过继性T细胞疗法（Adoptive T Cell Therapy，ACT）是一种个性化的免疫治疗方法，能够通过将患者体外扩增或修饰的T细胞重新输回体内来增强免疫系统对抗癌症的能力，从而更精准有效地清除癌细胞。然而，过继性T细胞疗法在治疗血液系统恶性肿瘤中效果显著，但对实体肿瘤的疗效却有限【1】。究其原因，一个主要障碍在于肿瘤微环境对T细胞的影响，这种抑制性微环境会破坏T细胞的线粒体功能，导致T细胞耗竭，最终线粒体功能受损会引发与终末衰竭相关的转录和表观遗传变化，削弱T细胞的抗肿瘤能力，并使癌症得以免疫逃逸【2】。因此，通过提升T细胞线粒体功能而抑制T细胞耗竭，是以T细胞为靶点开发抗肿瘤策略的研究重点。此前的研究尝试包括利用T细胞的内在特性，例如产生或选择线粒体功能较强的T细胞亚群，以及通过基因工程促进线粒体生成，或者在T细胞生成过程中添加抗氧化剂以保护线粒体的完整性【3,4】。然而，如果T细胞中的线粒体功能或线粒体DNA（mtDNA）已经受损，这些方法通常效果不佳。近年来，不断有研究发现不同细胞间存在线粒体转移现象，这也间接反映了线粒体作为内共生体的进化历史【5】。研究表明，线粒体转移不仅可以协助修复受损细胞，肿瘤细胞还可能利用这一机制，从肿瘤浸润淋巴细胞和基质细胞中获取线粒体，以促进自身生长。近年来已发现多种线粒体转移机制，包括通过间隙连接和通过微囊泡转移的线粒体。然而，目前认为最主要的一种线粒体转移途径依赖于隧道纳米管（tunneling nanotubes，TNTs）的介导。TNTs是由F-肌动蛋白支撑的膜状结构，能够跨越较长距离连接细胞，从而在相连的细胞间传递细胞质成分和细胞器【6】。然而，是否能够通过驱动细胞间的线粒体转移而恢复耗竭T细胞的线粒体功能，从而开发新的靶向T细胞的实体瘤治疗策略，目前仍有待研究。近日，德国莱布尼茨免疫治疗研究所Luca Gattinoni实验室和哈佛医学院Shiladitya Sengupta实验室等合作在Cell杂志发表了题为Intercellular nanotube-mediated mitochondrial transfer enhances T cell metabolic fitness and antitumor efficacy的研究文章，作者发现通过TNTs从骨髓基质细胞向T细胞转移线粒体，能够显著增强CD8+ T细胞的线粒体呼吸功能，并使其在肿瘤环境中更加高效地增殖和渗透，从而有效克服了T细胞免疫疗法中的耗竭问题，抗肿瘤效果显著提升。这一研究为线粒体转移作为细胞治疗的一种新模式提供了重要支持，并为未来细胞疗法的改进提供了新的方向。之前研究发现骨髓基质细胞（BMSCs）对T细胞功能和分化至关重要。为研究BMSCs与CD8+ T细胞之间的互作机制，作者将人类或小鼠的BMSCs与相应的CD8+ T细胞共培养，结果通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察到BMSCs通过纳米管与CD8+ T细胞相连，并进一步发现纳米管介导的BMSCs向CD8+ T细胞转移线粒体的现象在小鼠和人体细胞中均存在（图1）。不仅如此，Transwell共培养实验同样发现BMSCs能够通过纳米管将线粒体转移到CD8+ T细胞中，并增强T细胞的存活率和功能。这种线粒体转移现象的发生需要CD8+ T细胞的激活，转移后的线粒体保持了正常的功能状态，并增加了受体T细胞的线粒体DNA含量。图1 人（A 和 B）和小鼠（C 和 D）BMSCs 和 CD8+ T 细胞间的纳米管连接为评估供体线粒体对CD8+ T细胞代谢稳态的影响，作者测量了稳态下和线粒体呼吸调节剂干预后的氧消耗率变化。结果表明，供体线粒体的转移显著提高了CD8+ T细胞的基础呼吸和备用呼吸容量，增强了其代谢活性。同时，通过使用部分功能失调的线粒体作为对照，研究进一步证实了线粒体转移后的T细胞（Mito+ T细胞）代谢提升依赖于功能正常的供体BMSCs线粒体。进一步探究线粒体的转移机制，作者发现隧道纳米管（TNT）在细胞间线粒体转移中作用关键，Talin 2（TLN2）蛋白介导了BMSC通过TNT向CD8+ T细胞转移线粒体的过程。通过基因富集分析和实验验证，作者确定了参与TNT形成的多个关键基因，如MTSS I-BAR结构域2（MTSS2，也称为ABBA-1）、TLN2、粘附相关蛋白Leupaxin（LPXN）和整合素α-1（ITGA1）等，这些基因在人类的Mito+ CD8+ T细胞中上调，并证实了BMSCs在启动线粒体转移中起主导作用。小鼠模型实验证明，接受BMSC线粒体的Mito+ CD8+ T细胞在肿瘤组织中表现出更强的增殖、渗透能力，并且凋亡率较低，最终带来了显著的抗肿瘤效果。相比之下，未接受供体线粒体的Mito- CD8+ T细胞更容易出现线粒体功能障碍和终末耗竭。通过单细胞RNA测序和高维流式细胞术检测，作者进一步证实了线粒体转移促使CD8+ T细胞在肿瘤微环境中保持活性，降低耗竭状态，并促进了效应记忆T细胞和杀伤性T细胞的分化。这些发现表明，线粒体转移不仅有助于CD8+ T细胞在肿瘤组织中生存和扩展，还增强了它们的抗肿瘤效应。通过转导CD19特异性嵌合抗原受体（CAR）的CD8+ T细胞与Mito-dsRed转化的BMSC共培养，作者发现与未接受线粒体转移的细胞相比，Mito+ T细胞表现出显著增强的肿瘤杀伤能力，而在转移功能失常的线粒体（Mito+ EtBr）的情况下，这种增强的抗肿瘤效果没有显现。因此，线粒体转移后的受体细胞功能依赖于健康的供体线粒体。此外，Mito+ T细胞在重复刺激下仍保持了良好的细胞毒性，而Mito− T细胞则在几轮刺激后功能迅速失常。将这些经线粒体转移的受体细胞移植到NXG小鼠体内后，Mito+细胞在血液中显著降低了循环白血病细胞的数量，并延长了小鼠的生存期。为了评估线粒体转移对肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）的影响，作者将TILs与Mito-dsRed BMSC共培养，并发现Mito+ TILs在对抗靶抗原的肿瘤细胞（如SK23-GFP）时表现出肿瘤清除能力增强。这一效应在使用不同供体来源的临床级BMSCs时也得到了验证，尽管存在轻微的供体间变异，但Mito+ TILs始终展现出更高的细胞毒性。这些结果表明，线粒体转移不仅能提升T细胞的抗肿瘤效果，还可能在临床应用中，特别是针对肿瘤微环境中线粒体受损的TILs时，提供显著的治疗优势。综上所述，本研究发现纳米管介导的骨髓干细胞向CD8+ T细胞转移线粒体，可以增强T细胞代谢能力。当“改造后”的T细胞被转移到带瘤宿主中时，T细胞增殖更为强劲，渗透肿瘤的效率更高，且比未获得外源线粒体的T细胞的耗竭迹象减弱。最终， “改造后”CD8+ T细胞表现出更强的抗肿瘤能力，并延长了动物的生存期。本研究为“线粒体转移”作为肿瘤治疗的一种新模式提供了重要支持，并为未来细胞疗法的改进提供了新的方向。https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.029制版人：十一
1. Sadelain, M., et al. Therapeutic T cell engineering. Nature. 2017; 545:423-431.
2. Scharping, N.E., et al. Mitochondrial stress induced by continuous stimulation under hypoxia rapidly drives T cell exhaustion. Nat. Immunol. 2021; 22:205-215。
3. Scharping, N.E. et al. The tumor microenvironment represses T cell mitochondrial biogenesis to drive intratumoral T cell metabolic insufficiency and dysfunction. Immunity. 2016; 45:374-388.
4. Pilipow, K. et al. Antioxidant metabolism regulates CD8+ T memory stem cell formation and antitumor immunity. JCI Insight. 2018; 3, e122299.
5. Islam, M.N. et al. Mitochondrial transfer from bone-marrow–derived stromal cells to pulmonary alveoli protects against acute lung injury. Nat. Med. 2012; 18:759-765.
6. Saha, T. et al. Intercellular nanotubes mediate mitochondrial trafficking between cancer and immune cells. Nat. Nanotechnol. 2022; 17:98-106.
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