UCI团队证明了线粒体移植对细胞的增压能力

加州尔湾,2020年3月23日——加州大学尔湾分校的研究人员已经证明,他们可以通过线粒体移植给细胞短期的能量补充。今天发表在《美国心脏协会杂志》上的研究表明,线粒体移植有朝一日可能被用于治疗各种心血管、代谢和神经退行性疾病,甚至为癌症的治疗提供一种新方法。

“线粒体是驱动我们的细胞进行许多活动的引擎,”第一作者Paria Ali Pour说,她是UCI生物医学工程博士候选人。“如果这些细胞器发生突变或被认为功能失调,其临床表现将是毁灭性的,因此我们决定研究线粒体移植的细胞内后果,并确定这是否将是一种缓解这些不利情况和帮助患者的可行方法。”

之前有尝试使用线粒体移植的形式直接喷射到心脏肌肉在婴儿终末期心脏病,但UCI研究首次寻求数据的精确结果线粒体移植在细胞和亚细胞水平。JAHA的文章概述了研究人员为实现线粒体移植所做的成功努力,以及他们如何系统地量化线粒体提高细胞能量的能力。

在实验中,Ali Pour首先通过差速离心分离线粒体,然后通过共孵育进行移植。线粒体在新的宿主细胞中安顿下来后,她进行了代谢通量分析,以测量两个关键参数:耗氧量和细胞外酸化率,这两个参数提供了关于细胞代谢和细胞消耗/生产能量的重要信息。分析分别在第2、7、14和28天进行。

Ali Pour说:“这本质上是一种研究线粒体产生三磷酸腺苷(细胞的燃料)时消耗了多少氧气,释放了多少质子,或总的酸化速率的技术。”“代谢通量分析是评估生物能指数的一种综合方法。生物能指数是指细胞将营养物质转化为能量的机制,以及它们在这方面的表现。”它帮助我们了解和决定线粒体移植如何影响细胞的生物能和代谢。”

她说,线粒体的内共生起源启发了他们的工作。

“数十亿年前,线粒体是与我们祖先的真核生物密切接触的原核细菌。那时,它们是完全自主的——直到今天,线粒体DNA与细胞核内的遗传密码是分离和不同的——但现在它们是半自主的,”Ali Pour说。“这让我们假设,如果细胞在很久以前就自由地接受了线粒体,那么从理论上讲,也应该可以直接实现这一目标。”

她的博士导师、论文的第一作者、UCI生物医学工程和医学教授阿拉什·赫里德瓦尔(Arash Kheradvar)博士说,这正是她成功做到的。Kheradvar说:“Paria首次明确表明,通过改变心肌细胞中线粒体的含量来控制细胞的生物能是可能的。”

该团队实验的一个关键部分是将健康的线粒体从骨骼肌细胞移植到另一种类型的心肌细胞(非自体),以专注于与细胞生物能有关的问题。研究证实,细胞生物能在移植后两天内改善宿主细胞,但这种超负荷状态在移植后会减弱。

来自rat’s骨骼肌细胞的线粒体(红色显示)被移植到心肌细胞中,UCI’s生物医学工程系的研究人员进行了非自体线粒体移植的演示。由Nanolive SA / Tolochenaz提供,瑞士

“关于线粒体移植在不同细胞系中的可行性,我们已经做了很多改变,包括骨骼肌细胞、t细胞和心肌细胞,”Ali Pour说。“我们甚至在实验室里测试了将线粒体从大鼠细胞移植到商业上可获得的人类细胞的可行性,看看是否有一种机制可以阻止这样的过程;我们发现在不同物种之间移植线粒体也是可能的。”

下一步,研究小组计划研究内化的线粒体是否与细胞核建立信号通路,以及它们是否会被宿主长期采用。

“我们在这个项目上采取了非常谨慎和基本的方法,因为这些细胞程序,作为一种潜在的生物疗法,可能会产生未知和可能严重的后果,”Kheradvar说。“我们不想在不了解所有潜在的安全性和有效性的情况下仓促进行人体实验。尽管我们有一些假设,但没有人确切地知道当这些线粒体被引入细胞内时会发生什么,或者是否会有副作用。还有很多悬而未决的问题需要解决。”

该研究的合著者,UCI眼科教授M. Cristina Kenney也对该项目做出了重大贡献,特别是在代谢通量数据的分析和解释方面。资金由UCI的研究、计算和图书馆委员会提供。Ali Pour获得了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)心血管应用研究和创业培训基金的资助。

加州大学欧文分校:成立于1965年,UCI是著名的美国大学协会中最年轻的成员。这所大学培养了三位诺贝尔奖获得者,并以其学术成就、主要研究、创新和食蚁兽吉祥物而闻名。由霍华德·吉尔曼校长领导,UCI有超过36000名学生,提供222个学位课程。它位于世界上最安全、经济最具活力的社区之一,是奥兰治县的第二大雇主,每年为当地经济贡献50亿美元。更多关于UCI的信息,请访问www.uci.edu。

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