介紹一種基于液滴微流控的線粒體轉(zhuǎn)移技術(shù)

在肌肉組織中，當(dāng)線粒體DNA異質(zhì)性超過一定水平或者線粒體功能失調(diào)時，會產(chǎn)生較少的三磷酸腺苷（ATP）和過多的活性氧（ROS） ，這會引發(fā)肌肉的萎縮、無力和耐力喪失。因此，研究如何恢復(fù)或改善線粒體功能以促進肌肉再生是一個有吸引力的課題。

線粒體轉(zhuǎn)移是在各種病理條件下恢復(fù)受損細(xì)胞的自發(fā)過程。在給藥之前將線粒體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞治療產(chǎn)品中可以提高治療效果。然而，先前報道的線粒體轉(zhuǎn)移方法效率低，限制了它們的臨床應(yīng)用。

為了克服這些挑戰(zhàn)，香港城市大學(xué)孫東教授團隊提出了一種基于液滴微流控的線粒體轉(zhuǎn)移技術(shù)，可以實現(xiàn)高效、高通量的線粒體定量轉(zhuǎn)移至單細(xì)胞。該技術(shù)結(jié)合了共培養(yǎng)和液滴微流控的優(yōu)點，對肌肉再生有較好的治療作用。相關(guān)工作以“High-efficiency quantitative control of mitochondrial transfer based on droplet microfluidics and its application on muscle regeneration”為題，于近期發(fā)表在Science Advances上。

基于液滴微流控的線粒體轉(zhuǎn)移系統(tǒng)

研究人員開發(fā)的基于液滴微流控的線粒體轉(zhuǎn)移系統(tǒng)由三個模塊組成：液滴生成模塊、液滴觀察模塊和液滴收集模塊。

該系統(tǒng)采用流動聚焦結(jié)構(gòu)將線粒體受體C2C12細(xì)胞懸液和分離的線粒體懸液這兩種懸浮液分離成液滴，波浪狀結(jié)構(gòu)用于增加單細(xì)胞封裝率，同時降低多細(xì)胞封裝率，提高封裝效率（圖1）。

圖1系統(tǒng)安裝示意圖、基于液滴微流控的線粒體轉(zhuǎn)移技術(shù)的工作流程和實驗評估

從圖2可以觀察到線粒體受體細(xì)胞C2C12和新鮮分離的線粒體加載到微流控芯片中進行封裝和線粒體轉(zhuǎn)移的過程。在產(chǎn)生的液滴***培養(yǎng)2小時后，分離的線粒體通過內(nèi)吞作用被受體細(xì)胞吸收。

通過波浪狀結(jié)構(gòu)，封裝效率提高到超過泊松分布，單細(xì)胞封裝效率可達到約47.8％，而多細(xì)胞封裝率被抑制至約5.9％。線粒體轉(zhuǎn)移效率，隨著液滴直徑的增加而略微下降，但均在70%以上。使用本線粒體轉(zhuǎn)移系統(tǒng)進行處理后，受體細(xì)胞的存活率仍然可以保持相對較高。

圖2基于液滴微流控的線粒體轉(zhuǎn)移系統(tǒng)展示

高效定量線粒體轉(zhuǎn)移

液滴的封閉微環(huán)境限制了分離的線粒體的移動距離，增加了分離的線粒體接觸細(xì)胞的概率。而轉(zhuǎn)移到液滴細(xì)胞中的線粒體數(shù)量可以通過調(diào)整線粒體懸浮液的濃度來控制，從而可以對轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞中的線粒體進行定量控制。

在該研究中，研究人員使用了三種不同濃度的分離線粒體懸浮液來驗證所提出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移效率。隨著濃度的增加，線粒體轉(zhuǎn)移效率略微上升。通過共聚焦顯微鏡進行觀察和3D重建（圖3）。

圖3采用所提出的基于液滴的方法對線粒體轉(zhuǎn)移進行定量控制

線粒體轉(zhuǎn)移促進C2C12細(xì)胞增殖和成肌分化的體外研究

研究人員通過肌生成測定，來測試C2C12成肌細(xì)胞在使用該技術(shù)進行線粒體轉(zhuǎn)移后的分化能力。結(jié)果表明，高線粒體轉(zhuǎn)移組ATP水平和mtDNA含量顯著增加（圖4）。

圖4線粒體轉(zhuǎn)移對C2C12成肌細(xì)胞成肌分化作用的體外研究

通過qPCR分析肌肉再生相關(guān)基因的表達水平。除磷酸甘油酸激酶1（Pgk1）外，其他標(biāo)志物均以濃度依賴性方式在線粒體轉(zhuǎn)移時顯示出表達上調(diào)。特別的是，轉(zhuǎn)移的線粒體過少或過多都不能促進Pgk1的表達，這一現(xiàn)象進一步表明了定量控制線粒體轉(zhuǎn)移在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中的重要性（圖5）。

上述體外實驗結(jié)果表明，高線粒體轉(zhuǎn)移細(xì)胞（31個/每細(xì)胞）可以明顯增強成肌分化和ATP的產(chǎn)生能力?；诖?，研究人員在動物實驗中使用高線粒體轉(zhuǎn)移細(xì)胞來研究細(xì)胞療法治療的功能結(jié)果和劑量效應(yīng)。

圖5線粒體轉(zhuǎn)移后C2C12細(xì)胞在成肌分化過程中的肌源性因子和線粒體相關(guān)基因的表達情況

肌內(nèi)注射線粒體轉(zhuǎn)移的C2C12以改善肌肉愈合質(zhì)量和功能

研究人員通過小鼠肌肉損傷模型，來評估該技術(shù)的肌肉再生效果。沒有線粒體轉(zhuǎn)移的成肌細(xì)胞移植不足以促進受傷肌肉的愈合過程，注射高劑量細(xì)胞后可能產(chǎn)生免疫反應(yīng)，而注射低劑量線粒體轉(zhuǎn)移的C2C12細(xì)胞（LH組）獲得該研究中最令人滿意的愈合結(jié)果（圖6）。

圖6體內(nèi)研究線粒體轉(zhuǎn)移的C2C12注射對肌肉再生的影響

基因分析結(jié)果同樣證明，LH的表達上調(diào)最高，這與功能評估中的最佳愈合結(jié)果一致（圖7）。

圖7 C2C12細(xì)胞注射后肌肉損傷小鼠的肌源性因子和線粒體代謝基因表達水平

綜上所述，研究人員開發(fā)了一種新的基于液滴微流控的線粒體轉(zhuǎn)移方法，以克服定量高通量轉(zhuǎn)移的局限性。該研究開辟了一條在給藥前使用高效和高通量線粒體轉(zhuǎn)移技術(shù)來***細(xì)胞治療產(chǎn)品的新途徑。所提出的技術(shù)可以顯著促進線粒體轉(zhuǎn)移的臨床應(yīng)用，優(yōu)化細(xì)胞功能改善，用于線粒體相關(guān)疾病的細(xì)胞治療。

審核編輯：劉清