基于线粒体异常的乳腺癌治疗新策略：线粒体移植

马亮亮 孙力超

作者单位：100021 北京 国家癌症中心，国家肿瘤临床医学研究中心，中国医学科学院，北京协和医学院肿瘤医院分子肿瘤学国家重点实验室

2020年最新研究数据显示，乳腺癌超过了肺癌成为全球女性最常见的癌症，中国女性乳腺癌发病率高且呈上升趋势，占全球乳腺癌死亡率的18%［1］。乳腺癌的治疗方案包括手术治疗、放疗和药物治疗，早期浸润性乳腺癌和导管原位癌通常以手术切除为主［2］，放疗可作为手术后降低复发风险的一种辅助治疗［3］。药物治疗用于乳腺癌的全身疗法［4］，治疗方案取决于乳腺癌的分子分型。大约70%的乳腺癌患者表现为雌激素受体（estrogen receptor，ER）阳性或孕激素受体（progenstogen receptor，PR）阳性，常用激素治疗［5］；人表皮生长因子受体2（human epidermal growth factor receptor 2，HER2）过表达的患者占15%～20%，常用曲妥珠单抗治疗［6-7］；三阴性乳腺癌（triple-negative breast cancer，TNBC）尚缺乏靶向治疗方法，传统化疗仍是唯一的治疗选择［8］。乳腺癌治疗失败往往与固有或获得性耐药相关［9］，因此寻找新的乳腺癌治疗方式，降低患者耐药性，是乳腺癌治疗亟需解决的难题。

WARBURG［10］首次报道了线粒体在细胞癌变过程中的潜在作用，揭示了线粒体缺陷可能是肿瘤的特征之一。目前已在乳腺癌［11］、肝癌［12］、胃癌［13］中发现线粒体形态和功能的异常。因此，逆转线粒体代谢异常可能是癌症治疗的潜在方法［14-15］。近年来，线粒体移植作为一种治疗线粒体疾病的创新策略受到越来越多的关注，其目的是将功能正常的外源性线粒体转移到线粒体缺陷细胞中，从而促进ATP 的产生，帮助细胞自我修复［16］。本文综述了乳腺癌中线粒体异常和线粒体移植治疗策略，为线粒体移植疗法成为乳腺癌临床治疗方案的选择提供依据。

1 线粒体异常对乳腺癌的作用

1.1 线粒体形态和氧化磷酸化异常

最初，SPRINGER［17］通过电子显微镜观察了乳腺癌中的线粒体形态，发现肿瘤细胞的线粒体具有多形性，线粒体表现出肿胀、外膜屈曲、嵴结构紊乱、嵴与线粒体长轴平行、基质髓鞘样、基质空泡和形状扭曲等特征。随后，越来越多的研究发现乳腺癌细胞系出现线粒体形态肿胀、扭曲、嵴数量减少及结构紊乱的现象，伴有基质空泡化和嵴排列方向与线粒体长轴平行的变化［18-19］。另外，有研究报道乳腺癌细胞产生ATP 的能量代谢方式因细胞类型而异，如KAMADA等［20］发现在MCF-7（ER和PR阳性）、SKBR3（HER2阳性）和MDA-MB-231（TNBC）乳腺癌细胞系中，25%的MCF-7、50%的SKBR3 和75%的MDA-MB-231 细胞依赖糖酵解产生ATP，这表明依赖糖酵解产生ATP 的程度在乳腺癌不同分子亚型之间有所不同。还有研究发现在TNBC 中参与氧化磷酸化的核编码基因下调［21］。这些证据表明在乳腺癌中线粒体形态和氧化磷酸化功能存在异常。

1.2 线粒体DNA突变

线粒体DNA 由于缺乏组蛋白的保护和切除大片段DNA 损伤的核苷酸切除修复（nucleotide excision repair，NER）机制，并且靠近电子传递链，容易受到氧自由基的攻击进而发生突变［22-24］。线粒体DNA 突变可能会造成线粒体氧化磷酸化功能缺陷，导致活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生增加，进而促进肿瘤发生［25-26］。由于线粒体DNA 缺乏内含子，因此大多数突变发生在编码区，这会造成编码呼吸链蛋白的基因功能异常，导致线粒体ROS的产生和氧化还原状态发生改变，这些变化会触发促癌基因的激活和抑癌基因的失活，引发细胞增殖失控，从而加速癌症的发生［27-28］。目前，在乳腺癌中已经检测到线粒体DNA 体细胞突变，如JAHANI 等［29］在53 例乳腺癌患者组织中的线粒体DNA 测序数据中发现A10398G 突变最为常见，提示线粒体A10398G突变在乳腺癌中发挥一定作用。另外，LI 等［30］在83 例乳腺癌患者组织中的线粒体DNA测序数据中发现RNR2-2463 indelA、COX1-6296 C＞A、COX1-6298 indelT、ATP6-8860 A＞G、ND5-13327 indelA 等5种突变可能是乳腺癌发生的风险因素，并可能对乳腺癌治疗起到指导作用。还有研究对乳头抽吸液进行检测，发现线粒体DNA 的204、207 和16293 碱基位点发生突变，这些突变被认为是乳腺癌的一种指征，并且提出将线粒体DNA D-loop区域的突变作为乳腺癌的独立预后标志物［31-32］。在原发性乳腺癌中，线粒体DNA 变异大多数是单核苷酸变异，而不是小的插入或缺失［33-34］。此外，线粒体DNA变异分布在整个线粒体基因组中，并且在不同乳腺癌患者之间表现出显著异质性［35］。综上所述，线粒体DNA 位置特殊，基因结构紧密，易受突变影响，并且修复机制有限，被认为与乳腺癌的发生有关。

1.3 线粒体动力学异常

线粒体是一种动态的细胞器，通过融合和裂变调节大小、数量和形态。线粒体融合由3 种GTPases 蛋白介导：mitofusin 1（Mfn1），mitofusin 2（Mfn2）和视神经萎缩蛋白1（optic atrophy 1，OPA1），线粒体裂变受动力相关蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）调控［36］。越来越多的证据表明，肿瘤细胞通过改变线粒体动力学以获得增殖和生存优势［37］。例如，在乳腺癌［38］、肺癌［39］和胶质母细胞瘤［40］等癌症组织中可观察到碎片化的线粒体。还有研究报道线粒体融合增加与肿瘤细胞化疗耐药存在直接关联［37，41］。CHEN 等［42］研究发现线粒体裂变在TNBC 临床样本中显著增加，并与TNBC 患者较差的生存率相关；WEINER-GORZEL 等［43］研究发现与癌旁正常组织相比较，TNBC 肿瘤样本中显示线粒体裂变蛋白Drp1 上调和线粒体融合蛋白Mfn1下调，表明在TNBC 中存在线粒体动力学失衡的情况，这可导致线粒体碎片化程度增加，且与TNBC的高侵袭性有关。另外，大约70%的TNBC 患者存在PI3K/AKT/mTOR 信号通路异常激活，且异常激活的通路可导致线粒体裂变增加，并保护肿瘤细胞免受凋亡［44］。在人浸润性乳腺癌组织和转移的淋巴结中发现线粒体裂变蛋白Drp1 表达显著上调，通过沉默Drp1 或过表达线粒体融合蛋白Mfn1可以抑制乳腺癌细胞的转移能力［38］。以上研究结果说明线粒体动力学异常失衡可能导致乳腺癌细胞增殖、侵袭和转移。

1.4 线粒体的逆行信号

线粒体也可以逆向调控核内基因的表达而调控生命活动，这个过程被称为逆行信号传导［45］。线粒体逆行信号传导通路参与并影响肿瘤发生发展。JIANG等［46］发现线粒体中的单链DNA 结合蛋白1（single stranded DNA binding protein 1，SSBP1）在TNBC 中下调，促进了TNBC 细胞在体外和体内的转移。在机制上，SSBP1 的缺失降低了线粒体DNA 拷贝数，增强了钙调磷酸酶介导的线粒体逆行信号，从而诱导c-Rel/p50 核定位，激活TGFβ 启动子活性，最终引发由TGFβ 驱动的上皮-间质转化。SUN 等［47］发现线粒体跨膜蛋白TMEM126A 缺失可能通过调控线粒体逆行信号传导，诱导线粒体ROS的产生增多和线粒体膜电位去极化，促进上皮-间质转化，增强乳腺癌转移特性。另外，miR-663介导线粒体-细胞核的逆行信号并受ROS调控，随着线粒体ROS生成量的增多，miR-663的表达水平随之降低，进而加速小鼠体内乳腺癌的发展［48］。由此可知，线粒体功能障碍可能通过触发逆行信号通路促进乳腺癌的形成和进展。

2 线粒体移植在乳腺癌中的治疗策略

最初，研究者发现细胞间是通过转移完整的线粒体，而不是单纯的线粒体DNA 来帮助受体细胞改善线粒体功能［49-50］。基于此，研究人员提出了将整个线粒体直接移植到病变部位中，以探索外源性线粒体的拯救作用。1982 年，CLARK 和SHAY［51］提取了纯化的包含抗生素抗性基因的线粒体，然后将纯化的线粒体与抗生素敏感细胞混合，发现线粒体被细胞内化，从而提高了细胞抵抗抗生素能力。接着，ALI POUR等［52］发现外源线粒体与心肌细胞共孵育可在短期内显著改善受体细胞线粒体呼吸作用。TEITELL 团队［53］将具有抗氯霉素的线粒体移植到对氯霉素敏感并缺乏线粒体DNA 的小鼠杂交细胞中，结果发现受体细胞保留了含有抗氯霉素的线粒体，并且改进了受体细胞呼吸功能；同时该团队发明了将线粒体永久转移到受体细胞并形成具有独特线粒体DNA-细胞核DNA 组合的Mitopunch 技术［54］。该技术可以在细胞无损的情况下，将线粒体精确地从供体细胞转移到受体细胞中，产生具有所需线粒体DNA序列的细胞。

除在体外实验中观察到线粒体转移外，还可以将线粒体直接注射到生物体内。例如，DOULAMIS等［55］将肌肉细胞的同种异体或自体线粒体注射到大鼠缺血再灌注损伤的心脏中，发现左心室功能恢复以及心肌梗塞面积减少。还有研究将自体线粒体注入猪模型的左冠状动脉口以修复心肌损伤［56］。另外，在大鼠模型中局部脑内或全身动脉内注射线粒体可显著减少脑梗死面积和神经元细胞死亡的数量［57］。目前线粒体移植采用共培养、肽标记、显微注射、直接注射和经血管输注等方法提高线粒体呼吸和移植效率［58-59］，见图1。在临床实践中，线粒体显微注射技术已经非常成熟，自体线粒体显微注射可以提高卵母细胞的质量，帮助妇女分娩，降低胎儿疾病的发生率［60］。由此可见，线粒体移植技术对治疗线粒体异常导致的疾病有重要的价值。

图1 线粒体移植方式Fig.1 Mitochondrial transplantation methods

越来越多的研究已经发现在乳腺癌细胞系中进行线粒体移植能够改善癌细胞的恶性表型和能量代谢方式。JIANG 等［61］发现人乳腺上皮细胞MCF-12A的线粒体可以进入人乳腺癌细胞MCF-7、T47D 和MDA-MB-231 中，并通过抑制癌细胞糖酵解和葡萄糖摄取能力抑制乳腺癌细胞增殖并增强其对紫杉醇的敏感性。CHANG 等［62］还发现来自健康个体的线粒体能够转运到乳腺癌细胞系MCF-7中，降低MCF-7细胞中线粒体裂变蛋白Drp1 的表达，促进线粒体的融合，形成管状线粒体网络，进而增强乳腺癌抗肿瘤活性。随后，该团队利用TNBC 小鼠模型比较单独线粒体移植以及与Pep-1肽结合的线粒体移植两种方式对移植效率的影响，结果发现移植与Pep-1 肽结合的线粒体可显著提高移植效率并显著抑制乳腺癌细胞的生长、促进肿瘤细胞坏死［63］。因此，单独的线粒体在组织中的穿透能力较弱，与Pep-1 肽结合的线粒体可以显著提高线粒体在特定病变细胞中的移植效率。综上所述，线粒体移植是一种有前途的乳腺癌治疗策略，可能在乳腺癌临床治疗中发挥重要作用。

3 小结与展望

线粒体功能的恢复取决于线粒体应激水平、自噬信号、生物发生、融合和裂变过程之间的复杂平衡。目前，已有较多线粒体移植的方法，但不同方法的移植效率各不相同，需要根据细胞或组织类型优化这些方法并开发更有效的细胞或组织特异性递送技术，以实现线粒体的精确靶向移植。此外，影响线粒体进入受体细胞的因素、线粒体如何逃离内体和溶酶体、哪些途径会影响外源性线粒体与细胞内线粒体融合以及线粒体移植之后如何逆行调节细胞核基因的表达等线粒体移植研究方向值得关注。为了在临床中开发基于线粒体治疗乳腺癌的策略，仍需进一步开展基础和临床研究以阐明乳腺癌中线粒体移植的时间区间和细胞表型改变的机制，以确定线粒体移植疗法在乳腺癌患者中的最佳移植时机和作用。