综述：工程化线粒体治疗疾病：从机制到临床应用的突破

为解决线粒体疾病治疗难题，研究人员开展工程化线粒体研究，成果为相关疾病治疗带来新希望。

　　线粒体，这个在细胞中默默发挥关键作用的 “能量工厂”，一直以来都是生命科学领域的研究热点。它不仅为细胞活动提供能量，还参与众多重要的生理过程，如物质代谢、信号传导等。然而，当线粒体出现问题时，一系列棘手的疾病便会接踵而至。线粒体疾病作为一类常见且危害极大的遗传性疾病，具有显著的遗传、生物学和临床异质性，给患者和家庭带来了沉重的负担。而且，受损线粒体在衰老、氧化应激紊乱、炎症性疾病以及癌症等多种病症中也扮演着 “帮凶” 的角色，使得这些疾病的治疗更加困难。目前，针对线粒体疾病的治疗手段十分有限，传统疗法往往难以从根本上解决问题，患者急需更有效的治疗方案。

在这样的背景下，四川大学华西医院骨科的研究人员开展了关于工程化线粒体（Engineered Mitochondria）的研究。他们的研究成果发表在《Signal Transduction and Targeted Therapy》上，为线粒体疾病及相关疾病的治疗开辟了新的道路。

研究人员主要运用了线粒体基因编辑和人工线粒体转移两大关键技术。线粒体基因编辑通过对线粒体 DNA（mtDNA）或线粒体 RNA（mtRNA）进行精准操控，实现对线粒体基因缺陷的纠正；人工线粒体转移则是将健康的线粒体移植到受损细胞中，替代功能异常的线粒体，从而恢复细胞的正常功能。研究人员借助这些技术，在多种疾病的治疗研究中取得了令人瞩目的成果。

线粒体基因编辑的机制与进展

线粒体的转录和翻译过程十分复杂。人类线粒体基因组是一个环状双链 DNA 分子，编码 2 种核糖体 RNA、22 种转运 RNA 和 13 种参与线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）的蛋白质。整个线粒体基因组从两条链转录，产生大量多顺反子转录本，这些转录本需经过多个加工步骤才能形成有功能的 RNA。mtDNA 工程针对 mtDNA 突变导致的疾病，开发了多种策略。比如利用抗复制剂，像肽核酸寡聚体（PNAs）等，通过与突变位点退火来破坏致病 mtDNA 的复制，但目前在细胞培养和分离线粒体实验中效果尚未达到理想状态。可编程核酸酶则是通过特异性切割 mtDNA 突变位点，降解致病 mtDNA，实现异质性转换，像 mitoREs、mitoZFNs、mitoTALENs 和 mitoARCUS 等工具都在不同程度上发挥了作用。其中，mitoREs 能有效消除致病 mtDNA，但序列局限性较大；mitoZFNs 和 mitoTALENs 克服了部分限制，但存在包装困难等问题；mitoARCUS 可靶向几乎任何碱基序列，在动物模型中取得了较好效果。mtDNA 碱基编辑器，如 DdCBEs、TALEDs 和 ZFDs，能实现精确的碱基编辑，为研究线粒体疾病提供了有力工具，不过它们也各自存在一些局限性，如靶向范围有限、脱靶效应等。mtRNA 工程则通过核酸工具和蛋白质工具来调节 mtRNA 的表达，如利用反义寡核苷酸（ASOs）、RNA 干扰（RNAi）等技术，以及人工位点特异性 RNA 内切酶（ASREs）等蛋白质工具，对线粒体疾病的治疗也展现出了一定的潜力。

人工线粒体转移的机制与进展

在正常生理和疾病状态下，线粒体转移现象广泛存在。它可以发生在不同细胞、组织类型甚至物种之间，对维持组织稳态和细胞功能至关重要。在神经系统中，线粒体转移呈现多向性，神经元既可以是供体也可以是受体；在干细胞相关研究中，干细胞能为靶细胞提供功能性线粒体，甚至影响细胞的分化；在癌症方面，线粒体转移与肿瘤的发展和耐药性密切相关，但具体机制尚不完全清楚。为了实现人工线粒体转移，研究人员开发了多种技术。线粒体成像技术，如荧光染料标记和 mtDNA 测序，可用于在体外和体内观察线粒体的运输；线粒体转移技术则包括物理方法和表面修饰及递送载体方法。物理方法，如微注射、磁控线粒体转移等，虽然操作较为精确，但在体内应用存在一定困难；表面修饰及递送载体方法，如利用细胞外囊泡、阳离子聚合物等，能够增强线粒体的稳定性和内化效率，提高人工线粒体转移的效果。此外，研究人员还尝试构建人工线粒体，为未来的治疗提供了新的思路。

工程化线粒体在疾病治疗中的应用

在疾病治疗应用方面，基因编辑的线粒体展现出了良好的前景。针对线粒体疾病的核基因组编辑，在多种疾病的临床前研究中取得了显著进展。例如，在乙基丙二酸脑病（EE）的研究中，通过向 Eth1 KO 小鼠注射携带人类 hETHE1 cDNA 的 ssAAV2/8 载体，显著改善了症状；在 Leigh 综合征的研究中，向 Ndufs4-KO 成年小鼠静脉注射 AAV-PHP，延长了小鼠的生存时间。线粒体基因组编辑也在不断发展，可编程核酸酶和碱基编辑器在动物模型中有效纠正了 mtDNA 突变，改善了疾病症状。人工线粒体转移在临床前和临床研究中也有诸多应用。在临床前研究中，通过向多种动物模型的不同组织和器官注射线粒体，观察到了对多种疾病的治疗效果，如改善心肌缺血、促进神经功能恢复等。在临床研究中，已有一些初步尝试，如向儿童患者注射自体非缺血性骨骼肌来源的线粒体，帮助部分患者脱离了体外膜肺氧合（ECMO）辅助；向患有单一大规模线粒体 DNA 缺失综合征（SLSMD）的患者静脉输注增强的造血干细胞，提高了患者外周血细胞中的 mtDNA 含量。

研究结论与展望

总的来说，这项研究全面深入地阐述了工程化线粒体在疾病治疗中的机制、策略和应用。研究成果为线粒体疾病及相关疾病的治疗提供了新的理论依据和技术手段，有望改善患者的生活质量，延长患者的生命。然而，目前工程化线粒体治疗仍面临一些挑战，如线粒体基因编辑的体内递送和脱靶效应，以及人工线粒体转移的适用范围等问题。未来，需要进一步优化技术，开发更高效、安全的治疗方法。例如，研发更精准的靶向递送系统，提高线粒体基因编辑的准确性；深入研究线粒体转移的机制，拓展人工线粒体转移的应用范围。相信随着技术的不断进步，工程化线粒体在临床治疗中的应用前景将更加广阔，为更多患者带来康复的希望。