癌細(xì)胞通過線粒體轉(zhuǎn)移機(jī)制實(shí)現(xiàn)免疫逃逸及其對(duì)腫瘤免疫治療的影響

圖 1. 納米管介導(dǎo)線粒體轉(zhuǎn)移^[1][2]。
(A) MitoTracker-Green 標(biāo)記的線粒體從免疫細(xì)胞轉(zhuǎn)移到癌細(xì)胞; (B) 細(xì)胞間納米管介導(dǎo)線粒體從 BMSC 運(yùn)輸?shù)?CD8⁺ T 細(xì)胞。

隨著不斷探索，人們對(duì)腫瘤免疫的研究也陸續(xù)有了新進(jìn)程：從線粒體轉(zhuǎn)移是從免疫細(xì)胞到癌細(xì)胞的單向運(yùn)輸，到發(fā)現(xiàn)線粒體也可以從癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移到 TME 的 T 細(xì)胞中，形成 ”雙向奔赴”。然而，這一過程的發(fā)生與腫瘤免疫之間的影響尚不清楚^[3]。

Section.02
Nature 發(fā)文:
mtDNA 功能再升級(jí)！

近期，Nature 刊發(fā)日本千葉癌癥研究中心等團(tuán)隊(duì)的重磅研究，首次揭示腫瘤細(xì)胞通過線粒體向 T 細(xì)胞傳遞突變的線粒體 DNA (mtDNA)，導(dǎo)致 T 細(xì)胞代謝異常、功能衰竭，進(jìn)而逃避免疫攻擊的全新機(jī)制^[4]。這一發(fā)現(xiàn)為理解腫瘤免疫逃逸提供了全新視角，并為逆轉(zhuǎn)免疫治療耐藥提供了潛在靶點(diǎn)。 

圖 2. 線粒體在細(xì)胞間的雙向轉(zhuǎn)移^[5]。

具體來說，Ikeda 等人研究了線粒體在癌細(xì)胞和免疫系統(tǒng) T 細(xì)胞之間的轉(zhuǎn)移，研究對(duì)象包括小鼠和人類細(xì)胞。作者報(bào)告稱，T 細(xì)胞通過一種名為隧道納米管的結(jié)構(gòu)將線粒體轉(zhuǎn)移到癌細(xì)胞中。作為交換，癌細(xì)胞通過釋放細(xì)胞外囊泡將線粒體轉(zhuǎn)移到 T 細(xì)胞中，這些囊泡會(huì)被細(xì)胞吸收。這些來自癌細(xì)胞的線粒體被 USP30 蛋白包裹，這種蛋白可以防止線粒體降解。這使得癌細(xì)胞的線粒體能夠取代 T 細(xì)胞的線粒體。T 細(xì)胞進(jìn)入一種稱為衰老的生長停滯狀態(tài)，從而削弱其殺死癌細(xì)胞的能力^[5]。

1. 臨床樣本分析

研究人員從黑色素瘤和非小細(xì)胞肺癌 (NSCLC) 患者的腫瘤組織中分離腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞 (TILs)，通過全 mtDNA 測序鑒定突變，鑒定出 TILs 與腫瘤細(xì)胞的 mtDNA 共享突變。

圖 3. TILs 中與癌細(xì)胞相同的突變^[4]。

2. 癌細(xì)胞的線粒體轉(zhuǎn)移

研究人員通過在含有突變 mtDNA 和 WT mtDNA 的黑色素瘤細(xì)胞系中的表達(dá)線粒體特異性熒光蛋白 MitoDsRed，在與 TIL 共培養(yǎng) 24 小時(shí)后，發(fā)現(xiàn) mtDNA 逐漸從癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移至 TIL。這一結(jié)果表明癌細(xì)胞和 T 細(xì)胞之間產(chǎn)生同樣的 mtDNA 突變是由線粒體轉(zhuǎn)移造成的。

已有研究證明，細(xì)胞間的隧道納米管 (TNTs) 和細(xì)胞外囊泡 (EVs) 能夠幫助線粒體轉(zhuǎn)移。研究人員發(fā)現(xiàn)在加入 TNT 和 EV 抑制劑的條件下，均能夠大大降低線粒體的轉(zhuǎn)移，這說明線粒體可以通過 TNT 介導(dǎo)的細(xì)胞間直接接觸和 EV 介導(dǎo)的間接接觸進(jìn)行轉(zhuǎn)移。綜上所述，TILs 能夠通過直接或間接的方式從癌細(xì)胞中獲得突變 mtDNA。

圖 4. mtDNA 突變的線粒體從癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移到 TILs^[4]。

3. 線粒體發(fā)生同質(zhì)性

隨后研究人員驗(yàn)證了轉(zhuǎn)移的線粒體是否會(huì)發(fā)生同質(zhì)性。通過將 TIL 與癌細(xì)胞共培養(yǎng)，并通過 mtDNA 測序以及熒光標(biāo)記的延時(shí)成像，驗(yàn)證了部分 T 細(xì)胞的線粒體發(fā)生了同源替換以及線粒體的轉(zhuǎn)移。并結(jié)合 MitoDsRed 的表達(dá)情況，進(jìn)一步證明 T 細(xì)胞的原位線粒體的減少是與癌細(xì)胞共培養(yǎng)的結(jié)果。

TME 中的癌癥來源的活性氧 (ROS) 會(huì)誘導(dǎo)周圍細(xì)胞的線粒體發(fā)生自噬。研究人員發(fā)現(xiàn)，在與癌細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)會(huì)加劇 T 細(xì)胞的線粒體自噬，加入 NAC (一種 ROS 抑制劑) 后，降低 T 細(xì)胞線粒體自噬水平，但不影響線粒體從癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移到 T 細(xì)胞。去泛素化酶 USP30 能夠抑制泛素化介導(dǎo)的線粒體自噬并附著在線粒體上，研究人員發(fā)現(xiàn) USP30 在黑色素瘤中高表達(dá)，且在具有突變 mtDNA 的 T 細(xì)胞中的表達(dá)量也有所增加，USP30 染色結(jié)果證明，USP30 能夠和線粒體一同從癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移到 TIL 中。

以上結(jié)果表明，T 細(xì)胞中的原位線粒體會(huì)因 TME 中的 ROS 發(fā)生自噬，但 T 細(xì)胞中有突變 mtDNA 的線粒體不會(huì)發(fā)生自噬，最終導(dǎo)致線粒體發(fā)生同質(zhì)性。

圖 5. USP30 在癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的線粒體中賦予線粒體自噬抗性^[4]。

4. 突變 T 細(xì)胞的線粒體功能障礙

研究人員隨后通過通量分析儀以及基因表達(dá)水平研究發(fā)現(xiàn)，在 mtDNA 突變的細(xì)胞中線粒體氧化磷酸化相關(guān)分子 ND4，ND5，ND6，ND1，CYTB，COX1  和 ATP6 的表達(dá)量降低，細(xì)胞基礎(chǔ)呼吸減少，產(chǎn)生的 ATP 減少，電子傳遞鏈上復(fù)合物活性降低，以上結(jié)果表明 mtDNA 突變的細(xì)胞線粒體功能受損。此外，突變的 mtDNA 增加了以及衰老相關(guān)分子的表達(dá)、降低細(xì)胞分裂能力，損傷記憶 T 細(xì)胞形成、誘導(dǎo)部分中央記憶細(xì)胞的凋亡、降低細(xì)胞中的活化標(biāo)志物的含量。

5. 體內(nèi)轉(zhuǎn)移和抗腫瘤免疫

隨后在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，研究人員將 mtDNA 未突變的細(xì)胞系和 mtDNA 突變的細(xì)胞系分別移植到 OT-1 小鼠體內(nèi)，由于 OT-1 小鼠可在體內(nèi)激活 T 細(xì)胞和 B 細(xì)胞反應(yīng)，隨后從小鼠體內(nèi)分選出 T 細(xì)胞以檢測其免疫功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明伴有 mtDNA 突變的癌癥細(xì)胞對(duì) T 細(xì)胞活性的降低更為顯著。然而，當(dāng)分選出 T 細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)，熒光強(qiáng)弱顯示出 T 細(xì)胞損傷的功能也得到了恢復(fù)，這一結(jié)論也進(jìn)一步呼應(yīng)了此前驗(yàn)證的 EV 在線粒體轉(zhuǎn)移的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，在外加 EV 抑制劑 GW4869 時(shí)，相關(guān)功能抑制表型有所挽救。

總的來說， 體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中 TIL 突變的 mtDNA 線粒體可導(dǎo)致 T 細(xì)胞功能障礙，最終降低機(jī)體的抗腫瘤免疫能力。

圖 6. mtDNA 突變的線粒體轉(zhuǎn)移降低體內(nèi)抗腫瘤免疫^[4]。

Section.03
小結(jié)

本文解析了癌細(xì)胞如何通過線粒體轉(zhuǎn)移機(jī)制實(shí)現(xiàn)免疫逃逸，并探討了其對(duì)腫瘤免疫治療的影響。線粒體轉(zhuǎn)移不僅改變了 T 細(xì)胞的代謝狀態(tài)，還加速了 T 細(xì)胞衰竭，最終削弱抗腫瘤免疫力。這一發(fā)現(xiàn)為未來癌癥免疫治療提供了新的研究方向，也希望能幫助看到這里的小伙伴拓展新的科研思路~

[1] Saha T, et al. Intercellular nanotubes mediate mitochondrial trafficking between cancer and immune cells. Nat Nanotechnol. 2022 Jan;17(1):98-106.  
[2] 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.
[3] Mahmood M, et al. Mitochondrial DNA mutations drive aerobic glycolysis to enhance checkpoint blockade response in melanoma. Nat Cancer. 2024 Apr;5(4):659-672.
[4] Ikeda H, et al. Immune evasion through mitochondrial transfer in the tumour microenvironment. Nature. 2025 Feb;638(8049):225-236.
[5] Brestoff JR. Mitochondrial swap from cancer to immune cells thwarts anti-tumour defences. Nature. 2025 Feb;638(8049):42-43.