Stem cell therapies are unsatisfactory due to poor cell survival and engraftment. Stem cell used for therapy must be properly “tuned” for a harsh in vivo environment. Herein, we report that transfer of exogenous mitochondria (mito) to adipose-derived mesenchymal stem cells (ADSCs) can effectively boost their energy levels, enabling efficient cell engraftment. Importantly, the entire process of exogeneous mitochondrial endocytosis is captured by high-content live-cell imaging. Mitochondrial transfer leads to acutely enhanced bioenergetics, with nearly 17% of higher adenosine 5′-triphosphate (ATP) levels in ADSCs treated with high mitochondrial dosage and further results in altered secretome profiles of ADSCs. Mitochondrial transfer also induced the expression of 334 mRNAs in ADSCs, which are mainly linked to signaling pathways associated with DNA replication and cell division. We hypothesize that increase in ATP and cyclin-dependent kinase 1 and 2 expression might be responsible for promoting enhanced proliferation, migration, and differentiation of ADSCs in vitro. More importantly, mito-transferred ADSCs display prolonged cell survival, engraftment and horizontal transfer of exogenous mitochondria to surrounding cells in a full-thickness skin defect rat model with improved skin repair compared with nontreated ADSCs. These results demonstrate that intracellular mitochondrial transplantation is a promising strategy to engineer stem cells for tissue regeneration.

中文翻译：

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细胞质内线粒体移植用于间充质干细胞工程和组织再生

由于较差的细胞存活和植入，干细胞疗法不能令人满意。用于治疗的干细胞必须针对恶劣的体内环境进行适当的“调整”。在这里，我们报告将外源性线粒体（mito）转移到脂肪来源的间充质干细胞（ADSCs）可以有效地提高它们的能量水平，从而实现有效的细胞移植。重要的是，外源性线粒体内吞的整个过程是通过高内涵活细胞成像捕获的。线粒体转移导致生物能量学急剧增强，在高线粒体剂量处理的 ADSCs 中，近 17% 的腺苷 5'-三磷酸 (ATP) 水平升高，并进一步导致 ADSCs 的分泌组谱发生改变。线粒体转移还诱导了 ADSCs 中 334 种 mRNA 的表达，它们主要与与 DNA 复制和细胞分裂相关的信号通路有关。我们假设 ATP 和细胞周期蛋白依赖性激酶 1 和 2 表达的增加可能是促进体外 ADSC 增殖、迁移和分化增强的原因。更重要的是，与未经处理的 ADSCs 相比，在全层皮肤缺损大鼠模型中，有丝分裂转移的 ADSCs 显示出延长的细胞存活、植入和水平转移到周围细胞中的皮肤修复能力。这些结果表明，细胞内线粒体移植是一种有前景的设计用于组织再生的干细胞的策略。我们假设 ATP 和细胞周期蛋白依赖性激酶 1 和 2 表达的增加可能是促进体外 ADSC 增殖、迁移和分化增强的原因。更重要的是，与未经处理的 ADSCs 相比，在全层皮肤缺损大鼠模型中，有丝分裂转移的 ADSCs 显示出延长的细胞存活、植入和水平转移到周围细胞中的皮肤修复能力。这些结果表明，细胞内线粒体移植是一种有前景的设计用于组织再生的干细胞的策略。我们假设 ATP 和细胞周期蛋白依赖性激酶 1 和 2 表达的增加可能是促进体外 ADSC 增殖、迁移和分化增强的原因。更重要的是，与未经处理的 ADSCs 相比，在全层皮肤缺损大鼠模型中，有丝分裂转移的 ADSCs 显示出延长的细胞存活、植入和水平转移到周围细胞中的皮肤修复能力。这些结果表明，细胞内线粒体移植是一种有前景的设计用于组织再生的干细胞的策略。在全层皮肤缺损大鼠模型中，外源性线粒体的植入和水平转移至周围细胞，与未处理的 ADSC 相比，皮肤修复得到改善。这些结果表明，细胞内线粒体移植是一种有前景的设计用于组织再生的干细胞的策略。在全层皮肤缺损大鼠模型中，外源性线粒体的植入和水平转移至周围细胞，与未处理的 ADSC 相比，皮肤修复得到改善。这些结果表明，细胞内线粒体移植是一种有前景的设计用于组织再生的干细胞的策略。