基于線粒體異常的乳腺癌治療新策略：線粒體移植

馬亮亮 孫力超

作者單位：100021 北京 國家癌癥中心，國家腫瘤臨床醫學研究中心，中國醫學科學院，北京協和醫學院腫瘤醫院分子腫瘤學國家重點實驗室

2020年最新研究數據顯示，乳腺癌超過了肺癌成為全球女性最常見的癌癥，中國女性乳腺癌發病率高且呈上升趨勢，占全球乳腺癌死亡率的18%［1］。乳腺癌的治療方案包括手術治療、放療和藥物治療，早期浸潤性乳腺癌和導管原位癌通常以手術切除為主［2］，放療可作為手術后降低復發風險的一種輔助治療［3］。藥物治療用于乳腺癌的全身療法［4］，治療方案取決于乳腺癌的分子分型。大約70%的乳腺癌患者表現為雌激素受體（estrogen receptor，ER）陽性或孕激素受體（progenstogen receptor，PR）陽性，常用激素治療［5］；人表皮生長因子受體2（human epidermal growth factor receptor 2，HER2）過表達的患者占15%～20%，常用曲妥珠單抗治療［6-7］；三陰性乳腺癌（triple-negative breast cancer，TNBC）尚缺乏靶向治療方法，傳統化療仍是唯一的治療選擇［8］。乳腺癌治療失敗往往與固有或獲得性耐藥相關［9］，因此尋找新的乳腺癌治療方式，降低患者耐藥性，是乳腺癌治療亟需解決的難題。

WARBURG［10］首次報道了線粒體在細胞癌變過程中的潛在作用，揭示了線粒體缺陷可能是腫瘤的特征之一。目前已在乳腺癌［11］、肝癌［12］、胃癌［13］中發現線粒體形態和功能的異常。因此，逆轉線粒體代謝異?？赡苁前┌Y治療的潛在方法［14-15］。近年來，線粒體移植作為一種治療線粒體疾病的創新策略受到越來越多的關注，其目的是將功能正常的外源性線粒體轉移到線粒體缺陷細胞中，從而促進ATP 的產生，幫助細胞自我修復［16］。本文綜述了乳腺癌中線粒體異常和線粒體移植治療策略，為線粒體移植療法成為乳腺癌臨床治療方案的選擇提供依據。

1 線粒體異常對乳腺癌的作用

1.1 線粒體形態和氧化磷酸化異常

最初，SPRINGER［17］通過電子顯微鏡觀察了乳腺癌中的線粒體形態，發現腫瘤細胞的線粒體具有多形性，線粒體表現出腫脹、外膜屈曲、嵴結構紊亂、嵴與線粒體長軸平行、基質髓鞘樣、基質空泡和形狀扭曲等特征。隨后，越來越多的研究發現乳腺癌細胞系出現線粒體形態腫脹、扭曲、嵴數量減少及結構紊亂的現象，伴有基質空泡化和嵴排列方向與線粒體長軸平行的變化［18-19］。另外，有研究報道乳腺癌細胞產生ATP 的能量代謝方式因細胞類型而異，如KAMADA等［20］發現在MCF-7（ER和PR陽性）、SKBR3（HER2陽性）和MDA-MB-231（TNBC）乳腺癌細胞系中，25%的MCF-7、50%的SKBR3 和75%的MDA-MB-231 細胞依賴糖酵解產生ATP，這表明依賴糖酵解產生ATP 的程度在乳腺癌不同分子亞型之間有所不同。還有研究發現在TNBC 中參與氧化磷酸化的核編碼基因下調［21］。這些證據表明在乳腺癌中線粒體形態和氧化磷酸化功能存在異常。

1.2 線粒體DNA突變

線粒體DNA 由于缺乏組蛋白的保護和切除大片段DNA 損傷的核苷酸切除修復（nucleotide excision repair，NER）機制，并且靠近電子傳遞鏈，容易受到氧自由基的攻擊進而發生突變［22-24］。線粒體DNA 突變可能會造成線粒體氧化磷酸化功能缺陷，導致活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產生增加，進而促進腫瘤發生［25-26］。由于線粒體DNA 缺乏內含子，因此大多數突變發生在編碼區，這會造成編碼呼吸鏈蛋白的基因功能異常，導致線粒體ROS的產生和氧化還原狀態發生改變，這些變化會觸發促癌基因的激活和抑癌基因的失活，引發細胞增殖失控，從而加速癌癥的發生［27-28］。目前，在乳腺癌中已經檢測到線粒體DNA 體細胞突變，如JAHANI 等［29］在53 例乳腺癌患者組織中的線粒體DNA 測序數據中發現A10398G 突變最為常見，提示線粒體A10398G突變在乳腺癌中發揮一定作用。另外，LI 等［30］在83 例乳腺癌患者組織中的線粒體DNA測序數據中發現RNR2-2463 indelA、COX1-6296 C＞A、COX1-6298 indelT、ATP6-8860 A＞G、ND5-13327 indelA 等5種突變可能是乳腺癌發生的風險因素，并可能對乳腺癌治療起到指導作用。還有研究對乳頭抽吸液進行檢測，發現線粒體DNA 的204、207 和16293 堿基位點發生突變，這些突變被認為是乳腺癌的一種指征，并且提出將線粒體DNA D-loop區域的突變作為乳腺癌的獨立預后標志物［31-32］。在原發性乳腺癌中，線粒體DNA 變異大多數是單核苷酸變異，而不是小的插入或缺失［33-34］。此外，線粒體DNA變異分布在整個線粒體基因組中，并且在不同乳腺癌患者之間表現出顯著異質性［35］。綜上所述，線粒體DNA 位置特殊，基因結構緊密，易受突變影響，并且修復機制有限，被認為與乳腺癌的發生有關。

1.3 線粒體動力學異常

線粒體是一種動態的細胞器，通過融合和裂變調節大小、數量和形態。線粒體融合由3 種GTPases 蛋白介導：mitofusin 1（Mfn1），mitofusin 2（Mfn2）和視神經萎縮蛋白1（optic atrophy 1，OPA1），線粒體裂變受動力相關蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）調控［36］。越來越多的證據表明，腫瘤細胞通過改變線粒體動力學以獲得增殖和生存優勢［37］。例如，在乳腺癌［38］、肺癌［39］和膠質母細胞瘤［40］等癌癥組織中可觀察到碎片化的線粒體。還有研究報道線粒體融合增加與腫瘤細胞化療耐藥存在直接關聯［37，41］。CHEN 等［42］研究發現線粒體裂變在TNBC 臨床樣本中顯著增加，并與TNBC 患者較差的生存率相關；WEINER-GORZEL 等［43］研究發現與癌旁正常組織相比較，TNBC 腫瘤樣本中顯示線粒體裂變蛋白Drp1 上調和線粒體融合蛋白Mfn1下調，表明在TNBC 中存在線粒體動力學失衡的情況，這可導致線粒體碎片化程度增加，且與TNBC的高侵襲性有關。另外，大約70%的TNBC 患者存在PI3K/AKT/mTOR 信號通路異常激活，且異常激活的通路可導致線粒體裂變增加，并保護腫瘤細胞免受凋亡［44］。在人浸潤性乳腺癌組織和轉移的淋巴結中發現線粒體裂變蛋白Drp1 表達顯著上調，通過沉默Drp1 或過表達線粒體融合蛋白Mfn1可以抑制乳腺癌細胞的轉移能力［38］。以上研究結果說明線粒體動力學異常失衡可能導致乳腺癌細胞增殖、侵襲和轉移。

1.4 線粒體的逆行信號

線粒體也可以逆向調控核內基因的表達而調控生命活動，這個過程被稱為逆行信號傳導［45］。線粒體逆行信號傳導通路參與并影響腫瘤發生發展。JIANG等［46］發現線粒體中的單鏈DNA 結合蛋白1（single stranded DNA binding protein 1，SSBP1）在TNBC 中下調，促進了TNBC 細胞在體外和體內的轉移。在機制上，SSBP1 的缺失降低了線粒體DNA 拷貝數，增強了鈣調磷酸酶介導的線粒體逆行信號，從而誘導c-Rel/p50 核定位，激活TGFβ 啟動子活性，最終引發由TGFβ 驅動的上皮-間質轉化。SUN 等［47］發現線粒體跨膜蛋白TMEM126A 缺失可能通過調控線粒體逆行信號傳導，誘導線粒體ROS的產生增多和線粒體膜電位去極化，促進上皮-間質轉化，增強乳腺癌轉移特性。另外，miR-663介導線粒體-細胞核的逆行信號并受ROS調控，隨著線粒體ROS生成量的增多，miR-663的表達水平隨之降低，進而加速小鼠體內乳腺癌的發展［48］。由此可知，線粒體功能障礙可能通過觸發逆行信號通路促進乳腺癌的形成和進展。

2 線粒體移植在乳腺癌中的治療策略

最初，研究者發現細胞間是通過轉移完整的線粒體，而不是單純的線粒體DNA 來幫助受體細胞改善線粒體功能［49-50］?；诖?，研究人員提出了將整個線粒體直接移植到病變部位中，以探索外源性線粒體的拯救作用。1982 年，CLARK 和SHAY［51］提取了純化的包含抗生素抗性基因的線粒體，然后將純化的線粒體與抗生素敏感細胞混合，發現線粒體被細胞內化，從而提高了細胞抵抗抗生素能力。接著，ALI POUR等［52］發現外源線粒體與心肌細胞共孵育可在短期內顯著改善受體細胞線粒體呼吸作用。TEITELL 團隊［53］將具有抗氯霉素的線粒體移植到對氯霉素敏感并缺乏線粒體DNA 的小鼠雜交細胞中，結果發現受體細胞保留了含有抗氯霉素的線粒體，并且改進了受體細胞呼吸功能；同時該團隊發明了將線粒體永久轉移到受體細胞并形成具有獨特線粒體DNA-細胞核DNA 組合的Mitopunch 技術［54］。該技術可以在細胞無損的情況下，將線粒體精確地從供體細胞轉移到受體細胞中，產生具有所需線粒體DNA序列的細胞。

除在體外實驗中觀察到線粒體轉移外，還可以將線粒體直接注射到生物體內。例如，DOULAMIS等［55］將肌肉細胞的同種異體或自體線粒體注射到大鼠缺血再灌注損傷的心臟中，發現左心室功能恢復以及心肌梗塞面積減少。還有研究將自體線粒體注入豬模型的左冠狀動脈口以修復心肌損傷［56］。另外，在大鼠模型中局部腦內或全身動脈內注射線粒體可顯著減少腦梗死面積和神經元細胞死亡的數量［57］。目前線粒體移植采用共培養、肽標記、顯微注射、直接注射和經血管輸注等方法提高線粒體呼吸和移植效率［58-59］，見圖1。在臨床實踐中，線粒體顯微注射技術已經非常成熟，自體線粒體顯微注射可以提高卵母細胞的質量，幫助婦女分娩，降低胎兒疾病的發生率［60］。由此可見，線粒體移植技術對治療線粒體異常導致的疾病有重要的價值。

圖1 線粒體移植方式Fig.1 Mitochondrial transplantation methods

越來越多的研究已經發現在乳腺癌細胞系中進行線粒體移植能夠改善癌細胞的惡性表型和能量代謝方式。JIANG 等［61］發現人乳腺上皮細胞MCF-12A的線粒體可以進入人乳腺癌細胞MCF-7、T47D 和MDA-MB-231 中，并通過抑制癌細胞糖酵解和葡萄糖攝取能力抑制乳腺癌細胞增殖并增強其對紫杉醇的敏感性。CHANG 等［62］還發現來自健康個體的線粒體能夠轉運到乳腺癌細胞系MCF-7中，降低MCF-7細胞中線粒體裂變蛋白Drp1 的表達，促進線粒體的融合，形成管狀線粒體網絡，進而增強乳腺癌抗腫瘤活性。隨后，該團隊利用TNBC 小鼠模型比較單獨線粒體移植以及與Pep-1肽結合的線粒體移植兩種方式對移植效率的影響，結果發現移植與Pep-1 肽結合的線粒體可顯著提高移植效率并顯著抑制乳腺癌細胞的生長、促進腫瘤細胞壞死［63］。因此，單獨的線粒體在組織中的穿透能力較弱，與Pep-1 肽結合的線粒體可以顯著提高線粒體在特定病變細胞中的移植效率。綜上所述，線粒體移植是一種有前途的乳腺癌治療策略，可能在乳腺癌臨床治療中發揮重要作用。

3 小結與展望

線粒體功能的恢復取決于線粒體應激水平、自噬信號、生物發生、融合和裂變過程之間的復雜平衡。目前，已有較多線粒體移植的方法，但不同方法的移植效率各不相同，需要根據細胞或組織類型優化這些方法并開發更有效的細胞或組織特異性遞送技術，以實現線粒體的精確靶向移植。此外，影響線粒體進入受體細胞的因素、線粒體如何逃離內體和溶酶體、哪些途徑會影響外源性線粒體與細胞內線粒體融合以及線粒體移植之后如何逆行調節細胞核基因的表達等線粒體移植研究方向值得關注。為了在臨床中開發基于線粒體治療乳腺癌的策略，仍需進一步開展基礎和臨床研究以闡明乳腺癌中線粒體移植的時間區間和細胞表型改變的機制，以確定線粒體移植療法在乳腺癌患者中的最佳移植時機和作用。