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造血干細胞線粒體檢測的革新
來源:泛肽生物 | 作者:泛肽生物研發中心團隊 | 發布時間: 2022-07-08 | 125 次瀏覽 | 分享到:


《Cell》子刊:造血干細胞線粒體檢測的革新


干細胞是一群具有自我修復能力(Self-renew),能夠分化為各種細胞,具有很強修復能力的細胞。而造血干細胞的復制與分化形成了外周血中復雜的細胞類型。這些是我們已知的知識,干細胞還有很多未解之謎,如干細胞的線粒體質量。已有報道稱造血干細胞的線粒體質量較低,且線粒體自噬(線粒體在胞內自我清除)升高被用來解釋造血干細胞線粒體質量低的原因。

我們不妨先來看另外一個故事:1996年,Goodell等人首次用流式細胞技術描述了一群具有很高的再生能力的骨髓干細胞亞群,稱其為側群(Side Population,SP),簡單說利用干細胞將染料(Hoechst 33342)泵出的特點進行識別。該過程主要由于細胞膜上ABCG2蛋白的作用。

ABCG2蛋白是干細胞的標記蛋白之一,同時是一種半轉運蛋白,它能夠主動將有害物質(染料或小分子探針)從胞內排到胞外,被認為是一種外排泵(efflux pumps)。除干細胞外,這個主動耗能將小分子藥物排出的外排泵在很多微生物、腫瘤細胞表面都被發現,并認為可能是產生耐藥的原因。使用線粒體染料MitoTracker Green染色會因為造血干細胞染料外排特點導致檢測熒光數值很低,給人一種“干細胞線粒體質量低”的錯覺。至此,大家應該明白先前檢測造血干細胞的線粒體質量較低的原因了。

造血干細胞的外排泵能夠被一種小分子藥物維拉帕米(verapamil,以下簡稱為VP阻斷劑)阻斷。當有VP阻斷劑存在時,線粒體染料不會被外排出細胞。此時除Lin+細胞(成熟細胞/非干性細胞)外,所有檢測的造血細胞群體中線粒體熒光強度均增加。也就是說,去掉外排現象后未成熟細胞的線粒體質量都升高了,此時檢測出的才是細胞真正的線粒體質量;另一方面,有無VP阻斷劑對檢測成熟細胞線粒體質量沒有影響。這說明細胞在成熟后外排泵失去功能或丟失。

隨后,哥倫比亞大學的Hans-Willem教授團隊通過mtDNA定量、線粒體計數和分析編碼線粒體報告基因的熒光強度,明確造血干細胞(HSC)和多潛能祖細胞(MPP)的線粒體質量高于譜系祖細胞(CP/CLP)和成熟細胞(Lin+),也就是隨著細胞的分化成熟,線粒體質量會越來越低。盡管線粒體質量相似,多潛能祖細胞的呼吸能力超過造血干細胞。其實,造血干細胞通過糖酵解而不是通過線粒體呼吸產生大部分細胞能量。雖然對線粒體的依賴沒有那么強,但是干細胞內的線粒體其實一點也不少。

對于分化能力強、干性強的細胞,加入VP阻斷劑能夠更準確的檢測線粒體質量。但對成熟細胞的線粒體檢測不受外排泵影響。文末Hans-Willem教授提出線粒體在造血干細胞生物學中的作用可能需要重新研究,因為傳統的線粒體檢測忽視了干細胞的染料外排特點。針對成熟細胞的線粒體檢測也在不斷升級,我們已經有了臨床檢測用的線粒體檢測試劑(已獲二類試劑注冊證),相信醫學的進步會帶給人們更大的獲益。


參考

? l Morganti C, et al. Improving the Accuracy of Flow Cytometric Assessment of Mitochondrial Membrane Potential in Hematopoietic Stem and Progenitor Cells Through the Inhibition of Efflux Pumps. J Vis Exp. 2019, 30, (149): 10.3791/60057.

? l Mariana Justino de Almeida, et al. Dye-Independent Methods Reveal Elevated Mitochondrial Mass in Hematopoietic Stem Cells. Cell Stem Cell. 2017, 21(6):725-729.

? l Avenda?o A, et al. Accuracy and reproducibility of stem cell side population measurements on clinically relevant products. Curr Stem Cell Res Ther. 2014, 9(6): 526-34.

? l Scharenberg CW, et al. The ABCG2 transporter is an efficient Hoechst 33342 efflux pump and is preferentially expressed by immature human hematopoietic progenitors. Blood. 2002, 15, 99(2): 507-512.




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