研究背景
肺纖維化（Pulmonary fibrosis，PF）是一種嚴重的呼吸道疾病，能導致肺功能進行性喪失。PF的平均生存期僅有2-4年，已經成為全球范圍內主要的難治性疾病之一。目前，PF的臨床治療手段主要是藥物干預，氧療、肺移植等。這些治療手段雖然能夠在一定程度上緩解肺纖維化的癥狀，卻不能阻止肺纖維化的進程。因此，當前臨床亟需針對PF的有效治療手段。
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近年來的多項研究指出，肺纖維化和線粒體受損密切相關。在外界刺激下，肺部的上皮細胞、成纖維細胞、免疫細胞等的線粒體受到損傷，導致線粒體功能紊亂，從而激活下游纖維化通路。為此，針對PF的發病機制，以受損線粒體為治療靶點，進行線粒體補充治療有望阻止PF的進程。
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其中，線粒體補充治療可分為直接的線粒體移植，和間接的細胞間線粒體轉移。對于直接的線粒體移植來說，其療效雖得到廣泛的確證，卻存在不少應用限制，例如提取步驟繁瑣、易失活、細胞攝取效率低、缺乏靶向性等。而另一方面，利用細胞自發的線粒體轉移能力，將天然細胞作為線粒體載體，可以避免線粒體移植的缺陷，例如其無提取步驟、可以保障線粒體活力，具備單向轉移能力。其中，間充質干細胞（Mesenchymal stem cell，MSC）由于來源豐富、低免疫原性、炎癥趨向性、低氧化損傷水平、低能量需求而常被用作線粒體的靶向遞送載體。然而，MSC固有的線粒體轉移效率較低，這限制了線粒體治療的療效。
研究思路
浙江大學藥學院高建青教授/張添源研究員團隊前期利用氧化鐵納米粒改良的間充質干細胞構建了第一代“干細胞超級電池”（V1.0），實現了向受損肺細胞的靶向線粒體補充治療（Science Advances. 2021,7(40):eabj0534，當期特別推薦文章）。然而，第一代改良技術無法實現對受損部位的持續、高效線粒體輸送，因而在已經進展的肺纖維化小鼠上的療效有限。為解決這一難題，團隊進一步開發了第二代“干細胞超級電池”（V2.0，Pg-Fe-hMSC），聯合使用吡格列酮和氧化鐵納米粒，以同時提高MSC的線粒體數量和遞送效率，從而實現靶向受損肺細胞的持續、高效線粒體“再充電”。Pg-Fe-hMSC在已經進展的嚴重肺纖維化小鼠模型上展現了良好的療效（圖1）。
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該論文在近期被Nature Communications（IF=16.6）推薦為編輯精選論文（Editors’ Highlights）。Nature Communications Editors’ Highlights為Nature Communications編輯部精選的近期發表的50篇最優論文。
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圖1.通過構建第二代“干細胞超級電池”（V2.0，Pg-Fe-hMSC），有效干預肺纖維化的進展。
研究結果
首先，研究者設置系列的吡格列酮處理濃度及時間，以篩選出針對人胎盤來源MSC（hMSC）最佳的處理條件。在最佳處理條件下，吡格列酮能夠有效地提高hMSC胞內的線粒體含量。通過熒光共聚焦圖像、流式細胞術、PCR結果發現，提高hMSC胞內的線粒體含量可以在一定程度上促進細胞間的線粒體轉移，且這一過程與PGC-1α相關（圖2）。
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圖2.吡格列酮提高hMSC的線粒體含量，促進線粒體的高效和持續遞送。
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進一步地，研究者們比較不同處理的hMSC對受損肺細胞的保護作用。通過比較各組細胞的胞內ATP水平、ROS含量、線粒體膜電位、細胞活力，可以發現，Pg-Fe-hMSC表現出了更好的保護作用。隨后，分別使用PGC-1α-siRNA和PGC-1α質粒轉染hMSC，以下調或上調hMSC的PGC-1α表達水平。結果發現，PGC-1α的下調降低了hMSC的保護作用，而PGC-1α的上調提高了hMSC的保護作用。這一結果表明，持續高效的線粒體遞送能力有助于有效恢復嚴重受損的肺上皮細胞的線粒體功能（ATP水平），降低胞內的過量ROS，進而有效拯救受損的肺上皮細胞（圖3）。
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圖3.Pg-Fe-hMSC的持續高效線粒體遞送，有助于受損肺上皮細胞的線粒體功能恢復。
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基于前述研究結果，繼續考察Pg-Fe-hMSC對處于疾病進展期PF小鼠的治療作用。分別在BLM誘導肺損傷后的第7、10天尾靜脈注射給予PF小鼠相同劑量的hMSC、Pg-hMSC、Fe-hMSC、Pg-Fe-hMSC。在BLM注射后的第28天，未接受任何治療的PF小鼠生存率降至60%左右，而各組hMSC的干預治療能夠使其生存率上升至70%以上。采用micro-CT觀察治療終點下各組小鼠的肺部病變情況，結果顯示，未治療的PF小鼠肺部有大量不均勻的斑片狀陰影，肺邊緣模糊。天然hMSC的治療無法有效減少PF小鼠肺部的纖維化病灶面積，而其他三組hMSC可以在一定程度上減輕其纖維病變程度，且Pg-Fe-hMSC的減輕程度最為顯著。肺病理切片肺病理切片結果及相關纖維化指標也體現了Pg-Fe-hMSC的良好治療作用（圖4）。
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圖4.Pg-Fe-hMSC實現對已經進展的小鼠肺纖維化的有效干預治療。
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考慮到小鼠肺組織與人肺組織的差異性，更好地模擬肺纖維化的疾病過程，研究者們進一步構建3D肺細胞球。隨后，將不同hMSC加入3D肺細胞球當中，可發現Pg-Fe-hMSC在3D纖維化肺細胞球模型上表現出最佳的線粒體遞送效率和保護作用。
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圖5.Pg-Fe-hMSC實現對3D纖維化肺細胞球模型的有效干預治療。
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最后，通過RNA測序手段，研究者們從基因層面驗證了，高效和持續的線粒體靶向遞送可以有效恢復受損肺細胞的線粒體功能（圖6）。
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圖6.RNA測序結果驗證了Pg-Fe-hMSC可以有效恢復受損肺細胞的線粒體功能。
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作者簡介
浙江大學藥學院的高建青教授和張添源特聘研究員為本文的通訊作者，博士研究生黃婷為本文的第一作者。高建青教授團隊一直致力于基于干細胞及其衍生物的生物載體靶向遞送系統的構建及用于重大疾病的治療研究，近年來在Nature Communications, Science Advances, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Journal of Controlled Release, Stem Cells Translational Medicine等期刊持續發表了系列研究成果，顯示了干細胞及干細胞來源的外泌體在脊髓損傷、腦卒中、纖維化和腫瘤等疾病治療中的良好應用前景，部分成果已推進至臨床治療研究。