综述：间充质干细胞应用于治疗神经退行性疾病中线粒体损伤的研究

《Cellular and Molecular Neurobiology》：Research on the Application of Mesenchymal Stem Cells for Addressing Mitochondrial Damage in Neurodegenerative Diseases

本综述系统探讨了间充质干细胞（MSCs）通过调控线粒体损伤治疗神经退行性疾病（NDs）的潜力。文章深入阐述了阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）等NDs中线粒体动力学失衡、能量代谢紊乱、氧化应激及神经炎症的核心机制，并总结了MSCs及其外泌体（MSC-Exos）通过线粒体转移、调节自噬、抗氧化及免疫调节等多途径发挥治疗作用的进展与挑战，为NDs的细胞治疗提供了新视角。

　　

引言

神经退行性疾病（NDs）是一组以神经元及其髓鞘丢失为特征的神经系统疾病，伴随进行性功能衰退。常见的NDs包括阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、亨廷顿病（HD）和肌萎缩侧索硬化症（ALS）。流行病学数据显示，AD病例已报告达3200万例，预计到2050年，全球将有2520万人受PD困扰。NDs的复杂发病机制涉及多种机制，如氧化应激、线粒体功能障碍、兴奋性毒性和免疫炎症。作为能量工厂和动态信号枢纽，线粒体通过调节免疫代谢、程序性细胞死亡、细胞器动态稳态和神经免疫微环境等途径，在维持神经稳态中发挥关键作用。受损的线粒体能量代谢、氧化应激失衡、钙稳态紊乱和线粒体动力学障碍在NDs中扮演关键角色。

目前，AD、PD和HD患者主要依靠药物改善症状、延缓疾病进展。这些传统药物靶向单一通路，难以破坏复杂的病理网络。血脑屏障限制了药物递送，单一疗法无法改善免疫微环境，从而加剧了加速疾病进展的调节失衡。线粒体功能障碍和能量代谢缺陷仍未得到充分解决。

如图1所示，间充质干细胞（MSCs）广泛分布于人体，包括骨髓、脐带、羊膜、脂肪组织、皮肤和牙髓等，因其具有多向分化、促进神经元修复和调节神经免疫微环境的能力，在改善神经元存活和功能方面显示出巨大潜力。MSCs及其分泌的外泌体通过多靶点协同效应、旁分泌作用以及穿越血脑屏障的能力，为NDs提供了更优的选择。其中，骨髓间充质干细胞（BM-MSCs）高表达血管内皮生长因子，具有高线粒体转移效率，主要用于AD和血管疾病研究；脐带间充质干细胞（UC-MSCs）具有低免疫原性和强大多向分化潜能，能够改善AD模型中的突触功能；脂肪来源的间充质基质细胞（AD-MSCs）表现出显著的神经保护作用和高效的外泌体递送能力，能在PD模型中减少α-突触核蛋白（α-Syn）聚集，同时在AD模型中抑制Aβ沉积和tau蛋白磷酸化。牙髓干细胞（DPSCs）具有高神经源性潜能，可分化为神经元和少突胶质细胞，促进PD模型中多巴胺能神经元的存活。此外，DPSCs来源于智齿，获取方便，伦理问题少，适合个性化治疗，但研究仍处于动物实验阶段。

与传统的直接注射MSCs相比，现有研究证实，新型递送技术和细胞功能优化策略能显著克服治疗瓶颈：在递送层面，纳米载体系统已应用于多种NDs治疗的药物研究。这些系统同时实现MSCs的保护和靶向增强，显著提高了归巢特异性，减少了在肺等非靶器官的滞留，并提高了移植存活率。抗体介导的靶向利用抗体与肿瘤或受损组织表面抗原的特异性结合，增强MSCs的靶向性和富集，以延缓生长并延长存活时间；仿生递送载体平衡了MSCs的保护和功能维持。例如，藻酸盐微胶囊包裹的MSCs可屏蔽宿主免疫攻击，并在炎症微环境中存活超过三周。总体而言，这些技术推动MSCs从被动移植走向精准导航。在细胞功能优化方面，低氧或抗炎药物预处理可激活MSCs的内在保护机制，而基因编辑则精确修饰其耐受性和治疗活性。这两种方法均能提高MSCs的存活率和旁分泌效应，进一步放大治疗效果。研究表明，线粒体在MSCs治疗中处于核心地位，包括在MSCs促进神经再生过程中调节从糖酵解到氧化磷酸化的代谢重编程。线粒体还通过调节VEGF、FGF和炎症因子的分泌参与旁分泌作用，并为MSCs创造有利于神经修复的免疫抑制微环境。

神经退行性疾病中线粒体损伤的关键机制

线粒体动力学失衡

线粒体分裂与融合之间的动态平衡是维持神经元功能的基础。在NDs中，病理性蛋白如β-淀粉样蛋白（Aβ）、α-突触核蛋白（α-Syn）和突变亨廷顿蛋白（mtHTT）通过调控动力学相关蛋白破坏线粒体形态。具体而言，线粒体融合蛋白2（Mfn2）是一种定位于线粒体外膜的GTP酶，可通过寡聚化介导线粒体膜融合，维持神经元内线粒体网络的连续性。然而，在AD中，Aβ寡聚体与Mfn2的特定结构域结合，抑制其GTP酶活性并下调Mfn2的表达，导致线粒体融合减少、分裂增加和线粒体碎片化。在AD动物模型中，增加Mfn2表达可改善线粒体形态和突触功能。此外，近期研究表明TRABD蛋白与Mfn2相互作用，其过表达可模拟Aβ介导的线粒体碎片化，进一步验证了Aβ-Mfn2通路的病理意义。作为线粒体质量控制的核心蛋白，PINK1（PTEN诱导推定激酶1）通过磷酸化分裂蛋白Drp1（动力相关蛋白1）来抑制其过度激活，以维持动态平衡。然而，在PD中，异常聚集的α-Syn与PINK1相互作用，并通过泛素化降解途径降低PINK1水平，导致Drp1磷酸化减少、活性增加，最终引发过度线粒体分裂。近期研究揭示，PINK1通过其N端结构域与线粒体膜结合并形成多聚体以激活下游信号，而α-Syn的结合直接阻断了这一过程。在PD的神经元和细胞模型中，α-Syn过表达被证明可降低PINK1水平并加剧线粒体碎片化，而抑制α-Syn降解或补充PINK1则能有效减轻线粒体损伤。此外，对人和小鼠PD脑组织的研究表明，Drp1的上调以及其他分裂/融合蛋白的改变导致了线粒体的促分裂表型。在HD中，mtHTT导致Drp1过度激活，使线粒体异常裂解为片段。相比之下，使用Drp1抑制剂可显著减少HD细胞中的线粒体碎片化。临床研究也显示，与健康对照相比，HD患者线粒体动力学显著失调，表明分裂和融合过程可能均受损。在ALS中，超氧化物歧化酶1（SOD1）通过磷酸化Drp1异常增强线粒体分裂活性，导致线粒体碎片化水平远高于正常。

Aβ、α-Syn、mtHTT和SOD1等病理相关蛋白的作用途径不同，但都通过靶向Mfn2、PINK1和Drp1等关键调控蛋白触发线粒体形态紊乱，导致线粒体碎片化增加。迄今为止，研究多局限于单一致病蛋白与线粒体动力学的关系，缺乏对多种蛋白协同致病机制的系统分析。此外，从动物模型和细胞实验到临床的转化效率低，针对异常线粒体动力学的靶向治疗策略尚未取得突破。

能量代谢紊乱

线粒体动力学失衡进一步引发呼吸链功能障碍，导致ATP产生减少。这种能量代谢紊乱涉及不同NDs中的特定致病通路。在AD中，Aβ寡聚体直接与线粒体呼吸链复合物IV结合，抑制酶活性，降低ATP生产效率。在5xFAD小鼠模型中，海马神经元Aβ沉积区域的线粒体膜电位和ATP水平显著降低。其次，Aβ通过下调葡萄糖转运蛋白3（GLUT3）的线粒体定位，阻断丙酮酸向线粒体的转运，导致三羧酸循环受损。在PD中，病理性α-Syn寡聚体与线粒体呼吸链复合物I的亚基结合，导致电子传递链中断，并在氧化应激下产生一组生物能量受损的线粒体。在PD患者的黑质多巴胺能神经元中，复合物I活性较健康对照降低，复合物I的破坏可诱导进行性帕金森综合征。在过表达α-Syn的SH-SY5Y细胞模型中，线粒体自噬流减少，伴随线粒体膜电位去极化和ATP耗竭，而PINK1已被证明可拮抗α-Syn诱导的复合物I活性降低。此外，α-Syn破坏线粒体钙单向转运体的调节，引发钙超载并激活线粒体通透性转换孔，进一步加剧能量代谢崩溃。在HD中，mtHTT通过异常调节线粒体基因组致病，它与线粒体转录因子A（TFAM）结合，阻断TFAM对mtDNA的保护和转录激活作用，导致ATP产生受损和复合物酶活性降低。在HD患者的纹状体神经元中，mtDNA编码的呼吸链亚基如细胞色素C氧化酶I（COX1）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（ND1）等表达显著降低，直接导致复合物I减少和复合物IV组装缺陷。在ALS中，TAR DNA结合蛋白-43（TDP-43）通过泛素化介导的PINK1降解抑制线粒体自噬流，导致细胞内碎片化线粒体异常积累，进而间接加剧能量代谢紊乱。

尽管Aβ、α-Syn、mtHTT和TDP-43等病理蛋白通过抑制呼吸链复合物活性、干扰线粒体代谢底物转运、破坏线粒体基因组调控和阻碍线粒体自噬等方式显著降低ATP产生并加速神经元衰退，但当前研究仍集中于单一蛋白对ATP产生的直接抑制。大多数研究关注单一致病蛋白对能量代谢的直接影响，缺乏对不同蛋白协同干扰能量代谢网络机制的系统认识。

氧化应激

能量代谢受损伴随线粒体活性氧（mtROS）爆发共同构成NDs的核心病理方面。在正常生理条件下，mtROS由线粒体氧化磷酸化系统电子传递链的电子泄漏产生，但可通过超氧化物歧化酶等抗氧化系统维持稳态。当线粒体功能受损时，氧化磷酸化效率下降，导致ATP产生减少，同时电子传递链复合物活性降低加剧电子泄漏，触发mtROS快速累积。这种氧化应激在不同疾病中由特定机制驱动：在AD中，Aβ寡聚体通过抑制复合物IV活性、与Mfn2结合抑制线粒体融合以及激活烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶途径这三重机制诱导mtROS激增，形成氧化应激的恶性循环。在PD中，α-Syn通过抑制PINK1/Drp1通路触发线粒体碎片化，插入线粒体内膜破坏膜电位和Ca²⁺稳态，并抑制复合物I活性，从而破坏氧化还原稳态。在HD中，突变mtHTT通过抑制复合物II活性、干扰线粒体钙转运体功能以及下调SOD2表达诱导mtROS爆发。ALS相关的突变SOD1通过隔离自噬受体optineurin阻断线粒体自噬，研究表明，减少SOD1蛋白合成可治疗SOD1突变型ALS。

尽管线粒体“代谢-氧化应激”轴在NDs中被认为很重要，但对其与Aβ、α-Syn、mtHTT和TDP-43等病理蛋白相互作用的研究尚显不足，缺乏跨机制关联和转化医学瓶颈的探讨表明这些相互作用需要深入研究。

神经炎症

受损线粒体通过双重机制驱动神经炎症级联反应。一方面，释放损伤相关分子模式（DAMPs），如线粒体DNA（mtDNA）和氧化磷脂（oxPLs）。mtDNA被胞质传感器cGAS识别并激活cGAS/STING通路，诱导产生白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等促炎因子。在AD中，Aβ通过破坏线粒体膜稳定性促进mtDNA释放，并激活小胶质细胞的cGAS/STING通路，加剧神经毒性炎症。在PD中，α-Syn通过抑制线粒体自噬导致mtDNA积累，通过NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）炎症小体依赖途径激活小胶质细胞并诱导促炎因子分泌；oxPLs通过与TLR4结合并激活核因子κB（NF-κB）通路触发胶质细胞活化。在HD中，突变mtHTT通过促进线粒体脂质过氧化生成oxPLs激活星形胶质细胞，加剧神经元死亡，两者协同放大炎症信号。另一方面，mtROS作为信号分子激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和NF-κB通路，形成“氧化应激-炎症”正反馈。在AD中，Aβ诱导的mtROS可诱导小胶质细胞释放TNF-α和白细胞介素-1β（IL-1β）等促炎因子，进一步损害神经元线粒体功能，最终导致NDs中线粒体-胶质细胞激活和炎症的恶性循环。在ALS中，突变SOD1和TDP-43蛋白被证明可干扰线粒体RNA结合蛋白的正常功能，导致mtRNA错位于细胞质，从而激活炎症信号通路，引发神经炎症毒性和炎症反应。

在NDs线粒体损伤的研究中，线粒体自噬（Mitophagy）异常起着关键作用。神经元具有高能量需求、高线粒体密度和有限再生能力的特点，其生存严重依赖功能性线粒体自噬。自噬功能障碍直接引发恶性循环：受损线粒体积累→加剧氧化应激→神经元死亡。正常情况下，线粒体自噬选择性清除膜电位和呼吸链功能受损的线粒体，防止促凋亡因子和活性氧的释放，从而维持线粒体质量稳态，保障神经元的能量供应。然而，在NDs中，线粒体自噬通路常被破坏：Parkin-PINK1通路缺陷直接导致PD中多巴胺能神经元死亡；在AD中，Aβ/tau病理双重抑制自噬，Aβ损害PINK1/Parkin活性，磷酸化tau（p-tau）干扰自噬受体结合，加剧神经炎症。此外，过量的ROS释放会触发ALS等疾病中的轴突变性。MSCs通过多种机制恢复神经元的线粒体自噬功能：首先，旁分泌效应——MSCs来源的外泌体携带可精确靶向自噬关键基因的miRNA，而分泌的细胞因子可激活上游自噬信号通路；其次，线粒体转移通过隧道纳米管（TNTs）或细胞融合将健康线粒体递送至神经元，直接替换受损线粒体并“重置”自噬平衡；第三，免疫调节抑制神经炎症并优化免疫微环境，减轻炎症对线粒体自噬的“外部抑制”。

NDs中线粒体损伤的关键机制是“动力学失衡-能量代谢受损-氧化应激-神经炎症”轴，它们形成恶性循环，如图2所示。迄今为止，大多数关于NDs线粒体损伤的研究集中于单一机制，并在单一机制研究中取得了显著进展。然而，机制间协同关系的碎片化、多种致病蛋白相互作用的缺失、临床转化的显著瓶颈以及跨疾病共同机制的整合不足，减缓了NDs线粒体损伤研究的进展。

MSCs治疗神经退行性疾病线粒体损伤的相关研究

阿尔茨海默病（AD）

在AD的病理过程中，Aβ沉积诱导线粒体功能障碍，加剧氧化应激，损害线粒体自噬通路并触发小胶质细胞过度活化。MSCs通过多种机制发挥神经保护作用。首先，其分泌的脂钙素激活AMPK/Nrf2通路，上调超氧化物歧化酶2（SOD2）和过氧化氢酶（CAT）的表达，显著减轻氧化损伤。其次，MSCs来源的分泌组能有效激活促生存和抗凋亡信号以改善组织神经元再生，其效果可与MSCs移植相媲美；特别是MSCs来源的外泌体（MSC-EVs）可通过递送抗氧化酶（如SOD2和GPx）以及关键线粒体成分（如TFAM和mtDNA）直接修复受损的线粒体结构和功能。在神经炎症调节层面，UC-MSCs外泌体携带的miR-146a可靶向抑制NLRP3和ASC，减少促炎细胞因子IL-1β和IL-18的释放，同时保护线粒体嵴结构。该机制已被证明能在5xFAD转基因小鼠模型中显著增加海马区线粒体嵴密度。

MSCs可形成隧道纳米管（TNTs）并将线粒体等成分转移至靶细胞。细胞间线粒体转移的机制包括TNTs、细胞外囊泡（EVs）和直接线粒体摄取。TNTs适用于局部精准修复，细胞外囊泡（EVs）适合长距离多效应治疗，而直接线粒体摄取作为一种紧急补充方式。TNTs形成依赖于F-肌动蛋白细胞骨架的动态膜连接，通过与微管马达蛋白Miro1相互作用实现活性线粒体运输，具有高效率、强特异性和调节灵活性。细胞外囊泡是直径30至1000纳米的双层膜囊泡，包括30-150纳米的外泌体和100-1000纳米的微囊泡，在穿越血脑屏障、实现长距离递送以及协同转移抗氧化酶/miRNA进行线粒体修复方面具有优势，但转移效率较低。直接线粒体摄取涉及受体细胞被动捕获游离线粒体，使其易被降解。

线粒体转移机制进一步拓展了MSCs的治疗潜力，它们可通过TNTs或EVs将健康线粒体转移至受损神经元，直接修复能量代谢缺陷。来自DPSCs的线粒体转移可增强神经元增殖，减少氧化应激，并减轻特征性的Aβ和tau蛋白聚集。MSC-Exos通过PI3K/Akt/mTOR通路调节凋亡信号通路，减轻神经元死亡。褪黑素可通过促进MSCs形成TNTs来增强神经元修复，而过表达Rho GTPase Miro1可通过促进MSCs介导的TNT线粒体转移改善受损神经元的代谢功能。值得注意的是，TNTs不仅是线粒体运输的通道，还介导衰老标志物向MSCs的细胞间传递。在分子损伤修复层面，MSC-EVs可通过稳定mtDNA减轻线粒体损伤和炎症。在AD细胞模型中，MSC-EV介导的线粒体转移有效改善了细胞线粒体功能障碍并抑制了凋亡。此外，MSCs通过减少mtROS产生抑制NLRP3炎症小体激活，从而在氧化应激和神经炎症的交叉调节中发挥双重作用。自噬调节机制已成为研究热点，有研究表明MSCs通过调节BECN1表达和增强自噬溶酶体形成直接调节神经元存活并促进Aβ清除。近年来，CRISPR/Cas9基因编辑技术与MSCs及MSC-EVs的联合应用，为克服传统细胞疗法移植物存活率低、免疫排斥风险等局限性提供了创新解决方案，MSCs相关研究正迈向精准医学。尽管已有大量研究探讨MSCs在AD中的细胞因子旁分泌和外泌体释放进行线粒体转移，但其具体机制仍不清楚。关键挑战包括细胞因子与线粒体之间是否存在双向调节、不同来源MSCs分泌的外泌体成分差异以及临床转化的局限性。

帕金森病（PD）

在PD发病机制研究中，MSCs及其分泌的外泌体（MSC-Exos）通过多靶点调控显示出显著的神经保护潜力。MSCs来源的EVs通过调节氧化应激和自噬，减轻6-羟基多巴胺（6-OHDA）诱导的PD模型中的神经元损伤。在线粒体自噬调节机制方面，苯扎贝特预处理的MSCs通过过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）/过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）信号通路上调PINK1/Parkin蛋白表达；在MPTP诱导的PD小鼠中，该干预减少了纹状体线粒体碎片化并增强了泛素化线粒体的清除率。MSC-Exos在减轻氧化应激方面的神经保护作用与抗氧化酶递送和线粒体结构修复密切相关。例如，在PD细胞模型中，嗅粘膜MSCs来源的外泌体通过携带长链非编码RNA A2M-AS1（其与IGF2BP1蛋白特异性结合）调节TP53INP1介导的线粒体自噬通路，有效减轻α-突触核蛋白聚集诱导的线粒体功能障碍和氧化损伤。在6-OHDA诱导的SH-SY5Y细胞模型中，脑源性神经营养因子（BDNF）修饰的外泌体通过激活Nrf2信号通路，增强细胞内抗氧化防御系统活性，抑制铁死亡和凋亡的发生。在抑制神经炎症机制方面，MSCs可通过减少mtROS产生并抑制NLRP3炎症小体激活，显著减少PD模型黑质纹状体多巴胺能神经元的丢失和凋亡，从而减少促炎细胞因子释放，并通过上调纹状体多巴胺水平改善PD细胞模型的行为异常。此外，从MSCs分离的线粒体移植在PD动物模型中已证明具有神经保护作用并改善行为缺陷。虽然大量研究表明预处理MSCs可增强疗效，但预处理的调控及其潜在风险常被忽视。此外，预处理MSCs存在的个体差异性也值得考虑。

亨廷顿病（HD）和肌萎缩侧索硬化症（ALS）

MSCs及其分泌的外泌体在HD和ALS中的价值正受到广泛关注。在HD大鼠模型中，观察到人脐带基质干细胞可逆转氧化应激诱导的细胞死亡，改善运动功能障碍并延缓纹状体萎缩过程。基因工程技术的应用进一步拓展了MSCs的治疗潜力。过表达BDNF的MSCs通过增强神经元存活信号通路，显著改善了HD小鼠模型的行为异常和病理损伤。此外，双侧纹状体移植人嗅干细胞改善了HD大鼠模型的运动功能，预防了坏死性凋亡诱导的细胞死亡并改善了纹状体体积。

与HD相比，MSCs通过线粒体相关机制治疗ALS的作用研究仍处于探索阶段，但初步证据显示其具有明确的神经保护潜力。人源MSC-EVs可通过递送抗氧化酶、线粒体相关蛋白或微小RNA，直接保护小鼠ALS运动神经元免受氧化损伤和凋亡。尽管线粒体转运和自噬调节的具体机制尚未完全阐明，但临床试验已证明，静脉或鞘内注射MSCs治疗ALS安全性良好，并能诱导血管内皮生长因子（VEGF）和胰岛素样生长因子-1（IGF-1）等神经营养因子持续高表达，为运动神经元提供支持性微环境。

与AD和PD相比，MSCs通过线粒体转移治疗HD和ALS的研究仍然有限，机制尚未完全阐明。目前尚不清楚MSCs是否能直接靶向并调节mHTT聚集和降解以改善HD患者的线粒体损伤。此外，在ALS中，MSCs