图 4. 吸收了31个线粒体的C2C12细胞对损伤肌肉再生的促进效果
除了为细胞产生能量外，线粒体也与细胞增殖、衰老、凋亡、先天免疫、钙稳态、甚至干细胞分化潜力相关。mtDNA的突变会损害细胞和组织的功能，在自然界中，自发性的线粒体转移可以通过不同的机制在健康细胞和受损细胞之间发生，以保护受损细胞并恢复其细胞功能。线粒体功能的完整性对肌肉组织及其重要。当线粒体功能失调时，ATP产生能力会下降同时会有更多的ROS产生。这会导致肌肉萎缩、无力和耐力丧失。因此研究如何恢复或者改善线粒体功能来促进肌肉再生是一个很有意义的课题。
Clark和Shay在1982年首次证明了在体外进行人工线粒体转移的可行性。此后，线粒体转移技术被进一步证明可用于mtDNA相关疾病的治疗。已有的线粒体转移技术主要有共培养与细胞注射两大类。其中共培养的方法依靠细胞自身的胞吞作用吸收在细胞附件随机运动的线粒体，这种随机性使得转移到受体细胞内的线粒体数量存在极大的差异，并且降低了线粒体转移效率。细胞注射的方法会对受体细胞照成物理损伤，并且通量很低。这些特点限制已有线粒体转移方法在临床上的应用。
香港城市大学生物医学工程系孙东课题组提出了一直新型基于液滴微流控的线粒体转移技术，该技术结合了液滴微流控和共培养线粒体转移方法的优点，实现了在单细胞水平上的高效、高通量的定量线粒体转移，突破了传统线粒体方法的局限性。为线粒体转移技术的临床应用开辟了新途径。香港中文大学李郁伟课题组验证该技术在损伤肌肉再生上应用的有效性。
图1. 基于液滴微流控的线粒体转移技术，及其在肌肉再生上的应用
为了突破这一限制，香港城市大学生物学工程系孙东课题组设计了一种基于液滴微流控的线粒体转移技术（图1）。该技术了利用了液滴微流控高通量、区域化的特点，并结合了共培养线粒体转移方法对细胞无物理损伤的优点，在单细胞水平上实现了高效、高通量和定量的线粒体转移。在孙东课题组的研究中，从C2C12成肌细胞中分离出的线粒体与单个C2C12成肌细胞被包裹在一个直径为40μm的液滴中。由于液滴有限的空间限制了游离线粒体的移动范围，增加了其与受体细胞接触并被受体细胞吞入的概率。
图2. 高效定量线粒体转移
在共培养2小时后，液滴内超过70%的游离线粒体可以被C2C12细胞通过胞吞作用吸收。C2C12细胞吸收的线粒体数量可以通过使用不同浓度的线粒体悬浮液进行控制 （图2）。得益于液滴微流控的高通量特性，该技术可以在30分钟内完成对约2,000,000个C2C12细胞与游离线粒体的包裹。此外，为了提高液滴微流控的单细胞包裹效率，研究者使用了一个波浪状的管道结构来排列细胞。该结构可以单细胞包裹效率提升至约47.8%，同时将单细胞包裹效率降低至约5.9%。这将单细胞包裹效率与多细胞包裹效率的比值提升至遵循泊松分布的传统微流控的8.1倍。
图 3. C2C12细胞功能随着其吸收线粒体数量的提升
将香港中文大学李郁伟课题组对完成线粒体转移的细胞的体外功能进行评估，实验表明，相比于吸收了0，7,14个线粒体的C2C12细胞，吸收了31个线粒体的成肌分化能力，ATP合成能力与线粒体相关基因都得到了显著提升（图3）。进一步，李郁伟课题组使用小鼠肌肉损伤模型来评估该线粒体转移技术在临床应用上的有效性。研究者发现与其它对照组相比，注射20,000个吸收了31个线粒体的C2C12细胞可以显著促进受损肌肉的愈合，并避免注射细胞带来的免疫反应（图4）。
研究者相信，此项研究为细胞治疗和线粒体转移技术在临床上的应用开辟了新的有效途径。在进行细胞治疗前，通过该线粒体转移来技术提升细胞的功能可以有效提升细胞治疗的效果。相关论文在线发表在 Science Advances 上。香港城市大学孙东课题组孙佳宇博士生与香港中文大学李郁伟课题组罗晓彤博士生为论文的共同第一作者。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp9245
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