Mitochondrijų perdavimas: atgaivina ląstelių energiją

Mokslininkai sukūrė naują būdą atkurti energiją senstančiose žmogaus ląstelėse, padidindami mitochondrijų kiekį donorinėse kamieninėse ląstelėse ir leidžiant toms ląstelėms perduoti naujai pagamintas organeles silpnesnėms kaimynėms. Ši metodika naudoja specialiai sukurtas nanodaleles, kurios mažina ląstelių streso žymenis ir aktyvuoja genus, skatinančius mitochondrijų biogenezę — techniką, kuri ateityje galėtų padėti gydyti širdies pažeidimus, raumenų ligas ir kitas su ląstelių senėjimu susijusias būkles.

Kaip mikroskopinis akumuliatoriaus keitimas atgaivina pavargusias ląsteles

Mitochondrijos yra smulkios ląstelių „elektrinės“, gaminančios energiją (adenozino trifosfatą, ATP), reikalingą gyvybinei veiklai. Senėjant mažėja ne tik jų skaičius, bet ir funkcija — tai prisideda prie širdies ligų, neurodegeneracijos, raumenų silpnumo ir kitų amžiui būdingų sutrikimų. Naujas tyrimas iš Texas A&M universiteto rodo, kad įmanoma paskatinti sveikas kamienines ląsteles pagaminti papildomas mitochondrijas ir paskui perduoti jas vyresnėms ar pažeistoms ląstelėms — tarsi atlikti mikroskopinį „akumuliatoriaus keitimą“.

Tyrėjų komanda sukonstravo žiedų formos nanodaleles, pavadintas „nanogėlėmis“ (angl. "nanoflowers"), pagamintas iš molibdeno disulfido. Šios porėtos dalelės veikia kaip mikroskopiniai kempinėlės, surenkantys reaktyvias deguonies rūšis (ROS) — nestabilias deguonies molekules, kurios ardo ląstelių struktūras ir slopina mitochondrijų gamybą. Sugerusdamos ROS tikslinei audinių zonai, nanogėlės mažina oksidacinį stresą ir aktyvuoja kamieninėse ląstelėse genetinę programą, skatinančią mitochondrijų biogenezę (įtraukiant svarbius reguliatorius kaip PGC-1α, NRF1 ir TFAM), todėl padaugėja sveikų, funkcingų organelių.

Be to, kamieninės ląstelės natūraliai turi polinkį dalintis mitochondrijomis su kaimyninėmis ląstelėmis taisant audinius. Eksperimentuose donorinės kamieninės ląstelės, „įkrautos“ papildomomis mitochondrijomis, turėjo kur kas daugiau perdavimui, todėl menkas priežiūros mechanizmas pavirto veiksminga priemone atgaivinti aplinkines ląsteles. Mitochondrijų perdavimas gali vykti per kelias mechanines formas: tiesioginiais tuneliniais nanovamzdeliais (tunneling nanotubes), ekstraląstelinių vezikulų pernešimu arba mikrofagijų tarpininkavimu — kiekvienas mechanizmas turi savo efektyvumą ir taikymo niuansus.

Ką parodė laboratoriniai bandymai

Rezultatai yra įspūdingi ir suteikia aiškių kiekybinių duomenų. Gydytos kamieninės ląstelės išleido maždaug dvigubai daugiau mitochondrijų nei kontrolės ląstelės, o kai kurių taikinių — dar daugiau. Pavyzdžiui, lygiųjų raumenų ląstelės (smooth muscle cells) demonstravo trijų–keturių kartų padidėjimą priimtų mitochondrijų kiekyje. Širdies ląstelėms, paveiktoms chemoterapijos — sąlygoms, kurios paprastai sukelia stiprią mitochondrijų disfunkciją — gavus energizuotų kamieninių ląstelių mitochondrijų, išgyvenamumo rodikliai žymiai pagerėjo pagal kriterijus, naudojančius ATP kiekio matavimus, oksidacinio streso žymenis ir ląstelių gyvybingumo testus.

Bandymuose taip pat naudojami keli vizualizacijos ir funkcionalumo metodai: fluorescenciniai žymekliai mitochondrijoms (pvz., MitoTracker), elektroninė mikroskopija, kvantitavimas pagal citochemijos ir fermentų aktyvumą (pvz., COX veikla), bei metaboliniai testai (seahorse analizė), kad būtų galima įvertinti tiek organelių pernešimo mastą, tiek perduotų mitochondrijų funkcinį indėlį. Tokie kelių metodų įvertinimai sustiprina išvadas, nes patvirtina ne tik kiekybinius pokyčius, bet ir kokybinį funkcionalumą.

Kadangi ši metodika stimuliuoja esamą ląstelės biologinę mašiną, o ne keičia DNR arba nesiremiamas sisteminiais vaistais, tyrėjai mano, kad tai gali būti saugesnis atjauninimo kelias. "Mes išmokėme sveikas ląsteles dalintis savo atsarginiais akumuliatoriais su silpnesnėmis,"— paaiškino tyrimo vyriausiasis biomedicinos inžinierius, apibūdindamas koncepciją kaip bendradarbiaujančią, ląsteliniu lygiu veikiančią gelbėjimo operaciją.

Galimos taikymo sritys ir kodėl tai svarbu

Tarp galimų pritaikymų yra platus spektras. Lokalizuotas energizuotų kamieninių ląstelių pristatymas šalia širdies gali padėti apsaugoti arba atstatyti širdies audinį po infarkto ar chemoterapijos sukeltos kardiotoksiškos žalos. Injectuojant jas į raumenis galima kovoti su degeneracinėmis būklėmis, tokiomis kaip Duchenne ar kitos raumenų distrofijos, arba sumažinti sarkopenijos (amžinį raumenų masės nykimą) poveikį. Taip pat tai gali būti taikoma audiniams, pažeistiems toksinų ar radiacijos, bei potencialiai neurodegeneracinėms ligoms, kur mitochondrijų disfunkcija vaidina svarbų vaidmenį (pvz., Parkinsono ar Alzheimerio ligos modeliuose).

Padidinant mitochondrijų perdavimą galima sulėtinti arba atvirkščiai atstatyti kai kurias ląstelių senėjimo apraiškas: pagerinti energijos gamybą, sumažinti oksidacinį stresą, atstatyti metabolinę homeostazę ir sustiprinti audinių atsparumą. Tokiu būdu regeneracinė medicina gali pasinaudoti ne tik transplantacijomis ar ląstelių pakeitimu, bet ir veiksmingu esamų ląstelių funkcijų stiprinimu.

Vis dėlto autorių komanda pabrėžia, kad tai yra ankstyvos stadijos koncepcijos įrodymas. Tai, kas veikia kontroliuojamame ląstelių kultūros inde, turi būti išbandyta gyvuose organizmuose, kad būtų suprasti biodistribucija (kur lieka implantuotos ląstelės ir nanodalelės), dozavimas, pristatymo keliai ir ilgalaikis saugumas. Imuninės reakcijos į nanodaleles, netikslingi poveikiai ir perduotų mitochondrijų išliekamumas yra svarbūs klausimai, kuriuos reikia išspręsti prieš pradedant klinikinius bandymus.

Iššūkiai: saugumas, pristatymas ir mastas

Technikos perkėlimas į gyvūnus, o vėliau ir į žmones, reikalauja kruopščių tyrimų ir daugiapakopio vertinimo. Reikia nustatyti optimalias implantacijos vietas, kurios duotų geriausią terapinį efektą, nustatyti saugų ir veiksmingą mitochondrijų kiekį, kurį galima perkelti, ir ar reikalingos pakartotinės procedūros. Taip pat būtina ištirti, ar perduotos mitochondrijos išlieka funkcionalios ilgą laiką, ar jas organizmas pašalina, ir ar jų buvimas turi nepageidaujamų sisteminių pasekmių.

Reguliacinė trajektorija yra sudėtinga: nanopartiklių palaikomi biologiniai gydymai derina prietaiso ir vaisto bruožus, todėl reikalauja stiprių prieklininių duomenų (toksikologija, farmakokinetika, biodistribucija), o ir gamyba turi atitikti GMP reikalavimus. Mastelio didinimas gamyboje, partijos vienodumas, sterilumo užtikrinimas ir ilgalaikis stabilumas — visi šie aspektai prideda papildomų sudėtingų reikalavimų.

Nors yra kliūčių, genetikas John Soukar, komentavęs projekto potencialą, pažymėjo, kad platforma gali atrasti naujus gydymo būdus daugeliui ligų — tačiau sritis yra tokia plati, kad „galima dirbti be galo ir kasdien rasti naujų dalykų bei naujus gydymo metodus“. Ši atsargi optimistinė nuostata atspindi tiek pažadą, tiek sudėtingumą pereinant nuo ląstelių kultūros prie žmogaus terapijos.

Ekspertų įžvalgos

Dr. Elena Morales, ląstelinės biologijos profesorė, nedalyvavusi tyrime, teigia, kad strategija yra „elegantiška ir strategiškai sumani“: ji naudoja ląstelių natūralius taisymo mechanizmus, o ne priverstines intervencijas, tokias kaip genų redagavimas. "Jeigu saugumo profilis išsilaikys gyvūnų tyrimuose, selektyvus mitochondrijų perdavimo stiprinimas gali tapti universalia priemone regeneracinėje medicinoje," — priduria ji, ragindama atidžiai stebėti uždegimą, imuninį atsaką ir sisteminius poveikius bei atlikti ilgalaikio funkcionalumo vertinimus.

Ekspertai taip pat akcentuoja, kad reikalingi standartizuoti kalibravimo metodai mitochondrijų kiekiui ir funkcijai matuoti po perdavimo, gilios saugumo analizės (pvz., genomo stabilumo įvertinimas, onkogenezės rizikos stebėsena) ir nepriklausomos atkuriamumo studijos. Be to, reikėtų išnagrinėti, kaip skirtingos paciento būklės (pvz., senėjimas, lėtinės uždegiminės ligos, imunosupresija) įtakoja mitochondrijų perdavimo efektyvumo profilį.

Kol kas PNAS paskelbtas tyrimas žymi skatinamą žingsnį link mitochondrijų perdavimo panaudojimo kaip terapinės strategijos. Tolesni tyrimai gyvūnuose ir gerai suprojektuoti klinikiniai tyrimai leis patikrinti, ar audinių „perkraunant“ jų pačių energijos dalijimosi sistemas galima saugiai ir efektyviai gydyti su amžiumi susijusias bei degeneracines ligas.