在肌肉組織中，當線粒體DNA異質性超過一定水平或者線粒體功能失調時，會產生較少的三磷酸腺苷（ATP）和過多的活性氧（ROS） ，這會引發肌肉的萎縮、無力和耐力喪失。因此，研究如何恢復或改善線粒體功能以促進肌肉再生是一個有吸引力的課題。

線粒體轉移是在各種病理條件下恢復受損細胞的自發過程。在給藥之前將線粒體轉移到細胞治療產品中可以提高治療效果。然而，先前報道的線粒體轉移方法效率低，限制了它們的臨床應用。

為了克服這些挑戰，香港城市大學孫東教授團隊提出了一種基于液滴微流控的線粒體轉移技術，可以實現高效、高通量的線粒體定量轉移至單細胞。該技術結合了共培養和液滴微流控的優點，對肌肉再生有較好的治療作用。相關工作以“High-efficiency quantitative control of mitochondrial transfer based on droplet microfluidics and its application on muscle regeneration”為題，于近期發表在Science Advances上。

基于液滴微流控的線粒體轉移系統

研究人員開發的基于液滴微流控的線粒體轉移系統由三個模塊組成：液滴生成模塊、液滴觀察模塊和液滴收集模塊。

該系統采用流動聚焦結構將線粒體受體C2C12細胞懸液和分離的線粒體懸液這兩種懸浮液分離成液滴，波浪狀結構用于增加單細胞封裝率，同時降低多細胞封裝率，提高封裝效率（圖1）。

圖1系統安裝示意圖、基于液滴微流控的線粒體轉移技術的工作流程和實驗評估

從圖2可以觀察到線粒體受體細胞C2C12和新鮮分離的線粒體加載到微流控芯片中進行封裝和線粒體轉移的過程。在產生的液滴***培養2小時后，分離的線粒體通過內吞作用被受體細胞吸收。

通過波浪狀結構，封裝效率提高到超過泊松分布，單細胞封裝效率可達到約47.8％，而多細胞封裝率被抑制至約5.9％。線粒體轉移效率，隨著液滴直徑的增加而略微下降，但均在70%以上。使用本線粒體轉移系統進行處理后，受體細胞的存活率仍然可以保持相對較高。

圖2基于液滴微流控的線粒體轉移系統展示

高效定量線粒體轉移

液滴的封閉微環境限制了分離的線粒體的移動距離，增加了分離的線粒體接觸細胞的概率。而轉移到液滴細胞中的線粒體數量可以通過調整線粒體懸浮液的濃度來控制，從而可以對轉移到受體細胞中的線粒體進行定量控制。

在該研究中，研究人員使用了三種不同濃度的分離線粒體懸浮液來驗證所提出系統的轉移效率。隨著濃度的增加，線粒體轉移效率略微上升。通過共聚焦顯微鏡進行觀察和3D重建（圖3）。

圖3采用所提出的基于液滴的方法對線粒體轉移進行定量控制

線粒體轉移促進C2C12細胞增殖和成肌分化的體外研究

研究人員通過肌生成測定，來測試C2C12成肌細胞在使用該技術進行線粒體轉移后的分化能力。結果表明，高線粒體轉移組ATP水平和mtDNA含量顯著增加（圖4）。

圖4線粒體轉移對C2C12成肌細胞成肌分化作用的體外研究

通過qPCR分析肌肉再生相關基因的表達水平。除磷酸甘油酸激酶1（Pgk1）外，其他標志物均以濃度依賴性方式在線粒體轉移時顯示出表達上調。特別的是，轉移的線粒體過少或過多都不能促進Pgk1的表達，這一現象進一步表明了定量控制線粒體轉移在精準醫學中的重要性（圖5）。

上述體外實驗結果表明，高線粒體轉移細胞（31個/每細胞）可以明顯增強成肌分化和ATP的產生能力。基于此，研究人員在動物實驗中使用高線粒體轉移細胞來研究細胞療法治療的功能結果和劑量效應。

圖5線粒體轉移后C2C12細胞在成肌分化過程中的肌源性因子和線粒體相關基因的表達情況

肌內注射線粒體轉移的C2C12以改善肌肉愈合質量和功能

研究人員通過小鼠肌肉損傷模型，來評估該技術的肌肉再生效果。沒有線粒體轉移的成肌細胞移植不足以促進受傷肌肉的愈合過程，注射高劑量細胞后可能產生免疫反應，而注射低劑量線粒體轉移的C2C12細胞（LH組）獲得該研究中最令人滿意的愈合結果（圖6）。

圖6體內研究線粒體轉移的C2C12注射對肌肉再生的影響

基因分析結果同樣證明，LH的表達上調最高，這與功能評估中的最佳愈合結果一致（圖7）。

圖7 C2C12細胞注射后肌肉損傷小鼠的肌源性因子和線粒體代謝基因表達水平

綜上所述，研究人員開發了一種新的基于液滴微流控的線粒體轉移方法，以克服定量高通量轉移的局限性。該研究開辟了一條在給藥前使用高效和高通量線粒體轉移技術來***細胞治療產品的新途徑。所提出的技術可以顯著促進線粒體轉移的臨床應用，優化細胞功能改善，用于線粒體相關疾病的細胞治療。

審核編輯：劉清