线粒体在间充质干细胞和受损心肌细胞间膜纳米管中传输的机制和生物学意义

Paracrine secretion has been considered as the main route， by which Mesenchymal stem cells (hMSCs) improve the damaged heart function. Recently, it was reported that membrane nanotubes (MNTs), the line-like tubes physically linking two distant cells, were formed between hMSCs and cardiomyocytes (CMs), and showed that they mediate the intercellular communication by mitochondria. However, the transport mechanisms and biophysical properties of mitochondrial transfer in MNTs remain unclear. The aim of this study: 1) On the basis of previous work, try to confirm MNTs can mediate the mitochondrial transfer from hMSCs to damaged CMs; 2) Elucidate whether mitochondria were transported by consuming ATP along microtubules in MNTs; 3) Uncover whether MNTs can rescue the apoptosis and strengthen the contraction force of damaged CMs by transporting mitochondria; 4) By using the murine model of myocardial infarction, further confirm that MNTs can improve the cardiac function by transporting mitochondria. This study increases our understanding of the potential applications of MNTs between hMSCs and cardiac cells, and helps us to develop new therapeutic targets and strategies for treating ischemic cardiomyopathy.

旁分泌被认为是间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）改善受损心脏功能的主要作用方式。最近有报道指出，除了旁分泌以外，hMSCs和受损的心肌细胞之间也能形成一种细胞远距离丝状连接结构——膜纳米管(membrane nanotubes;MTN)， 并介导了线粒体在细胞间传输，但传输的机制和生物学意义尚不清楚。本课题的研究目的：1) 在前期工作的基础上进一步明确MNTs能够介导线粒体由hMSCs传输到受损的心肌细胞；2）阐明MNTs传输线粒体的机制：是消耗ATP沿微管主动运输的过程；3）研究MNTs能否通过传输线粒体抑制受损心肌细胞调亡，增强细胞收缩；4) 利用小鼠的心梗模型进一步证明在体内MNTs也能够通过介导线粒体传输改善梗死后心脏功能。本项目能够帮助我们更深入的了解hMSCs促进坏死心肌组织修复的机制对于发展更加安全有效的心脏疾病的治疗方案具有重要的意义。

目的：膜纳米管（membrane nanotubes; MNTs）是一种丝状连接结构，能够连接距离较远的两个细胞。最近的研究表明，在受损心肌细胞（CMs）和间充质干细胞（MSCs）之间可以形成MNTs。微管作为一种膜纳米管中存在的细胞骨架的结构，在MNTs中的作用还不完全清楚。结果：本研究采用膜染色法，发现人骨髓间充质干细胞（hMSCs）与乳小鼠骨髓间充质干细胞（NMCMs）之间的MNTs数量在共培养3～16h期间逐渐增加，16～30h期间保持稳定，因此将两细胞间MNTs的形成分为两个时期：形成活跃期（第1期，共培养期≤16h），成熟稳定期（第2期，共培养16h以上）。在第一时期，MNTs主要来源于hMSCs，而在第二个时期主要来源于NMCMs。利用Nocodazole破坏了微管的结构，在第一个时期影响了细胞间MNTs的形成，而在第二个时期仅表现为MNTs形态的变化。利用免疫荧光和流式细胞技术研究发现，在第二时期hMSCs中的线粒体能够通过MNTs消耗ATP主动传输进入受损的NMCMs，破坏了微管或抑制了ATP的产生严重影响了线粒体的传输。Tunnel染色和高内涵定量分析结果显示，只有在第二时期，直接而非间接与hMSCs共培养能够缓解缺氧/复氧引起的NMCMS凋亡，当hMSCs的线粒体功能受损、破坏了微管或抑制ATP产生都可以削弱hMSCs缓解NMCMs凋亡的作用。结论：MNT的形成分为两个时期：形成活跃期（第一时期）和成熟稳定期（第二时期）。MNTs在两个时期的主要细胞来源分别为hMSCs和受损的NMCMs。微管在这两个时期起着不同的作用。在第一时期，微管参与了MNTs的形成，而在第二时期，微管与MNTs的形态相关，并且MNTs能够沿微管通过消耗ATP传输线粒体而发挥抗受损NMCMs凋亡的作用。意义：这些发现使我们更好地了解干细胞治疗缺血性心肌病的机制，为干细胞治疗的发展提供了新的视角。