Bone Research | 欧阳宏伟团队规模化制备线粒体用于关节软骨再生的研究

2025年3月17日，浙江大学/良渚实验室欧阳宏伟教授团队在Bone Research发表了题为“Organelle-tuning condition robustly fabricates energetic mitochondria for cartilage regeneration”的研究论文，研究团队通过配制“细胞器微调”培养方案，建立线粒体生产的专属“干细胞工厂”，实现了高通量高质量的人源线粒体制造，为退行性疾病骨关节炎的治疗提供新方案。

线粒体是细胞的“发电站”，每日负责供应机体90%的生物能量。一旦线粒体受损或异常，各类代谢性、退行性疾病便会乘虚而入，严重威胁人类健康。线粒体移植疗法，旨在将健康线粒体输送到患病组织，或替换受损线粒体，或激活细胞修复程序。

研究表明，线粒体移植已经或即将被广泛应用于多种疾病治疗，包括缺血性心脏病、线粒体疾病等。然而，这一疗法却遭遇“原材料”困境：每位患者每次注射需109级别线粒体，且从目前从不可扩增的体细胞中获取线粒体的方式难以可持续，线粒体质量不稳定，受供体年龄、健康状况影响极大。因此，开发可持续、可控的高质量线粒体制造策略迫在眉睫。

“线粒体工厂”赋能组织再生

构建线粒体制造的“干细胞工厂”

为了构建线粒体制造平台，研究团队对间充质干细胞（MSCs）培养条件展开筛选，寻找能促进细胞增殖和线粒体数量/活性的成分，并将其组合配方定义为线粒体生产培养条件（mitochondria-producing condition）。用该条件培养的MSCs（mc-MSCs），比传统血清培养的MSCs（tc-MSCs），细胞增殖速率和线粒体数量同时显著提升。

定制化培养条件促进线粒体生物合成

线粒体的可持续生产和功能提升

基于干细胞自我更新的特性，研究团队发现线粒体可在mc-MSCs中稳定可持续生产。在约15天（传代5次）时间里，mc-MSCs可获得的细胞数目是传统培养条件下的302倍，线粒体产量估计是传统方法的854倍！

线粒体可持续生产

除数量增加，优化条件生产的mc-Mitochondria无论在细胞内外，均表现出更高的线粒体活性（包括ATP生产水平和线粒体膜电位）。

线粒体能量充足保障移植效果

激活产能通路，微调细胞器平衡

机制方面，研究团队通过转录组测序发现，mc-MSCs中与线粒体生物发生、细胞增殖和代谢相关的基因富集。与能量感知高度相关的AMPK通路被激活，其下游关键转录因子TFAM表达上调，促进了线粒体的复制和转录。

mito-condition激活AMPK通路促进线粒体生物合成

mito-condition激活AMPK通路的同时，也改变了mc-MSCs的亚细胞成分和代谢水平。数据显示，mc-MSCs“智能”地将胞内大量资源投入于细胞周期、线粒体合成和能量产生过程，其余与线粒体生产无关、且耗能的细胞行为，如溶酶体功能、囊泡分泌行为、细胞黏附和迁移等均被削弱。即使自噬水平降低，不断的细胞分裂带来的细胞器重新分配，mc-MSCs仍然能维持高能稳态，避免了单一细胞器或代谢废物的过载。这种新的平衡，让mc-MSCs成为了“天选线粒体工厂”。

抑制耗能过程，调控能量平衡

构建线粒体制造的“干细胞工厂”

最后，研究团队选择骨关节炎作为治疗应用场景。骨关节炎是严重的致残性疾病，影响着全球超过5亿人。已有研究表明其与软骨细胞代谢失衡相关，线粒体移植有望促进软骨再生，防治骨关节炎。首先，在线粒体生产环节，mito-condition用更少的时间和金钱成本生产出体内实验所需的线粒体；并且，在小鼠骨关节炎模型中，即使注射同样数量，mc-Mitochondria相较普通线粒体，在维持软骨表型、降低炎症、减轻软骨下骨硬化等方面表现更优，充分证明其在体内疾病治疗中的价值。

高能线粒体移植具有优异体内疗效

综上，该研究构建了高效的线粒体生产平台，可以满足临床治疗的需求，为全球老龄化背景下退行性疾病的防治提供了创新策略。此外，该研究提出了“细胞器调控”的新范式，为细胞内物质和能量平衡的分子调控提供了新的见解，有望为细胞器治疗新方法的开发提供参考。未来将进一步利用单细胞时空组学、高清成像等技术解析调控规律，推动细胞器治疗在衰老干预及再生医学中的应用革新。