神經退行性疾病（ND）以神經元功能的進行性損害和喪失為特征^[1]。小腦神經退行性疾病（CBND）表現為小腦性共濟失調。現有的治療方法不能完全糾正潛在的神經退行性疾病過程。浦肯野細胞的線粒體損傷已被確定為小腦神經退行性疾病的核心機制。針對浦肯野細胞的線粒體干預可能是對抗該疾病的一種有前途的治療策略。

研究表明，線粒體移植可以增強受體細胞中的電子傳遞鏈活性，降低活性氧水平，從而抑制神經元凋亡和壞死^[2]。此外，線粒體移植通過消除損傷的線粒體從而改善受體細胞的功能^[3]。移植健康線粒體已被證明可以通過恢復神經元中的線粒體生物能量，增強Leigh綜合征小鼠的神經功能和運動能力^[4]。然而，線粒體移植治療小腦神經退行性疾病的治療潛力和潛在的分子機制仍有待充分闡明。

近日，空軍軍醫(yī)大學王亞云教授團隊利用浦肯野細胞內Drp1特異性敲除小鼠構建了小腦神經退行性疾病模型，并利用行為學、形態(tài)學及分子生物學等技術進行了驗證。通過在小腦局部注射肝源性線粒體，研究者發(fā)現線粒體移植能夠顯著改善小鼠的運動功能、浦肯野細胞及線粒體功能。這項研究成果于3月22日發(fā)表于《Nature Communications》雜志上。
 

圖片來源：《Nature Communications》
（https://doi.org/10.1038/s41467-025-58189-4）

研究材料與方法
在這項研究中，研究人員利用Pcp2 Cre小鼠（賽業(yè)生物提供）與Drp1-LoxP小鼠（賽業(yè)生物提供）構建了小腦浦肯野細胞內Drp1特異性敲除小鼠（PCKO小鼠）。利用ObRb Cre小鼠（賽業(yè)生物提供）與線粒體報告小鼠（Mito-GFP-LoxP）雜交獲得了肝臟ObRb陽性細胞線粒體外膜特異性表達綠色熒光的小鼠。采用了多種技術對線粒體移植在小腦神經退行性疾病中的作用進行了深入研究，包括線粒體移植、病毒調控、免疫熒光、RNAscope、組織透明化、Western Blot等技術，此外他們結合多種方法對線粒體功能進行了檢測。

技術路線
01 構建浦肯野細胞Drp1基因敲除
02 敲除小鼠行為、浦肯野細胞功能分析
03 線粒體提取、質量控制與移植
04 明確線粒體移植的治療效應與時間窗口
05 線粒體移植發(fā)揮效應的分子機制

研究結果
研究人員使用Pcp2 Cre小鼠（賽業(yè)生物提供）與Drp1-LoxP小鼠（賽業(yè)生物提供）成功構建了浦肯野細胞內Drp1基因敲除小鼠，該小鼠表現為小腦萎縮、浦肯野細胞進行性丟失以及小鼠共濟失調。

 

圖1 Drp1 KO小鼠表現為小腦萎縮、浦肯野細胞死亡及平衡功能障礙。（a）小鼠構建策略。（b）小鼠體重檢測。（c）小腦重量。（d-g）熒光結果分析。（h-j）浦肯野細胞DRP1蛋白及Drp1 mRNA的水平。（k-m）行為學實驗結果。^[5]

研究人員提取了健康C57BL/6J小鼠的線粒體，并證明這游離線粒體的功能在一個小時以內沒有顯著變化。之后他們將游離線粒體在小腦具體進行了注射。
 

圖2 線粒體提取及移植策略。（a - c ）線粒體提取流程。（d和e）線粒體活性檢測及確認。（f和g）線粒體功能檢測。（h）線粒體移植流程。^[5]

將健康線粒體移植至幼年小腦退行性疾病小鼠小腦顯著改善了小鼠運動功能障礙。細胞層面表現為浦肯野細胞丟失和膠質細胞的增生顯著減少。此外，稀疏標記的結果表明線粒體移植改善了浦肯野細胞的形態(tài)。

 

圖3 線粒體改善Drp1 KO小鼠行為及浦肯野細胞形態(tài)。（a）時間流程。（b）平衡木實驗。（c和d）平衡木實驗分析。（e-h）免疫熒光實驗及分析。（i）稀疏標記實驗結果。^[5]

線粒體移植改善了浦肯野細胞內線粒體網絡結構，增強了小腦線粒體功能，包括增加ATP水平和線粒體膜電位，降低了線粒體ROS的產生，改善了線粒體呼吸復合物III和V。

圖4 線粒體移植改善Drp1 KO小鼠浦肯野細胞內線粒體的形態(tài)功能。（a）MiNA分析。（b）線粒體功能檢測。（c）小腦電子傳遞鏈蛋白的表達。^[5]

研究結論
總結來說，這項研究表明將肝臟來源的線粒體移植到1月齡PCKO小鼠小腦中，可改善線粒體功能，減少線粒體自噬，延緩浦肯野細胞凋亡，減輕小鼠共濟失調。這些發(fā)現表明，線粒體移植有望成為小腦退行性疾病的一種治療方法。

參考文獻：
[1]TAKAHASHI T, STOILJKOVIC M, SONG E, et al. LINE-1 activation in the cerebellum drives ataxia [J]. Neuron, 2022, 110(20): 3278-87.e8.

[2]JAIN R, BEGUM N, TRYPHENA K P, et al. Inter and intracellular mitochondrial transfer: Future of mitochondrial transplant therapy in Parkinson's disease [J]. Biomed Pharmacother, 2023, 159: 114268.

[3]LIN R Z, IM G B, LUO A C, et al. Mitochondrial transfer mediates endothelial cell engraftment through mitophagy [J]. Nature, 2024, 629(8012): 660-8.

[4]NAKAI R, VARNUM S, FIELD R L, et al. Mitochondria transfer-based theraPIes reduce the morbidity and mortality of Leigh syndrome [J]. Nat Metab, 2024, 6(10): 1886-96.

[5]Li, SJ., Zheng, QW., Zheng, J. et al. Mitochondria transplantation transiently rescues cerebellar neurodegeneration improving mitochondrial function and reducing mitophagy in mice. Nat Commun 16, 2839 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58189-4