毒性环境还会诱导内质网应激,破坏内质网和线粒体之间的结构完整性,这将导致从内质网到线粒体的Ca2+流入增加,从而促进ROS产生并诱导线粒体通透性转换孔(MPTP)的打开)。

    药物性肝病

    由于许多药物在肝脏中代谢,因此它们有可能通过靶向代谢或能量产生中的某个步骤或酶来干扰线粒体功能。例如,对乙酰氨基酚(APAP)是一种用于缓解疼痛和退烧的药物,由肝脏代谢为N-乙酰基对苯醌亚胺(NAPQI)。NAPQI的积累会改变线粒体蛋白,例如电压门控离子通道,形成NAPQI蛋白加合物,从而增加ROS生成并减少ATP生成。此外,APAP诱导的过度线粒体氧化应激会激活胞质中的c-junN末端激酶(JNK)及其易位至OMM,从而导致维持电子传递的Src激酶失活。最后,这个过程减少了线粒体呼吸并放大了氧自由基和过氧亚硝酸盐的形成。

    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功能受损和线粒体室重排。肝炎病毒与ETC蛋白积极相互作用。

    终末期肝病和肝脏缺血/再灌注损伤

    ALD、NAFLD或病毒感染都可能发展为肝硬化,这是由疤痕组织取代健康肝组织引起的。肝硬化患者的脂质和氨基酸代谢以及线粒体动态功能均受损。线粒体功能障碍还通过对TGFβ的反应积极参与纤维形成和炎症,TGFβ由活化的肝星状细胞和巨噬细胞分泌,是导致肝纤维化的主要效应器。

    肝硬化是发生肝细胞癌的最有力的危险因素。过度氧化应激是由积累的脂滴引起的,脂滴会增强mtDNA突变并减少mtDNA拷贝数,这两者都是导致代谢重编程和肝细胞癌进展的常见事件。

    肝移植和肝切除手术是治疗终末期肝病的有效方法。然而,手术后常见的并发症是肝缺血再灌注损伤,该损伤在缺氧或缺氧期间开始,并在氧输送和组织pH值恢复时变得更加严重。肝I/R损伤与线粒体功能障碍密切相关,例如钙超载、过度氧化应激和线粒体自噬缺陷。

    多种因素导致不同肝脏疾病中线粒体功能障碍。这些因素无疑会影响肝脏代谢和解毒,加速终末期肝病的进展。线粒体功能障碍导致的ROS增加似乎在肝脏疾病中普遍存在,这进一步导致严重的功能障碍,例如mtDNA突变。因此,恢复线粒体功能,例如提供健康的线粒体或修复有缺陷的线粒体,可能是治疗肝病的创新策略。

    间充质干细胞通过调节线粒体功能发挥肝病治疗作用

    间充质干细胞因其在肝脏疾病治疗中的突出表现而受到广泛关注。在过去的十年中,已经证明间充质干细胞可以通过发育成肝细胞样细胞并通过其免疫调节能力来治疗肝脏疾病。

    最近,将功能性线粒体从间充质干细胞转移到成熟心肌细胞中的令人兴奋的结果为确定其治疗效果提供了新的思路。线粒体调节正在成为间充质干细胞治疗机制研究中最热门的话题之一。

    越来越多的肝病研究证据表明间充质干细胞可以恢复线粒体功能。在此背景下,我们将从线粒体转移、氧化/抗氧化失衡纠正、线粒体自噬和动态调节、脂质代谢和钙稳态改变等方面揭示MSC介导的线粒体修复治疗肝病的潜在机制(表1)。

    表1:间充质干细胞在肝病中线粒体功能障碍调节的总结线粒体转移作为间充质干细胞治疗的桥梁

    为了进一步研究MSC与其他细胞之间串扰的影响,将完全分化的小鼠心肌细胞与脂肪来源的MSC共培养。这项研究首次强调了线粒体从干细胞转移到心肌细胞在体细胞重编程中的关键功能。隧道纳米管(TNT)和细胞外囊泡(EV)是MSC将线粒体货物递送至其他细胞或受损组织最常用的方法。

    隧道纳米管

    TNT从质膜延伸出来,使不同的哺乳动物细胞能够长距离接触。TNT最初被描述为哺乳动物细胞可以安排膜囊泡和细胞器在细胞之间选择性转移的导管。目前,TNT介导的线粒体或mtDNA从MSC转移到其他器官细胞的过程已被报道用于呼吸系统、心血管、神经元和免疫系统疾病和紊乱。

    当间充质干细胞归巢到肝脏时,它们可以通过TNT将线粒体捐赠给周围受损的肝细胞。最近,在NAFLD小鼠模型中,间充质干细胞通过改变肝脏脂质代谢从储存到利用来逆转线粒体功能障碍,并改善与脂质氧化增强相关的过度氧化应激。这些效应与TNT将线粒体递送至小鼠肝细胞有关。需要进一步的研究来阐明TNT将功能性线粒体转移到受损细胞的机制。

    细胞外囊泡

    EV是大多数真核细胞内体区室中产生的脂质结合囊泡。EV的三种主要亚型是微泡(MV)、外泌体和凋亡小体,它们的区别在于其生物发生、释放途径、大小、内容和功能。在中风、创伤性脑损伤和肝损伤的动物模型中,MSC已被证明可以分泌大量不同类型的EV,具有再生和抗炎作用。因此,MSC-EV现在具有从实验室到临床试验的疾病治疗潜力。

    研究人员表明,MSC可以通过释放MV将线粒体转移到急性肺损伤中受损的肺泡。最近,一项实验表明,心肌内注射含有线粒体的MSC-EV可以增强体内心肌梗死后的心功能。与已知的TNT相比,需要更多的研究来评估MSC-EV的线粒体捐赠在肝病治疗中是如何发生的。值得注意的是,MSC-EV运输其他线粒体货物对挽救线粒体功能具有强大的作用。

    基于线粒体功能调节的间充质干细胞修饰策略

    除了我们之前关于改良间充质干细胞有益于肝纤维化和肝癌的研究外,改良间充质干细胞疗法在治疗其他肝病方面也被认为是有效的。目前,出现了更精确的修饰方法来增强间充质干细胞的作用。这些策略可能涉及间充质干细胞的启动、间充质干细胞的基因修饰或间充质干细胞分泌物的使用(图2)。

    图2:该修饰方法适用于MSC。开发了三种修饰技术来改善MSC在重塑线粒体功能方面的固有治疗特性。

    A。用专门设计的培养环境预处理间充质干细胞将提高存活率并增强免疫调节。

    b。过度表达抗氧化基因等基因修饰对线粒体功能障碍具有可靠的治疗效果。

    C。使用源自携带功能载体(例如miRNA)的MSC的分泌组,可以特异性恢复线粒体功能。预处理和基因修饰的间充质干细胞也可以通过分泌组发挥作用

    迄今为止,正如我们上面所说,只有少数研究报道了修饰间充质干细胞在肝病中针对线粒体功能障碍的应用。在其他疾病的MSC治疗策略中也发现通过恢复线粒体功能来提高疗效。例如,脑损伤研究表明,外泌体中过度表达miR-21增强了MSC的神经保护作用,MSC通过直接靶向和抑制PTEN来调节神经细胞的线粒体自噬。因此,同样的想法可以通过针对功能失调的线粒体来优化肝病治疗。

    结论

    在这篇综述中,我们总结了肝病中常见的线粒体功能障碍类型及其相关机制。然后,我们重点探讨了间充质干细胞通过改变线粒体功能对肝病的治疗作用。有趣的是,一些研究人员最近将注意力转向了利用间充质干细胞的EVs进行无细胞疗法。这种方法避免了间充质干细胞移植的一些缺点。然而,EVs是否能像间充质干细胞一样有效发挥作用以及它们在保护线粒体方面的作用尚不清楚。

    最后,我们注意到,间充质干细胞的改造很受欢迎,在治疗肝病方面具有巨大优势。大多数研究人员倾向于使用基因修饰来获得长期、有针对性和可靠的效果。然而,移植经修饰的间充质干细胞的潜在致瘤风险引发了人们对其安全性的担忧。另一个令人担忧的问题是,癌细胞与间充质干细胞之间通过线粒体交换产生的串扰是有益还是有害。间充质干细胞可直接捐献线粒体以挽救受伤细胞。然而,这种利他行为也有利于癌细胞,因为肿瘤的生长和运动需要线粒体。

    因此,需要进一步研究如何改变间充质干细胞疗法以解决这些问题。总之,我们在本文中回顾的最新进展有望为提高线粒体靶向间充质干细胞治疗肝病的疗效提供新的方向和策略。

    参考资料:Cen,Y.,Lou,G.,Qi,J. etal. Anewperspectiveonmesenchymalstemcell-basedtherapyforliverdiseases:restoringmitochondrialfunction. CellCommunSignal 21,214(2023).https://doi.org/10.1186/s12964-023-01230-0

    标签:干细胞治疗肝病·间充质干细胞

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