脳における細胞間ミトコンドリア移動、中枢神経系疾患の標的治療への新たな展望

オープンアクセス
脳における細胞間ミトコンドリア移動、中枢神経系疾患の標的治療への新たな展望

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/cns.14344

Ziang Geng, Shu Guan, Siqi Wang, Zhongxue Yu, Tiancong Liu, Shaonan Du, Chen Zhu
初出：2023年7月9日
https://doi.org/10.1111/cns.14344
最初の3名の著者が同等に貢献し、筆頭著者でもある。
論文概要
セクション

要旨
目的
ミトコンドリアは、細胞のエネルギー代謝と調節に関与する重要な細胞小器官の一つであり、細胞ストレス、細胞損傷、細胞癌化などの異常な細胞過程においても重要な調節的役割を担っている。最近の研究では、ミトコンドリアがさまざまな方法で細胞間を移動し、多くの中枢神経系疾患の発生と発症に関与することが示されている。我々は、中枢神経系疾患の進行におけるミトコンドリアの移動のメカニズムと標的治療の可能性について検討することを目的とする。
研究方法
PubMed databank、China National Knowledge Infrastructure databank、Wanfang Dataを検索し、中枢神経系の細胞内ミトコンドリア転送の実験を同定した。焦点は、ミトコンドリア転送のドナー、受容体、転送経路、標的薬である。
結果
中枢神経系では、ニューロン、グリア細胞、免疫細胞、腫瘍細胞は互いにミトコンドリアを転移させることができる。一方、ミトコンドリアの移動には、トンネルナノチューブ、細胞外小胞、受容体細胞エンドサイトーシス、ギャップジャンクションチャネル、細胞間接触など多くの種類がある。損傷したミトコンドリア、ミトコンドリアDNA、あるいは他のミトコンドリア産物の放出や活性酸素種の上昇など、様々なストレスシグナルが、ドナー細胞からレシピエント細胞へのミトコンドリアの移入を引き起こす。同時に、様々な分子経路や関連する阻害物質がミトコンドリアの細胞間移動に影響を及ぼす可能性がある。
結論
本研究では、中枢神経系における細胞間ミトコンドリア移入現象を概説し、それに対応する移入経路をまとめた。最後に、関連疾患の治療のために、ミトコンドリア転送を制御するために使用される可能性のある標的経路および治療法を提案する。
1 はじめに
ミトコンドリアは真核細胞に見られる最も複雑な小器官であり、原核生物に見られるものとは異なる。真核生物のミトコンドリアは二重の外膜で構成されており、そのゲノム（mtDNA）は環状DNAを含み、宿主ゲノムとは独立して複製することができる。動物細胞では、mtDNAは小さく（10-39kb）1、2つのrRNA（12Sと16S）、22のtRNA、13のポリペプチドをコードしており、各ポリペプチドには約50アミノ酸残基が含まれている。mtDNAはタンパク質を合成することができるが、その能力は非常に限られており、mtDNAがコードするタンパク質のほとんどは酸化的リン酸化（OXPHOS）に関連するものである。しかし、ミトコンドリアの他の部分を構成するタンパク質は、核DNAによってコードされ、細胞質リボソームによって合成された後、ミトコンドリア内のそれぞれの機能部位に輸送される。したがって、ミトコンドリアはその構造的および機能的タンパク質の多くを核DNAに依存したままであり、半独立小器官である2。ミトコンドリアは一般に、アデノシン三リン酸（ATP）の産生を含む真核細胞のエネルギー源と考えられている。この重要な機能だけでなく、ミトコンドリアは主要な中枢代謝経路にも関与し、様々な細胞機能を制御する細胞内シグナル伝達ネットワークに完全に統合されており、細胞の恒常性維持に重要な役割を果たしている。
ミトコンドリアはまた、mtDNAの修復3、活性酸素種（ROS）の産生4、ミトコンドリアの生合成、動態5、融合6、ミトコンドリアプロテオミクスの制御など、多くのプロセスにおいて重要な役割を果たしており、これらのプロセスにおける欠陥は疾患状態につながる可能性がある。ミトコンドリアの機能不全は、活性酸素産生の増加とアポトーシス経路の活性化を引き起こし、多くの疾患の発生と発症につながる7。さらに、ストレス時には、細胞の調節機構がミトコンドリアの恒常性を維持できなくなり、機能不全につながる。中枢神経系は脳と脊髄で構成され、細胞レベルではニューロン、グリア細胞、その他の種類の細胞を含んでいる。中枢神経系は体内の全システムの生理学的活動を支配し、全システムの反応と調節に重要な役割を果たしているが、これはミトコンドリアの完全性と活性と切り離すことはできない。損傷を受けたり病気になったりした脳では、ミトコンドリアの機能障害がATPレベルの低下につながり、ATP依存性の神経細胞の発火や神経伝達物質の動態が損なわれる。現在、虚血性疾患9、ストレス傷害、統合失調症、パーキンソン病10、アルツハイマー病11、頭蓋内出血12、脊髄損傷12、炎症性疼痛、自己免疫性脳症、頭蓋内腫瘍などにおいて、さまざまなミトコンドリア機能障害が認められている。したがって、損傷したミトコンドリアの正常な生物学的機能を回復させることは、神経疾患治療のための研究のホットスポットの一つである。
細胞間ミトコンドリア移動が最初に提案されて以来、多くの研究者によって研究が進められてきた。Speesら13は2006年、ミトコンドリア機能に異常のあるヒト上皮細胞（A549細胞）において、間葉系幹細胞（MSC）由来の蛍光標識ミトコンドリアを用いた共培養系で、ミトコンドリアの移動現象を初めて観察した。彼らは、ドナーMSC由来のmtDNAがヒト上皮細胞に出現し、呼吸機能を回復させることを発見した。このことから、ミトコンドリアはさまざまなメカニズムで細胞間を移動し、受容細胞の生物学的活性や生理的状態を変化させることができることが、数多くの研究で実際に確認されている。ドナー細胞からミトコンドリア機能に異常のあるレシピエント細胞への正常なミトコンドリアの移入は、レシピエント細胞におけるミトコンドリア関連の生合成を増加させ、その後、レシピエント細胞の生物学的機能に影響を及ぼす可能性がある14。そこで、この原稿では、中枢神経系における細胞間ミトコンドリア移入現象を系統的にレビューし、関連する移入経路、対応するシグナル伝達経路、および関与する分子機構についてまとめた。最後に、このプロセスとその介在が、治療薬開発の新たなターゲットとなる可能性があることを提案する。
中枢神経系における細胞間ミトコンドリア移入を伴う2つの細胞タイプ
幹細胞から神経細胞へ
幹細胞は、無制限に自己複製が可能で、少なくとも1種類の高度に分化した子孫細胞を生み出すという特徴を持つ。多くの学者は、幹細胞は胚、胎児、成体に由来し、一定の条件下で無制限に自己複製、増殖、分化すると考えている。幹細胞は、元の細胞と同じ表現型と遺伝子型を持つ娘細胞を作り出すことができ、また、臓器内の特殊な細胞が前駆細胞に分化することもできる、身体組織を構成する細胞を作り出すこともできる。幹細胞は胚性幹細胞と成体幹細胞に分けられる。胚性幹細胞とは、胚の細胞集団や始原生殖細胞から、試験管内での抑制培養法によって選択された細胞を指す。成体幹細胞とは、分化した組織内に存在する未分化な細胞を指し、これらは自己複製を行い、その組織の細胞を特異的に形成することができる。成体幹細胞は身体の様々な組織や臓器に存在し、造血幹細胞、骨髄間葉系幹細胞（MSC）、神経幹細胞などが含まれる。現在、神経系におけるミトコンドリア移植に関する研究のほとんどは、成体幹細胞に基づいている。
MSCは自己複製と多方向分化の可能性を持つ幹細胞である。MSCは神経系に存在することができる。特定の条件下では、MSCは中胚葉細胞に分化するだけでなく、外胚葉由来のグリア細胞やニューロンにも水平分化することができる15。脳に病的シグナルが現れると、MSCは病変部に移動し、関連する機能を発揮することができる。間葉系幹細胞は、脳虚血後の神経細胞の機能障害を緩和し、一連の因子を分泌し、機能的な神経細胞に分化することができ、虚血によって損傷した神経細胞や行動障害の修復に重要な役割を果たしている。間葉系幹細胞は、自己再生、造血補助、栄養供給、内在性幹細胞・前駆細胞の活性化、分化・転化、免疫調節・炎症反応、抗アポトーシス、抗酸化、抗線維化、血管新生促進など、そのユニークな生物学的特性により、様々な組織傷害の修復を促進することができる。その中でも、ミトコンドリア移行は、MSCにおいて新たに発見されたメカニズムである。多くの実験により、MSCがトンネルナノチューブを形成することでレシピエント細胞と連結し、平滑筋細胞へのミトコンドリアの移行を促進することが発見され、確認されている19。同様に、MSCがミトコンドリアを包んだ自己放出小胞を、ギャップジャンクションチャネルを通じて肺胞上皮細胞に輸送することもでき、これらの小胞はエンドサイトーシスを通じて受容体細胞に吸収されることが、いくつかの研究で示されている20。これらの研究から、MSC由来のミトコンドリアが受容細胞の生理活性状態を変化させることが示され、多能性間葉系幹細胞（MMSC）が神経細胞やグリア細胞にミトコンドリアを移入できることが判明した。これらのMMSCは、正常な神経細胞22やアストロサイトにミトコンドリアを直接移入することができる。これらの研究では、ミトコンドリア局在シグナルと融合した赤色蛍光タンパク質（mitodsred）をコードするレンチウイルス構築物をMMSCにトランスフェクトした。この2つの細胞を2日間共培養したところ、アストロサイトに赤色蛍光標識ミトコンドリアが認められ、MMSC由来であることが確認された。同時に研究者らは、アストロサイトまたは神経細胞様PC12細胞で酸素-グルコース欠乏（OGD）を行い、活性酸素の上昇に関連する神経系の虚血性傷害をシミュレートしたところ、MMSCsが上記2つの細胞型に移行するミトコンドリアの数を増加させることも発見した。この移植の結果、レシピエント細胞の呼吸機能を回復させ、その増殖を刺激して、関連する傷害によって引き起こされたミトコンドリアの機能不全と細胞死を補うことができた23。ヒト臍帯由来MSCもまた、ミトコンドリア・ドナー細胞として使用することができる。ここでは、オカダ酸（OA）処理したSH-SY5Y神経細胞を用いて、アルツハイマー病の細胞モデルを樹立した。ヒト臍帯由来MSCを含む培地に処理した神経細胞を添加して共培養を行ったところ、フローサイトメトリーにより、MSCが細胞外小胞を放出し、神経細胞にミトコンドリアを移行させることが判明した。ミトコンドリアの移入後、SH-SY5Y細胞のp181タウレベルは有意に低下し、ミトコンドリアの酸化ストレスも緩和された。この結果は、ヒト臍帯由来MSCが、OA処理したSH-SY5Y神経細胞に細胞外小胞の形でミトコンドリアを輸送することにより、アポトーシスを抑制し、ミトコンドリア機能を改善できることを示している24。
神経グリア細胞から神経細胞へ
中枢神経系には、細胞の中で最も大きな割合を占める神経細胞のほかに、グリア細胞も存在する。グリア細胞には、アストロサイト、オリゴデンドロサイト、ミクログリア、上衣細胞の4種類がある。グリア細胞は神経細胞の活動を後方支援する。アストロサイトは中枢神経系において重要な役割を果たしており、発生、神経伝達、ニューロン代謝などの重要な活動の制御に関与している25。アストロサイトはまた、酸化ストレスや外因性毒性からニューロンを保護するという重要な役割も担っており、このような保護効果を生み出すメカニズムは、健全なミトコンドリアの流入であると考えられる26。研究者らは、アストロサイトが健全な機能的ミトコンドリアを放出し、虚血ストレスによって損傷した神経細胞にミトコンドリアを移行させることによって、損傷した神経細胞をアポトーシスから保護し、虚血性脳卒中後の神経細胞の生存を支えることができると推測している（図1A）。研究者らは、アストロサイトが300-1100 nmのミトコンドリア粒子を運搬できることを発見し、ミトコンドリア蛍光標識によって、これらのミトコンドリアが正常な活性を保持していることを示した27。虚血性傷害を模擬した細胞モデルにおいて、ラットの皮質ニューロンを酸素と糖質から遮断したところ、細胞内のATP含量が減少し、ニューロンの生存能力が低下した。細胞外ミトコンドリア粒子を含むアストロサイト培養液を模擬虚血傷害を受けた神経細胞に添加したところ、神経細胞内のATP含量が増加し、蛍光標識によりアストロサイト由来ミトコンドリアの存在が確認された。この実験結果から、ミトコンドリアの移動によって虚血から神経細胞を保護し、アポトーシスを回避するアストロサイトの役割が確認された27。
図1
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キャプション
別の研究では、アストロサイトが神経細胞にミトコンドリアを転送していることを示す実験的証拠も見つかっている。研究者たちは、外部からの化学的プライバシーによって引き起こされる神経細胞損傷のin vitroモデルをシミュレートするために、シスプラチンを用いて初代皮質ニューロンを培養した。シスプラチン処理後、神経細胞の生存率は著しく低下した。これは、ミトコンドリア膜電位の脱分極が減少し、カルシウム動態に異常が生じ、静止時の神経細胞のカルシウムイオン濃度が上昇したためと考えられる。シスプラチンで処理したアストロサイトと神経細胞を共培養した結果、神経細胞の生存率は有意に改善し、ミトコンドリア膜電位は上昇し、呼吸効率は有意に改善した。アストロサイトのミトコンドリアは、mCherryと結合したミトコンドリア局在化配列を用いて標識した。共焦点顕微鏡下では、アストロサイト由来のミトコンドリアが神経細胞内に認められた。シスプラチンによって、アストロサイトのミトコンドリアを受け取る神経細胞の割合は、健常な神経細胞と比較して約3倍に増加した。このミトコンドリアの移動は、損傷したニューロンのカルシウム濃度状態を変化させる可能性がある。アストロサイトからニューロンへのミトコンドリアの移入は、シスプラチンで傷害を受けたニューロンにおけるKCL誘発カルシウムイオンの増加を回復させ、ニューロンのカルシウム動態を正常化する上で重要な役割を果たしている。この移動はMiro1によって媒介され、関連する経路については後に詳述する28。
免疫細胞から神経細胞へ
免疫細胞は免疫系の重要な一部であり、人体のさまざまな免疫活動に関与している。マクロファージは可塑性に富んだ免疫細胞の一種である。その主な機能は組織治癒を誘導することであり、強い抗炎症機能を持つ。マクロファージは不活性化したM0型マクロファージと活性化したM1型、M2型マクロファージに分けられる。興味深いことに、中枢神経系にはミクログリアと呼ばれるマクロファージが存在する。29神経損傷後、マクロファージは抗炎症機能を発揮するために損傷部位に動員されることがあり、M1マクロファージが脊髄後根神経節に集積して神経因性疼痛を引き起こすという研究もある30。しかし、マクロファージが炎症性疼痛を緩和することもあり、このメカニズムは、ミトコンドリア移入による脊髄後根神経節の細胞内環境の変化によるものかもしれない。研究チームは、カラギーナンを用いてマウスの脊髄後根神経節に注射し、炎症性疼痛をシミュレートしたところ、マクロファージが脊髄後根神経節に浸潤することを見いだした。しかし、マクロファージは炎症部位に直接集まるのではなく、炎症部位から離れた場所に集まり、炎症性疼痛を積極的に制御していた。マウスの炎症性疼痛が寛解すると、M2様マクロファージが感覚神経細胞体を含む後根神経節に浸潤し、感覚神経細胞の酸化的リン酸化が回復した。疼痛緩和とミトコンドリア移行には、マクロファージ上のCD200受容体（CD200R）と感覚ニューロン上の非標準CD200RリガンドiSec1の発現が必要である。マクロファージはCD200Rを持つミトコンドリアを含む外小胞を分泌し、これがiSec1を細胞膜上に発現している脊髄後根神経節と結合して、ミトコンドリアを神経細胞に移送する。これらのデータは、ミトコンドリアの移動に基づく、炎症性疼痛を積極的に緩和する新しいメカニズムを示している31。
神経細胞間または神経グリア細胞間
以上の説明から、さまざまな細胞が神経細胞にミトコンドリアを移入し、それによって神経細胞の生理状態を変化させることができることがわかる。神経細胞間あるいはグリア細胞間のミトコンドリア輸送という現象もある。これまでの研究で、虚血性脳卒中後、脳内の神経細胞は興奮毒性、酸化ストレス、炎症浸潤、虚血神経細胞のアポトーシスなど、一連の複雑な病態生理現象を引き起こすことが示されている32。虚血性傷害による酸化ストレスは、さらにミトコンドリアの損傷を引き起こし、それが新たな酸化ストレスの出現を招き、悪循環をもたらす33。神経細胞の虚血性傷害に直面した場合、グリア細胞は健康なミトコンドリアを神経細胞に移植することができ、それによって傷害を受けた細胞の生存率を向上させることができることは、上記の説明で述べたとおりである。ミトコンドリアは神経細胞間でも交換できる。N2a神経細胞を過酸化水素（H2O2）で処理し、神経系における脳虚血事象をシミュレートした。H2O2で処理した神経細胞は、細胞内ミトコンドリア障害とミトコンドリアDNA欠失を示した。その後、正常なN2a神経細胞と共培養した。共焦点顕微鏡観察により、ミトコンドリアはトンネルナノチューブを介して正常なN2a細胞から損傷または欠損したN2a細胞へ移動できることがわかった。そして、健康な細胞由来のミトコンドリアは、N2a細胞をH2O2誘発アポトーシスから守ることができた。この実験結果は、神経細胞間のミトコンドリアの移動が活性酸素の産生を減少させ、損傷やアポトーシスを回避することを示している34。
脳内出血（ICH）は、脳血管の破裂によって引き起こされる脳卒中のサブタイプに属し、脳損傷でよく見られる病態である。脳出血後、血液は直接脳実質に接触し、血液中の化学成分がこの脳実質を刺激し、酸化的損傷や複雑な炎症反応など、神経細胞への生化学的損傷を引き起こす36。前述のように、ミクログリアは神経系内のマクロファージであり、この貪食はペルオキシソーム増殖因子活性化受容体γ（PPARγ）によって活性化される可能性がある。この転写因子は、スーパーオキシドジスムターゼやカタラーゼを含む血腫除去関連タンパク質の発現を制御している37。抗酸化酵素の発現障害や機能障害は、ミトコンドリアの必須抗酸化酵素であるマンガンスーパーオキシドジスムターゼ（Mn-SOD）のレベルが低下しているICHの影響を受けた脳組織における酸化的損傷を悪化させる可能性がある。したがって、血腫周辺の健康なミトコンドリアのレベルを上げることは、ICHによって引き起こされる細胞障害を緩和する可能性がある。ヒューマニン（HN）はPPARγのリガンドの一種で、24個のアミノ酸からなるポリペプチドであり、ミトコンドリアDNAから転写・翻訳される。HNは、ミトコンドリアのオートクライン、パラクライン、あるいは内分泌シグナルとしてミトコンドリア内に貯蔵されるか、あるいはミトコンドリア外腔や細胞外腔に分泌される38。したがって、ミクログリアは外来ミトコンドリアを内在化することによって、自分自身のPPARγを結合させることができると推測される（図1B）。血腫中のHNレベルは上昇し、クリアランスと貪食が促進された。研究者らはまず、共培養と蛍光標識研究を通して、アストロサイトがミトコンドリア粒子を放出し、これらのミトコンドリア粒子がミクログリアに取り込まれることを確認した。また、ミクログリアにおけるHNの含有量を測定したところ、ミクログリアに蓄積したアストロサイトのミトコンドリアが、ミクログリアのHNレベルを上昇させることが示された。さらに、内在化したミトコンドリアとそこから分泌されたHNは、ミクログリア細胞膜上のPPARγの発現をさらに促進することがわかった。上記の変化がミクログリアの貪食機能を高めることができるかどうかを検証するため、研究者らはHNを用いてミクログリアを単独で治療した後、貪食標的細胞として赤血球を加え、赤血球の数を記録した。その結果、HNはミクログリアによって貪食される赤血球の数を効果的に増加させた。したがって、上記の実験結果はすべて、ICHの間、アストロサイトがミクログリアにミトコンドリアを提供し、ミクログリアがより多くのHNを分泌し、ミクログリアを刺激して膜PPARγを増加させることができることを示している。HNはオートクライン効果によってミクログリアの細胞膜表面でPPARγと結合し、ミクログリアによる血腫中の赤血球の貪食を促進し、ICHのクリアランスを促進し、神経系をさらなる損傷から保護する39。
上記の議論では、ミトコンドリアがアストロサイトからミクログリアへ移行し、ミクログリアの貪食機能に影響を与えること、またミクログリアがミトコンドリアをアストロサイトへ移行させ、神経炎症の発生を促進または抑制することが述べられている。神経変性疾患では、神経細胞壊死のカスケード効果があり、変性あるいは壊死した神経細胞が末梢のグリア細胞を活性化し、ある手段でさらに神経細胞の変性あるいは壊死を引き起こし、疾患の進行につながる。神経変性疾患では、アルツハイマー病（AD）、筋萎縮性側索硬化症（ALS）、ハンチントン病（HD）に共通する特徴として、神経細胞内に神経毒性タンパク質が蓄積し、神経細胞の機能障害を引き起こし、最終的には神経細胞が死滅する40。これらの疾患では、炎症促進状態にあるグリア細胞から放出される機能不全ミトコンドリアが、同型または他の型のグリア細胞を活性化し、それらを炎症促進状態に陥らせ、さらに神経細胞の損傷を引き起こす41。ダイニン関連タンパク質1（Drp1）によって誘導されるミトコンドリア分裂によるミトコンドリアの破壊は、変性疾患の典型的な細胞の特徴である。42神経変性疾患では、死んだ神経細胞の断片がグリア細胞を介した神経炎症を誘発し、神経細胞死を増加させると考えられている。ある研究では、ミクログリアにおけるこれらの疾患に関連する神経毒性タンパク質の発現が、ナイーブなニューロンの死を直接誘発し、ナイーブなアストロサイトをA1状態に活性化することによって、ニューロン死を拡大する可能性があることが示された。傷害の拡大は、断片化し機能不全に陥ったミクログリアから神経細胞環境へのミトコンドリアの放出によって大きく媒介される。正常なミトコンドリアの場合、ミクログリアによって放出される損傷ミトコンドリアの数と、それに続く神経細胞の損傷は、グリア細胞のDrp1-Fis1によって媒介されるミトコンドリアの分裂によって決定される43。研究者たちは、ミクログリアが神経毒性タンパク質によって直接活性化され、そのメカニズムがDrp1-Fis1によって媒介されるミトコンドリアの過剰な分裂に依存することを発見した。元のアストロサイトと共培養した神経毒性タンパク質によってミクログリアが活性化されると、活性化されたミクログリアは、ミトコンドリア膜電位の変化やシトクロムcの喪失など、機能不全に陥ったミトコンドリアを放出し、ナイーブなアストロサイトに輸送し、アストロサイトをA1状態に活性化する。A1状態のアストロサイトはまた、対応する細胞毒性因子や機能不全ミトコンドリアを放出し、それらをニューロンに伝達し、最終的にニューロン死に導くことができる。つまり、細胞外の機能不全ミトコンドリアがミクログリアからアストロサイトへ、そしてニューロンへとダメージを広げるのである。この研究により、ミクログリアは損傷したミトコンドリアを放出し、アストロサイトに伝達し、アストロサイトを活性化し、神経細胞の機能に影響を与え、神経変性疾患の発症に影響を与えることが証明された。
中枢神経系の腫瘍細胞が関与するミトコンドリア転移
1927年、Warburgは腫瘍細胞における代謝過程を提唱した。腫瘍細胞では、細胞呼吸の欠陥によるエネルギー代謝の変化が起こりうる。具体的には、腫瘍細胞に大量のエネルギーを供給する酸化的リン酸化過程が、好気的解糖に変化する。Warburgは、好気的条件下で、腫瘍細胞の解糖と乳酸含量は著しく増加するが、酸化的リン酸化は増加しないという奇妙な現象を癌細胞で観察した。この好気的解糖現象は、現在ではワールブルグ効果と呼ばれている44。近年、研究者たちは、エネルギー代謝のリプログラミングががん細胞の中核をなすマーカーであり、この代謝変化はミトコンドリアの変化によって引き起こされる可能性があると指摘している45。しかし、上述の他の疾患とは異なり、外因性ミトコンドリアの投与が腫瘍細胞に対して保護効果や抑制効果を持つかどうかは明らかになっていない。一部の腫瘍では、ミトコンドリアの内在化が細胞内エネルギー代謝の救済に役立ち、放射線治療に対する腫瘍細胞の感受性を高める可能性がある46。しかし中枢神経系の悪性腫瘍では、状況は正反対である。多形膠芽腫（GBM）は成人の頭蓋内原発悪性腫瘍の中で最も多く、死亡率が高い。GBMの治療の現在のゴールドスタンダードは、外科的切除に放射線療法または化学療法を併用することである。研究により、上述のワールブルグ効果がGBMの浸潤性を促進する理由の一つである可能性が見出されている48。
腫瘍の発生と発育の影響は、腫瘍細胞そのものだけでなく、腫瘍微小環境と総称される周囲の細胞やその環境にも依存することを発見する研究者が増えている。専門家たちは、腫瘍の発生と進展は腫瘍細胞と腫瘍微小環境との相互作用に依存していると考えている49。この理論に基づき、研究者たちは、腫瘍微小環境内の細胞が腫瘍細胞にミトコンドリアを供給し、腫瘍細胞の代謝経路を変化させ、その生物学的活性に影響を与えているのではないかと推測している。神経膠腫の腫瘍微小環境では、腫瘍活性化間質細胞（TASC）が神経膠腫細胞との細胞間コミュニケーションを生み出すことができる。TASCは腫瘍細胞から放出される因子を通して神経膠腫の微小環境にリクルートされ、神経膠腫の発生や進展、治療抵抗性などの生物学的プロセスをサポートする50。このような効果をもたらす理由は、TASCがミトコンドリアを神経膠腫細胞に移動させることができるからである（図1D）。このことは、研究者らがTASCをGBM細胞株と共培養したところ、TASCがGBM細胞の活性酸素レベルを低下させることがわかった。海馬の技術を用いたGBM細胞の代謝解析では、共培養によってGBM細胞の好気的解糖レベルを有意に上昇させることができたが、酸化的リン酸化は有意に変化しなかった。次に研究者らは、TASCのミトコンドリアを分裂深紅で標識し、共培養システムにおけるTASCとGBMの細胞間コミュニケーションをタイムラプス顕微鏡で観察した。その結果、TASC細胞とGBM細胞の間にトンネルナノチューブ（TNT）が形成され、このトンネルを介してTASC細胞からGBM細胞へミトコンドリアが移動できることがわかった。移動後のミトコンドリアは、GBM細胞の好気性解糖を増加させ、細胞増殖を促進し、放射線耐性を増強することができる51。
ミトコンドリアは他の細胞から神経膠腫細胞へ移動するだけでなく、神経膠腫細胞から他の隣接細胞へも移動する。この現象は、腫瘍組織周囲の細胞が腫瘍形成によって引き起こされる微小環境の変化に適応するよう誘導することができる。共培養やストレス条件下でも、GBM細胞と隣接するアストロサイトはTNTを形成することができる。また、GBM細胞のミトコンドリアは、TNTを介してアストロサイトに転移することができ、これらの転移されたミトコンドリアは増幅または融合され、そのmtDNAに遺伝的変異を含むため、アストロサイトの代謝が腫瘍様代謝、すなわちグルコースとグルタミンにより依存する代謝へと移行する。同時に、移入されたミトコンドリアは、低酸素症やアポトーシスから腫瘍周囲のアストロサイトを保護することもできる。
中枢神経系における細胞間ミトコンドリア移動の3つの経路
トンネリングナノチューブ
トンネリングナノチューブ（TNT）は、細胞間の情報伝達を仲介する線状の膜チャネルである。これは細胞膜と、主に繊維状アクチン（F-アクチン）と微小チューブリンからなる細胞骨格成分から構成されている53。これらは2004年にRustomらによって初めて発見され、報告された。その後、ラットのアストロサイト、C6グリオーマ細胞、免疫細胞、筋肉細胞など、TNTを持つ細胞種が増えていった55。長さは数μmから数十μm、直径は数十ナノメートルから数μmに及ぶ。現在、TNTの標準的な分類はなく、直径によって2種類に分け、0.7ミクロンが境界とする学者もいる。つまり、TNTは常に連続的な流動状態にあり、その形成と消滅の 間隔はわずか数分である。TNTは純粋にin vitroの現象ではなく、in vivoでも観察される。TNTは、マウスの心臓の心筋細胞と線維芽細胞の間56、ヒトの腫瘍の一部57、眼球角膜の樹状細胞58でも見られた。
上記の説明の中で、アストロサイトがグリオーマ細胞へのミトコンドリア供与細胞として働くことができることを述べた（図1D）。アストロサイトは血液脳関門やシナプスの形成に重要な役割を果たしており、神経系における炎症反応の制御にも関与している59。上記では、アストロサイトがGBM細胞と相互作用して放射線療法に対する抵抗性を改善することができると述べたが、化学療法への影響については言及されていない。そこで、研究者らは、アストロサイトがTNTを介してミトコンドリアを移行させ、GBMの化学療法耐性を改善するという新たな仮説を提唱した。これまでの研究結果に基づき、研究者らは、アストロサイトがGBMの微小環境に及ぼす影響を研究するために使用できる、腫瘍微小環境をシミュレートした2Dおよび3Dのin vitroモデルを確立した60。共培養系では、UP-010アストロサイトからUP-007GBM細胞へと伸びる薄膜管状構造が観察された。これらの構造は、F-アクチン、およびTNTに特有のアクチン成分を含んでいた。ミトトラッカーオレンジを用いてアストロサイトのミトコンドリアを標識したところ、2Dモデルでも3Dモデルでも、ミトコンドリアは上記のTNT構造を通って移動できることがわかった61。このミトコンドリアの移動は、GBM細胞の増殖能の上昇をもたらし、化学療法薬であるテモゾロミド（TMZ）、ビンクリスチン（VCR）、クロミプラミン（CLM）に対するGBMの薬剤感受性を低下させる。
神経膠腫の再発は神経膠腫幹細胞（GSC）によって支配されており、正常な幹細胞型と同様に、GSCも腫瘍増殖という最終目標を達成するために急速に増殖することができる62。GSCはまた、TNTを介してミトコンドリアを移入することができる。研究では、1人の患者のGBMの外部浸潤領域からGBM幹細胞様細胞（GSLC）を使用し、2Dおよび3D細胞培養モデルを確立した。その結果、患者由来のGSCsはTNT構造を形成し、その特徴であるF-アクチンタンパク質が陽性であることが示された。次に、研究者らはミトコンドリア内膜をMitoGFPで染色し、TNT構造においてミトコンドリアの移動があることを確認した63。最後に、TNTの形成とミトコンドリアの移動に対する放射線の影響を検証した。興味深いことに、GSCsによって放射線に対する感受性が異なる。GSCの一部は、放射線照射後にTNTsの生成とミトコンドリア移行を増加させ、放射線に抵抗する。これは、異なる分子分布と異なる治療反応が共存しているためと考えられる。放射線は様々な変化を引き起こす可能性があるため、これを検証するためには更なる研究が必要である。
細胞外小胞
細胞外小胞（EV）は、直径30-1000nmの分泌性膜小胞の不均一なグループであり、細胞から放出される。EVは、その形態学的、生化学的特徴から、エクソソーム、マイクロベシクル（MV）、アポトーシス小体の3つのサブタイプに分けられる66。エクソソームは直径30～150nmの小胞で、細胞内で産生され、細胞膜と融合して細胞外腔に放出される67。マイクロベシクルは細胞膜から脱落した小胞で、クラスリンによって細胞質に放出される。アポトーシス小体はプログラムされた細胞死の産物であり、その最大径は5000nmである。EVは、細胞の増殖、分化、移動などの生物学的プロセスに関与し、がんの発生や進展に重要な役割を果たしている。核酸、タンパク質、様々な代謝産物、ミトコンドリアなど、EVによって輸送され得る荷物の種類は多い。ミトコンドリアを含むドナー細胞由来の外小胞がマクロファージと融合することで、そのミトコンドリアがマクロファージに移行し、その貪食機能が変化することを示した研究もある69。
NSCsは先に述べたように、中枢神経系の変性疾患の治療に使用することができる。これらの細胞は、EVを放出することによって機能的なミトコンドリアを移し、標的細胞の機能不全に陥ったミトコンドリアを回復させることができる。プロテオミクスにより、NSCsが放出したEV中のミトコンドリアタンパク質が有意に濃縮されていることが示され、形態学的および機能的解析により、EVには完全な構造と機能を持つミトコンドリアが含まれていることが確認された。これらのEVが炎症性単核食細胞によって融合された後、標的細胞における炎症性マーカーの発現は減少し、正常なミトコンドリア動態が回復した。研究者らは、多発性硬化症の動物モデルを構築し、NSCsを誘導して、マイクロベシクルを介して単核食細胞にミトコンドリアを移行させた。その結果、動物に見られた臨床的欠陥が有意に改善された。また、NSCsがEVを介して単球マクロファージに機能的ミトコンドリアを転移させることができ、これが多発性硬化症やその他の神経変性疾患患者の神経細胞におけるミトコンドリア機能障害を回復させるのに役立ったことも示されている70。
エンドサイトーシス
エンドサイトーシスは、真核細胞が細胞膜の侵入によって小胞を形成し、細胞外物質を細胞内に取り込むプロセスであり、貪食とピノサイトーシスの2種類がある。mitotracker redで標識したアストロサイトから単離したミトコンドリアを、誘導飢餓U87神経膠芽腫細胞株に添加したところ、in vivo蛍光イメージングにより、飢餓U87細胞にmitotracker red標識ミトコンドリアが存在することが示された。研究者らは、U87細胞を2時間飢餓状態にした後、細胞外物質の一部が細胞膜の浸潤を通して細胞内に侵入することを発見した。透過型顕微鏡で観察したところ、これらの内線の細胞膜にはアストロサイト由来のミトコンドリアが含まれていることが確認された。ミトコンドリアのエンドサイトーシス後、U87細胞の遺伝子発現プロファイルは変化し、解糖に関連する遺伝子がアップレギュレートされ、対応する酸化的リン酸化に関連する遺伝子はダウンレギュレートされた。同時に、エネルギー代謝の表現型も変化した。この矛盾した発見は、in vivoとin vitroの環境の違いによって引き起こされたのかもしれない。この実験はin vitroで行われたため、神経膠腫患者の腫瘍微小環境を完全に再現することはできない。したがって、腫瘍微小環境における神経膠腫細胞のエネルギー代謝に影響を及ぼす他の因子が存在するはずであり、神経膠腫細胞に対するミトコンドリア転移の影響についてはさらなる検証が必要である。
ギャップジャンクション
ギャップジャンクション（GJ）は、ギャップジャンクションタンパク質（コネキシン、Cx）、コネクソン、ギャップジャンクションチャンネル（GJC）から構成され、隣接する細胞間の物質交換とシグナル交換に重要である73。隣接する細胞膜上の2つのリンカーが端と端をつないでGJSを形成する。中間に形成されたGJCは、イオン、セカンドメッセンジャー、ステロール、リン脂質、その他の小分子を細胞間で交換することができる。脊椎動物の細胞では、Cxは多遺伝子ファミリーにコードされる相同性の高い膜貫通タンパク質である。骨髄間葉系幹細胞（BMSC）は、脊髄損傷（SCI）後に傷害を受けたニューロンをアポトーシスから守るが、これはギャップ結合を介してミトコンドリアを移動させることによって達成される。研究者らは、ラットの初代骨髄間葉系幹細胞を、酸素・グルコース欠乏（OGD）によって損傷を受けた初代皮質ニューロンと共培養した。共焦点顕微鏡を用いると、マイトジェン・レッドで染色した骨髄間葉系幹細胞のミトコンドリアが、損傷した神経細胞に移動することがわかった。イムノブロット分析により、ギャップジャンクションコネキシン43がBMSCsで発現し、ギャップジャンクション32がニューロンで発現していることが証明された。つまり、BMSCsとニューロンの間でコネキシン43とコネキシン32を介したヘテロ型ギャップジャンクションを形成し、この接続に依存してミトコンドリアを移送している可能性がある。ミトコンドリアを受け入れた後、神経細胞の生物学的スペクトルは改善され、生存率も向上し、アポトーシス関連タンパク質の発現も低下傾向にある75。これらの実験から、BMSCはGJCを介して損傷した神経細胞にミトコンドリアを移入することで、神経細胞をアポトーシスから保護していることがわかる（図1C）。
ミトコンドリア受容
上述した細胞間のミトコンドリア移動の方法は、いずれも特定の因子によって刺激される。研究者たちは、人為的に定量的にミトコンドリアを移動させるスキームを提案し、MitoCeptionと名付けた。ここではまず、MSCとGSCのミトコンドリアを標識し、その後GSCを培養してMSC中のミトコンドリアを単離した。その後、Mitoception法を用いて、単離されたミトコンドリアをGSCsに移植し、FACSと共焦点イメージングを用いて転移を解析した。このミトコンドリア移入法は、in vitroでニューロスフィアとして増殖するGSCsに適用される。同時に、移入されたミトコンドリアを持つ細胞をさらに分析して、細胞の代謝、可塑性、増殖、治療に対する反応などの生物学的特性に対する外因性ミトコンドリアの影響を調べることができる76。
中枢神経系における細胞間ミトコンドリア移入に関与する4つの分子シグナル伝達経路
Miro1を介したミトコンドリア移入
Miro1（ミトコンドリアRho-GTPase 1）はカルシウム感受性アダプタータンパク質であり、その役割はミトコンドリアとkIF5アクチンをつなぎ、ミトコンドリアがTNTの微小管に沿って移動するのを補助することである： Miro1は神経細胞のミトコンドリアの軸索輸送に重要な役割を果たすことが分かっており、Miro1の異常は様々な神経疾患や精神疾患に見られる78。Miro1は、TNTを介したミトコンドリアの細胞間輸送に関与する主要なタンパク質である。TNTの構造形成には影響しないが、TNT内でのミトコンドリアの移動速度には影響する79。ミトコンドリアマトリックス中のCa2+含量は、ミトコンドリアの速度に関係している。Miro1は主に、ミトコンドリアによるCa2+の取り込みを制御することによって、速度に影響を与える80。
研究者たちは、OGDを受けた神経細胞と共培養したMMSCにおいて、Miro1レベルが上昇することを発見した。Miro1レベルがミトコンドリア細胞間輸送に影響を及ぼす重要な因子であるかどうかを調べるため、研究者らはMiro1遺伝子を含むレンチウイルスベクターを構築し、MMSCsに導入したところ、Miro1の発現が増加した。このMiro1-MMSCsをアストロサイトと共培養したところ、アストロサイトはMMSCsから増加したミトコンドリアを受け取った22。また、脳虚血をシミュレートしたin vitroモデルでは、Miro1を過剰発現したMMSCsがより強いミトコンドリア輸送能を示し、細胞損傷を修復する能力が高いことも明らかになった。しかし、アストロサイトにsiRNAを導入してMiro1をノックダウンしたところ、シスプラチン処理した神経細胞へのミトコンドリア移入数が減少し、神経細胞のカルシウム動態の正常化が阻害された28。
cADPR/Ca2+を介したミトコンドリア移動
サイクリックADPリボース（cADPR）は、小胞体を活性化し、細胞内Ca2+の放出を動員することができるセカンドメッセンジャーであり、細胞のエンドサイトーシスとエキソサイトーシスの引き金となる重要なシグナルである。NAD+解糖系酵素ファミリーの一員であるCD38は、ミトコンドリア膜でカルシウムメッセンジャーループADPリボース（cADPR）の合成を触媒する81。神経系では、CD38はグリア細胞で発現し、その代謝プロセスを制御しており82、ラットの皮質アストロサイトはCD38タンパク質を発現し、cADPRシクラーゼ活性を持つことがある。Crispr/Cas9活性化プラスミドを用いてアストロサイトのCD38をアップレギュレートすると、条件培地中の細胞外ミトコンドリアの数が増加した。したがって、有害事象による神経細胞虚血傷害は、末梢アストロサイトを刺激して細胞内CD38タンパク質のレベルを上昇させ、より多くのNAD+からcADPRへの変換を触媒し、それによってアストロサイトのCa2+レベルを上昇させ、ミトコンドリアの細胞膜への移動を促進し、細胞外小胞の形成と放出を促進すると結論できる。これらの小胞は機能的なミトコンドリアを運び、損傷した神経細胞に近づけ、エンドサイトーシスによって神経細胞に移動させ、虚血神経細胞活動の回復を促進し、神経細胞死を減少させる（図1A）。CD157（BST-1、骨髄間質抗原-1）は内皮中皮細胞などに発現する細胞表面分子である。CD38と同様、NADase/ADPリボサイクラーゼファミリー83に属し、シグナル伝達のためのシグナルレセプターとして働くことができる。CD157はNAD+からcADPRへの変換も触媒することから、ミトコンドリア輸送の制御にも関与する可能性がある。BMSCsを傷害を受けたVSC4.1運動ニューロンと共培養すると、BMSCs中のCD157の発現が増加した。次に、BMSCsにCD157過剰発現ベクターとCD157干渉ベクターをトランスフェクトしたところ、CD157を過剰発現しているBMSCsは、より多くのミトコンドリアを細胞外に放出できることが示された。同様に、CD157の発現が低いBMSCsは、細胞外のミトコンドリア含量が有意に減少していた。BMSCにおけるCD157のアップレギュレーションは、VSC4.1運動ニューロンへの細胞外ミトコンドリア粒子の移動を促進し、VSC4.1運動ニューロンの軸索を徐々に再生させ、アポトーシスを減少させることもできる。CD157がcADPR/Ca2+経路を介してミトコンドリア放出を制御しているかどうかを調べるため、研究者らはBMSC細胞のcADPR活性と細胞内カルシウムレベルを評価した。その結果、cADPR活性と細胞内Ca2+濃度が最も高かったのは、CD157が高発現しているBMSCsであった85。したがって、CD157はCD38と同様に、CD157-cADPR-Ca2+シグナル伝達経路を介して細胞間ミトコンドリア輸送に関与している。
上記の両方の経路はミトコンドリアドナー細胞の調節の例であり、CD38-CADPR-Ca2+経路はレシピエント細胞による小胞を含むミトコンドリアのエンドサイトーシスにも影響を与えうる。FK-506結合タンパク質12.6（FKBP12.6）は、小胞体（ER）上に存在するリアノジン受容体（RYR）に結合し、RYR（細胞内カルシウム放出チャネル）の活性を阻害することができる。細胞質Ca2+とトロポニンCとの高レベルの結合は、F-アクチンのコンフォメーション変化を引き起こし、細胞骨格のリモデリングを引き起こし、細胞膜の浸潤を促進し、エンドサイトーシスを引き起こす。これらの細胞では、NAD+からNADHへの変換が減少し、蓄積した大量のNAD+が細胞外に放出された。CD38は細胞外NAD+の細胞内cADPRへの環化を触媒する。これはカルシウムイオンの放出を誘発し、細胞骨格のリモデリングと細胞膜の浸潤を促進するため、U87細胞におけるミトコンドリア小胞のエンドサイトーシス速度を増加させ、U87細胞のワールブルグ効果を弱める。
SCL1A5/MFSD2とHERV-WE1/HERV-FDR1
ヒト内在性レトロウイルス(HERV)はヒトゲノム中に存在し、遺伝物質の約8%を占めている88。HERVエレメントはレトロウイルスの特徴を持っており、ノンコーディングの長期反復遺伝子が両側に存在する。HERVは、外部ウイルスの配列相同性によって3つのカテゴリーに分けられる：ε（ε）およびγ（γ）ウイルスと広くクラスター化したクラスI、β（β）ウイルスとクラスター化したクラスII、およびスプーマウイルスに最も近縁なメンバーであるクラスIIIである89。ほとんどのHERVは、突然変異やエピジェネティックな修飾により水平的発現伝達能力を失っているが、細胞が病的状態にある時に対応するタンパク質をコードできる遺伝子も残っており90、これらのタンパク質は細胞の形質転換や癌の発生に関与していると考えられている。HERVエンベロープタンパク質WE1（syncytin-1）とFRD1（syncytin-2）は、ミトコンドリアと密接な関係があるようで、細胞膜を越えて自由に取り込まれることにより、ミトコンドリアの細胞間交換を促進する可能性がある。U87膠芽腫細胞を細胞毒性薬エトポシドで処理したところ、ミトコンドリアが核の周りに集まっていることが観察され、herv-frd1とherv-we1も核周辺腔に局在していた。膠芽腫から単離したミトコンドリアタンパク質抽出物をウェスタンブロットで検出したところ、ミトコンドリア膜にはherv-we1とherv-frd1が含まれていた。さらに、対応する受容体であるASCT2とMFSD2もミトコンドリア膜上に発現していた。レセプターとして働くU87神経膠芽腫細胞の膜上には、HERV-FRD1、HRRV-WE1、およびそれらに対応するレセプターASCT2とMFSD2も発現していた。細胞外ミトコンドリアがU87細胞に移動すると、HERVはリガンドとして働き、U87細胞膜上の対応するレセプターに結合して、ドナー細胞からのミトコンドリアの直接的な膜貫通取り込みと精製を促進する。抗シンチチン-1抗体と抗シンチチン-2抗体は、細胞によるミトコンドリアの直接取り込みを特異的にブロックするために、相同レセプターを標的とすることができる抗体である。化学療法不応性のがん細胞では、ミトコンドリアを標的とした新しい治療法の魅力的な道が開けるかもしれない92。
中枢神経系における細胞間ミトコンドリア移行を阻害する5つの標的と対応する薬剤
TNT阻害剤
TNTは細胞膜で構成され、細胞骨格はF-アクチンと微小チューブリンで構成されている。したがって、F-アクチンの重合はTNTの構造形成に重要な役割を果たしている。94 F-アクチン重合の阻害剤であるLatAが、TNTの形成と機能を示す実験に用いられた。アネキシンVは損傷した内皮細胞表面に露出したホスファチジルセリンを保護し、細胞間TNTの形成を抑制することができる。ある研究では、LatAまたはアネキシンVが、虚血周辺部からの微小血管およびその周辺において、救済された宿主細胞の数を有意に減少させることが示された95。虚血をシミュレートした脳血管内皮細胞とMSCを共培養したところ、MSCがTNTを介してミトコンドリアを内皮細胞に移行させることが判明した。しかし、LatAまたはアネキシンVを添加すると、TNTの形成が有意に減少し、その結果、損傷した細胞は正常な呼吸および代謝活性を回復することができなかった96。しかし、このTNT阻害剤は、神経系の虚血性損傷やミトコンドリア機能障害に起因する神経機能障害に対する疾患の回復には寄与しない。しかし、神経膠腫に対しては、TNTの形成を阻害し、次にミトコンドリアの転移を阻害することで、これらの細胞におけるワインバーグ効果を防ぐことができ、増殖に寄与しない。したがって、TNT阻害剤は将来、脳悪性腫瘍の治療をターゲットとする薬剤の候補となる可能性がある（表1）。
表1. 細胞間ミトコンドリア輸送の制御を標的とする薬剤
薬剤名薬剤構造標的部位薬剤性状作用機序ラトルンクリンAF-アクチンアクチンの重合を破壊し、有糸分裂紡錘体の形成を阻害し、細胞骨格に影響を及ぼすTNTAnnexin VF-アクチン傷害を受けた内皮細胞の表面に露出したホスファチジルセリンを保護し、細胞間TNTTTSB203580p38細胞内のp-p38のレベルを低下させることができるp-38の阻害剤、 Cx43PP2AとCx43の物理的結合を刺激し、Cx43タンパク質のリン酸化状態を変化させ、リン酸化Cx43を減少させる、 Cx43のリン酸化状態を変化させ、リン酸化Cx43を減少させ、非リン酸化Cx43を増加させ、ギャップジャンクションレベルを上昇させるGJC18 βグリチルレチン酸Cx43Cx43のリン酸化を誘導し、非リン酸化Cx43レベルを減少させ、細胞間のギャップジャンクションを阻害するGJC
小胞阻害剤
パーキンソン病（PD）は、安静時振戦、徐脈、硬直、非運動症状などの症状を伴う、運動に影響を及ぼす進行性の神経疾患である。パーキンソン病は、脳の黒質（SN）領域におけるドーパミン作動性（DA）ニューロンの進行性の消失と、レビー小体（LB）の存在によって特徴づけられる97。in vitroのパーキンソン病モデルにおいて、ヒト臍帯由来幹細胞由来のアストロサイトが、PDの損傷したニューロンにミトコンドリアを移入することができ、この移入経路は細胞外小胞によって行われることが判明した。このp38-MAPキナーゼ制御エンドサイトーシスは、クラスリンまたはRab5によって媒介され、その複合体はエンドサイトーシス輸送に依存している。研究チームは、パーキンソン病患者に見られる神経細胞様状態をシミュレートするため、ドーパミンニューロンをロテノンで処理した。ウェスタンブロット分析の結果、ロテノン処理したDAニューロンでは、リン酸化p38（pp38）のレベルが有意に上昇していた。SB203580はP-38の阻害剤であり、その細胞内濃度を低下させることができる98。これを用いたところ、アストロサイトからDAニューロンへ移行するミトコンドリアの数は有意に減少し、ロテノンで損傷したDAニューロンでさえも救済することができなかった99。したがって、p38/MAPK経路阻害剤は、ミトコンドリアの小胞輸送に関連する経路に対する特異的標的薬のクラスとみなすことができる（表1）。
ギャップ結合活性化薬および阻害薬
BMSCは損傷した運動ニューロンにミトコンドリアを移入することができ、この移入にはTNT（最も一般的なタイプ）だけでなく、細胞間ギャップジャンクションなど多くの方法がある。移入されたミトコンドリアは運動ニューロンのアポトーシスを抑制し、その機能回復を促進することができる。コネキシンタンパク質はギャップ結合の重要な構造成分であり、Cx43は物質交換に関与する最も重要なギャップ結合タンパク質ファミリーのメンバーの一つである。ライブセルイメージング研究により、Cx43からなるGJCが骨髄由来MSCと傷害を受けた肺胞上皮細胞との間に形成され、MSCによって放出されたミトコンドリアを封入した小胞がGJCを介して肺胞上皮細胞に到達し、その後エンドサイトーシスによって取り込まれることが判明している100。GJCを介して肺上皮細胞にミトコンドリアを移行させることは、肺傷害を治療するためのMSCの重要なメカニズムの一つである。レチノイン酸（RA）はCx43タンパク質のリン酸化状態を変化させ、リン酸化Cx43が減少し、非リン酸化型が増加する。このプロセスはプロテインホスファターゼ2A（PP2A）活性に依存している。RAはPP2AとCx43の物理的結合を刺激し、Cx43の脱リン酸化を誘導し、ギャップジャンクションの量を増加させる101。18βグリチルレチン酸（18βGA）は、カンゾウの根から単離されたサポニンで、ギャップジャンクションの伝達を阻害することが示されている。18βGAはCx43のリン酸化を誘導することができ、RAとは逆の役割を果たし、細胞間のギャップジャンクションを阻害する102。これらの実験結果は、18βGAがGJCを阻害することにより、BMSCから損傷した運動ニューロンへのミトコンドリアの移行を減少させる一方、RAがGJICを活性化することにより、ミトコンドリアの移行を増加させることを示している（表1）。
外因性移植
ミトコンドリア輸送は、細胞の恒常性と細胞機能の維持に重要な役割を果たしている。肺疾患、心筋症、脳損傷などの多くの変性疾患が、ミトコンドリアの機能障害と強く関連しているという証拠が増えつつある。ミトコンドリアのホメオスタシスを維持するために、疾患細胞の損傷したミトコンドリアを健康なミトコンドリアと人工的に置換することが、潜在的な戦略であることは広く認識されている。中枢神経系疾患では証明されていないが、肺変性疾患では、酸化鉄ナノ粒子（IONP）を用いることで、ミトコンドリアの生体エネルギーの潜在能力を回復させるために、ヒト間葉系幹細胞（hMSCs）から疾患細胞への細胞間ミトコンドリアの移動を選択的に促進できることが実証されている105。
6 結論と今後の期待
ストレスや傷害を受けた細胞は、サイトカインや異常代謝産物のような化学的シグナルや、膜電位の変化のような電気的シグナルなど、様々な苦痛シグナルを発することができる。これらの苦痛シグナルによる刺激の後、これらの細胞に隣接する周囲環境の他の細胞が、損傷を受けた細胞に勧誘され、効果的な物質や情報の交換のために、その細胞と複雑な細胞間コミュニケーションを確立することができる。最も重要で一般的な例は、ミトコンドリアの細胞間移動である。細胞間情報伝達の確立は、損傷を受けた細胞やストレスを受けた細胞の代謝レベルやエネルギー・プログラミングに影響を与える。異なる刺激によって引き起こされる異なるタイプの細胞損傷に対しては、この代謝の再プログラミングは細胞にとって有益である。しかし、ヒトの疾病状態全体にとって、ある種の細胞コミュニケーションは、しばしば患者の予後不良の原因の一つとなっている。虚血や低酸素によって引き起こされる神経虚血性疾患や神経変性疾患の場合34、健康な細胞から損傷した細胞へのミトコンドリアの移動は、しばしばその活性を回復させ、ミトコンドリア呼吸機能を救済し、酸化的リン酸化を促進し、乳酸産生を減少させ、最終的にアポトーシスを回避することができる。神経系腫瘍にとって、ミトコンドリアの移動は有害な現象のようである。ワインベルク効果の影響下で、腫瘍細胞は好気的解糖により細胞の高いエネルギー需要を維持することを好むようである106。したがって、ミトコンドリアの転移は腫瘍細胞が好気的解糖をより大きく実行することを促進し、その結果、腫瘍細胞の増殖を促進し、放射線や化学薬品に対する感受性を高め、患者の経過観察治療に資するものではない。現在、ミトコンドリア・ドナーとして最も一般的に用いられている細胞タイプはMSCである107。マウス由来の幹細胞からミトコンドリアを精製し、ヒトの神経細胞に注入することで、神経細胞の代謝状態を変化させることができる108。したがって、さまざまなタイプの神経系疾患に直面した場合、ミトコンドリア移行促進剤や阻害剤を正しく使用し、ミトコンドリア活性を保護することは、臨床試験において解決すべき緊急の課題である。将来的には、複数のミトコンドリア移行を標的とした薬剤を併用することで、様々な中枢神経系疾患の予後が改善される可能性がある。
著者貢献
構想およびデザイン： Geng ZA、Zhu C. 文献の取得： Geng ZA、Guan S、Wang SQ、Yu ZX。データの解析と解釈： Geng ZA、Guan S、Wang SQ。論文作成： Geng ZA、Guan S、Wang SQ、Yu ZX。論文の批判的修正： Zhu C、Du SN、Liu TC。提出された原稿の査読： Zhu C、Du SN、Liu TC。全著者を代表して最終版を承認した： 研究監督： 研究監督：Zhu C.
資金提供情報
本研究は、中国国家自然科学基金（第82103450号）の助成を受けた。
利益相反声明
著者らは、本論文に記載された薬剤、材料、器具のいずれについても、個人的、金銭的、組織的な利害関係はない。
出版への同意
すべての著者が掲載に同意した。
オープンリサーチ
参考文献
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