Využití červených krvinek pro doručení zdravých mitochondrií
Vědci využili červené krvinky jako dárce membrán pro zapouzdření zdravých mitochondrií s cílem doručit je do nemocných buněk. V rámci této práce bylo dosaženo zlepšení v různých modelech a stavech, což naznačuje potenciál této metody.
Výzva v doručení mitochondrií
Mitochondriální onemocnění představují skupinu poruch vznikajících při nefunkčnosti mitochondrií. Často jsou způsobeny mutacemi v samotné mitochondriální DNA (mtDNA) nebo v jaderných genech kódujících proteiny související s mitochondriemi. Mitochondriální dysfunkce je rovněž považována za jeden z charakteristických znaků stárnutí, což souvisí s rolí mitochondrií jako hlavního zdroje energie pro většinu buněčných procesů. Pokud mitochondrie selhávají v důsledku hromadících se mutací nebo trvalého poškození, například oxidačním stresem, může to postihnout jakoukoli tkáň nebo orgán. Příkladem neurodegenerativního onemocnění, u kterého hraje mitochondriální dysfunkce ústřední roli, je Parkinsonova choroba.
Doručení zdravých funkčních mitochondrií do nemocných buněk představuje oblast zájmu, nicméně výzkumníci se v této snaze setkávají s řadou překážek. Fyzické přístupy, jako jsou optické pinzety nebo fototermální nanonože, umožňují přesný přenos mitochondrií, avšak pouze do velmi malého počtu buněk. Jednoduché injekce volně plovoucích mitochondrií do krevního oběhu vedly k omezeným účinkům.
Úspěchy v laboratorních podmínkách
V nové studii publikované v časopise *Cell* se skupina čínských vědců pokusila vyřešit problém doručení mitochondrií jejich zapouzdřením do buněčných membrán získaných z červených krvinek (erytrocytů). Předpokládalo se, že by to mohlo chránit mitochondrie v krevním řečišti a usnadnit jejich příjem cílovými buňkami. Červené krvinky jsou složeny pouze z plazmatických membrán bez dalších organel, což je činí vhodným a klinicky bezpečným zdrojem membránového materiálu.
Mitochondrie byly izolovány z dárcovských buněk, smíchány s plazmatickými membránami erytrocytů z myší nebo lidí a umožnilo se jim, aby se samovolně sestavily do kapsulovitých struktur. Mitochondrie uvnitř těchto kapslí vykazovaly zlepšení dvou markerů mitochondriální funkce – vyšší membránový potenciál a vyšší hladiny ATP – ve srovnání s volnými mitochondriemi, což naznačuje, že zapouzdření zachovává nebo zlepšuje zdraví mitochondrií.
Kapsle obsahující fluorescenčně značené dárcovské mitochondrie byly následně inkubovány s příjemcovými buňkami. Časosběrná videa prokázala vstup dárcovských mitochondrií do buněk prostřednictvím fúze membrán. Během 48 hodin se dárcovské mitochondrie spojily s endogenní mitochondriální sítí buňky, přičemž přibližně 80 % příjemcových buněk získalo dárcovské mitochondrie. Transplantované mitochondrie si udržely normální membránový potenciál a dárcovská mtDNA dosáhla 71 % celkového množství mtDNA. Bylo zjištěno, že dodání zprostředkované kapslemi bylo výrazně účinnější než dodání volných mitochondrií.
V dalším experimentu byly ošetřeny buňky rho zero (ρ0), které byly záměrně zbaveny veškeré své mtDNA. Tyto buňky mohou přežívat v doplněné kultuře, ale mají vážně narušenou mitochondriální funkci. Dárcovské mitochondrie vstoupily do ρ0 buněk ve velkém počtu a mitochondriální morfologie se obnovila z oteklých (známka dysfunkce) na normální tubulární formy. Hladiny mtDNA byly obnoveny téměř na normální úroveň a přetrvávaly po dobu nejméně 21 dnů. Byly detekovány transkripty a proteiny kódované mtDNA, což potvrdilo, že DNA je čtena a překládána.
Následně vědci ošetřili GM04516 buňky – lidské fibroblasty s rozsáhlou delecí v mtDNA – kapslemi naplněnými mitochondriemi z normálních lidských fibroblastů. 86 % pacientových buněk získalo dárcovské mitochondrie. Podíl mtDNA nesoucí deleci klesl ze 14,4 % na 2,67 %, zatímco spotřeba kyslíku, produkce ATP a buněčná životaschopnost se zvýšily.
Tým dále ošetřil lidské fibroblasty nesoucí mutaci m.3243A>G, což je nejčastější patogenní bodová mutace mtDNA způsobující mitochondriální encefalomyopatii, laktátovou acidózu a epizody podobné cévní mozkové příhodě (MELAS) a řadu dalších syndromů. Míra mutace klesla z 92,6 % na 73,3 %, zatímco hladiny mitochondriálních proteinů se zvýšily. Snížení bylo menší než u modelu s delecí, nicméně buňky obvykle tolerují mitochondriální dysfunkci, dokud podíl mutantní mtDNA nepřekročí kritickou prahovou hodnotu (typicky 60-90 %, v závislosti na mutaci a typu buňky).
Zlepšení v modelech Leighova syndromu a Parkinsonovy choroby
Výzkumníci následně přešli k experimentům *in vivo*, kdy injektovali mitochondriální kapsle do myší různými cestami: intramuskulární injekcí, přímou injekcí do substantia nigra (oblast mozku důležitá pro kontrolu pohybu) a intravenózní injekcí. Provedli také intramuskulární injekci u dvou makaků jávských.
Po intramuskulární injekci byly transplantované mitochondrie detekovány v okolní svalové tkáni. Po přímé injekci do mozku byly nalezeny jak v substantia nigra, tak v mozkové kůře. Po intravenózní injekci byly dárcovské mitochondrie distribuovány systémově. U makaků jávských byly mitochondrie úspěšně doručeny do svalové tkáně.
Dále následoval experiment s myšmi s těžkým fenotypem Leighova syndromu. U lidí se jedná o vzácnou a fatální dědičnou mitochondriální poruchu, která se obvykle objevuje v kojeneckém věku a vede k úmrtí během několika let. Střední doba přežití se zvýšila z 48,5 dne (neléčené) na 61 dní (volné mitochondrie) a na 74 dní s mitochondriálními kapslemi, což představuje pozoruhodný výsledek u modelu s těžkým, plně penetrantním fenotypem.
Důležitým testem byl myší model Parkinsonovy choroby. Zvířatům byl podán toxin, který způsobil mitochondriální dysfunkci a buněčnou smrt specificky v dopaminergních neuronech. Následně jim byly dvakrát týdně po dobu jednoho měsíce podávány intravenózní injekce mitochondriálních kapslí. Počet funkčních dopaminergních neuronů byl léčbou významně zachráněn. Behaviorální testy prokázaly podstatné zvrácení bradykineze, pomalého pohybu, který je charakteristický pro Parkinsonovu chorobu.
Výzkumníci potvrdili zlepšení mitochondriální funkce. Účinky přetrvávaly nejméně tři měsíce po léčbě, což odpovídá časovému rámci experimentu. Volné mitochondrie nedokázaly při stejné dávce a režimu vyvolat srovnatelné účinky.
Nakonec autoři injektovali mitochondriální kapsle přímo do substantia nigra namísto systémové intravenózní injekce. Jedna intrakraniální injekce vedla k vysokému lokálnímu výskytu transplantovaných mitochondrií v substantia nigra i v mozkové kůře, významné regeneraci neuronů a zlepšení motorického chování a mitochondriální funkce. To ukazuje, že cílené doručení může dosáhnout terapeutických účinků s minimálním počtem dávek a že intravenózní výsledky nebyly způsobeny systémovým (např. protizánětlivým) účinkem.
Literatura
[1] Du, S., Long, Q., Zhou, Y., Fu, J., Wu, H., Yang, L., … & Liu, X. (2026). Transplantation of encapsulated mitochondria alleviates dysfunction in mitochondrial and Parkinson’s disease models. Cell.
[2] Schapira, A. H. V., Cooper, J. M., Dexter, D., Clark, J. B., Jenner, P., & Marsden, C. D. (1990). Mitochondrial complex I deficiency in Parkinson’s disease. Journal of neurochemistry, 54(3), 823-827.
[3] Nakai, R., Varnum, S., Field, R. L., Shi, H., Giwa, R., Jia, W., … & Brestoff, J. R. (2024). Mitochondria transfer-based therapies reduce the morbidity and mortality of Leigh syndrome. Nature metabolism, 6(10), 1886-1896.