癌癥通過逃避免疫系統而“猖狂”，搞清楚各種免疫逃避策略是癌癥免疫療法的關鍵。哎！線粒體轉移，就是其中一種！But！見招拆招，一起來看看到底咋回事兒~


01
腫瘤與免疫

免疫細胞與癌細胞就像是兩軍對戰，抗爭已久。癌細胞相當“狡猾”！不斷通過免疫檢查點分子逃避 T 細胞介導的腫瘤免疫。比如，癌細胞會高表達 PD-L1，可與 T 細胞表面的 PD-1 結合，“蒙蔽”T 細胞，使 T 細胞誤以為是同類，從而實現免疫逃逸。此外，癌細胞會促使一些免疫細胞表達更多的 CTLA-4 受體，這種蛋白會傳遞“剎車”指令，抑制 T 細胞對自己的殺傷作用。

圖 1. CTLA-4 和 PD-1 的圖示^[1]。

于是，見招拆招！科研家們開發了多種腫瘤免疫療法，如免疫檢查點阻斷 (Immune checkpoint blockade, ICB)，使用抗 CTLA-4 或抗 PD-1 抗體阻斷 CTLA-4 和 PD-1 的結合，抑制 T 細胞中的這些抑制信號，從而改善腫瘤細胞的根·除。
然而，癌細胞為了"活命"也是花樣百出。這不，Tanmoy Saha 等人首·次研究了癌細胞和免疫細胞之間的線粒體運輸，發現癌細胞可以通過納米管介導“偷走”免疫細胞線粒體，癌細胞不僅獲得了代謝功能，而且在此過程中也嚴重地使免疫細胞喪失功能^[2]。
02
癌細胞“偷走”線粒體

癌細胞伸出"魔爪"—納米管

研究人員設計了一個簡單的實驗，將不同的鼠/人類乳腺癌細胞與效應免疫細胞 (如自然殺傷 T 細胞 (NKT) 或 CD3+ /CD8⁺ T 細胞) 共培養，并使用場發射掃描電子顯微鏡 (FESEM) 檢查共培養中的細胞間相互作用。有趣的是，FESEM 圖像分析顯示癌細胞和免疫細胞通過納米級管狀結構進行物理連接 (圖 1a-d)。在某些情況下，發現來自癌細胞的單個納米管與幾個免疫細胞串聯連接并與免疫細胞膜形成多個接觸 (圖 1d)。

圖 2. 癌細胞和效應免疫細胞通過物理納米管連接^[2]。

此外，在某些情況下，納米管會聚集形成更厚的納米管。可不要小瞧了這個納米管，它可是能做不少“壞事兒”。很快，研究人員發現，納米管介導免疫細胞和癌細胞之間的線粒體轉移。


 納米管狀結構
納米管狀結構除了參與免疫細胞之間的細胞間通訊外，也能介導 HIV 病毒在 T 細胞之間的轉移、朊病毒在神經元之間的轉移，賦予癌細胞生存優勢和轉移。納米管還能進行細胞間細胞器運輸，比如上皮細胞之間線粒體的轉移。

納米管："偷走"T 細胞線粒體

首先，研究人員使用 MitoTracker Green (一種綠色熒光探針) 標記了自然殺傷 T 細胞 (NKT) 中的線粒體。其次，清洗免疫細胞以去除任何未結合的染料。然后，將該免疫細胞添加到轉移性乳腺癌細胞培養物中。
該細胞一開始沒有任何標記的線粒體。然而，在共培養后 16 h，觀察到癌細胞中出現大量點狀綠色熒光 (圖 2)，這與線粒體從免疫細胞轉移到癌細胞一致。使用鬼筆環肽紅染色納米管中的 F-肌動蛋白，可觀察到 MitoTracker 標記的線粒體在納米管內共定位 (圖 2)，支持通過納米管進行線粒體運輸。

圖 3. MitoTracker-Green 標記的線粒體從免疫細胞轉移到癌細胞^[2]。

此外，測試了線粒體轉移的方向性，結果表明，線粒體的運輸主要是單向的——從免疫細胞到癌細胞。

免疫細胞：災難！要無法呼吸了

接下來，研究人員通過代謝分析研究了線粒體轉移對癌細胞和免疫細胞的影響。在免疫細胞中觀察到呼吸能力顯著降低，相反，癌細胞表現出更高的呼吸能力。此外，觀察到共培養試驗中免疫細胞數量在 16 h 內顯著減少，癌細胞則表現出明顯更高的生長。
作者進一步通過敲低參與納米管形成 (Sec3 和 Sec5) 和線粒體運輸 (Mirol) 的蛋白質，清楚地建立了線粒體轉移是由納米管介導機制驅動的。于是，選用了一種已經被描述的納米管形成抑制劑，L-778123 (可在非細胞毒性濃度下有效抑制納米管的形成)。同時，Saha 等人將抗 PD1 抗體與 L-778123 結合，在乳腺癌小鼠模型中進行試驗。結果發現，與 PD1 單獨治療相比，L-778123 聯合 PD1 阻斷顯著增加了腫瘤內 T 細胞的活化和浸潤，導致腫瘤進展延遲，動物存活時間延長 (圖 3b)。

圖 4.線粒體劫持的藥物阻斷可提高 T 細胞抗腫瘤免疫^[3]。

a. 癌細胞納米管介導的 T 細胞線粒體劫持 (藍色) 增強了癌細胞代謝，同時損害了T細胞活化 (即 CD69)、增殖和效應物功能，從而限制了癌癥免疫治療的療效 (αPD1)。

b. L-778123 抑制納米管形成，可防止線粒體“盜竊”，從而增強免疫檢查點抑制劑引發的抗腫瘤 T 細胞免疫反應。

03
T 細胞“充電”！

線粒體的丟失和功能障礙導致 T 細胞衰竭，這使 T 細胞免疫療法成功的主要障礙。不過，近期，研究人員發現，骨髓基質細胞 (BMSC) 與 T 細胞也可建立納米管連接，并利用其將基質細胞線粒體移植到 CD8⁺ T 細胞中，變身“超·強 T 細胞”！

免疫細胞：納米管，我也可以！

相似地，研究人員對人類/小鼠 BMSC 和物種匹配的 CD8⁺ T 細胞進行了共培養研究。24 h 后固定細胞并使用場發射掃描電子顯微鏡 (FESEM) 檢查，發現復雜的納米管結構在人類/小鼠 BMSC 和 CD8⁺ T 細胞中存在物理連接 (圖 4)。

圖 5. FESEM 圖像顯示人類 (a 和 b) 和小鼠 (c 和 d) 共培養物中 BMSCs 和 CD8⁺ T 細胞之間的納米管 (黃色箭頭)^[4]。

從 BMSC 運輸線粒體到 CD8⁺ T 細胞

為了確定線粒體是否確實在納米管內從 BMSC 運輸到 CD8⁺ T 細胞，作者使用 dsRed (紅色熒光蛋白) 標記 BMSC 的線粒體亞基蛋白 (COX8A)(稱為 Mito-dsRed)，并使用共聚焦顯微鏡觀察 BMSC 與 CD8⁺ T 細胞的共培養。共培養 24 h 后，觀察到部分人類和小鼠的 CD8⁺ T 細胞中均獲得了 dsRed 紅色熒光信號 (圖 5)。表明納米管內部出現線粒體轉移 (紅色箭頭)。

圖 6. 細胞間納米管介導線粒體從 BMSC 運輸到 CD8⁺ T 細胞^[4]。

同時，使用 Phalloidin Green (鬼筆環肽，綠色熒光) 和 DAPI 染色。納米管內 DAPI 和 dsRed 信號的共定位 (圖 5a) 表明完整的線粒體從 BMSCs 運輸到 CD8⁺ T 細胞。

也就是說，癌細胞雖然可通過納米管“偷走”T細胞的線粒體，但免疫細胞也為自己開辟了一條“充電通道”：通過納米管介導小鼠和人類細胞中線粒體從 BMSC 到 CD8⁺ T 細胞的細胞間運輸。

T 細胞："變身"超·強 T 細胞

線粒體的一項關鍵任務是產生能量，主要通過有氧呼吸。研究人員進一步評估了供體線粒體對 CD8⁺ T 細胞呼吸的影響。發現 BMSC 線粒體移植增強了 CD8⁺ T 細胞代謝適應性，表現出明顯更高的基礎呼吸和備用呼吸能力 (SCR)。

此外，線粒體轉移增強 CD8⁺ T 細胞對實體腫瘤的抗腫瘤免疫力。轉移的線粒體賦予了更強的細胞植入和擴增，能有效地浸潤腫瘤，介導更強勁的腫瘤消退，顯著延長了小鼠的生存期。同時賦予了 T 細胞對衰竭的抵抗力，并促進了向強效的細胞毒性效應細胞的分化。

更重要的是！線粒體轉移帶來的優勢能夠長期維持并跨越連續分裂。也就是說，這些“超·強 T 細胞”獲得的線粒體可以重復分裂傳遞給子細胞。在轉移過程發生 1 個月后，“超·強 T 細胞”仍然擁有更多的線粒體。
04
小結

癌細胞與免疫細胞之間的“對決”始終沒有結束，腫瘤免疫治療仍有許多待開發之處，納米管介導的線粒體轉移也再次證明了線粒體的重要作用。希望這兩篇高分文獻能夠給大家帶來新的啟發~

參考詳情：
[1] Wang DR, et al. Therapeutic targets and biomarkers of tumor immunotherapy: response versus non-response. Signal Transduct Target Ther. 2022 Sep 19;7(1):331. 

[2] Saha T, et al. Intercellular nanotubes mediate mitochondrial trafficking between cancer and immune cells. Nat Nanotechnol. 2022 Jan;17(1):98-106. 
[3] Baldwin JG, et al. Cancer cells hijack T-cell mitochondria. Nat Nanotechnol. 2022 Jan;17(1):3-4.    
[4] Baldwin JG, et al. Intercellular nanotube-mediated mitochondrial transfer enhances T cell metabolic fitness and antitumor efficacy. Cell. 2024 Nov 14;187(23):6614-6630.e21.