A mitokondriumokat a tizenkilencedik század közepén történt felfedezésük után úgy ismerték, mint a sejtek belsejében található organellumok. De ez a kép mostanra jelentősen átalakult. Az utóbbi évek kutatásai megkérdőjelezik a mitokondriumok sejtekhez kötött voltát, és felvetik, hogy lehetséges, hogy inkább multicelluláris szervecskékről van szó, mondja Jonathan Brestoff immunológus, aki a Washington Egyetemen az anyagcserét tanulmányozó kutatója. Más szóval, úgy tűnik, hogy a korábban helyhez kötöttnek tartott energiagyárak inkább mobilisak, és igény szerint egyik sejtből a másikba ugrálhatnak.

Az egyelőre nem világos, hogy a mitokondriumok miért ilyen mobilisak. Egyes kutatások arra utalnak, hogy a sejtek szükség szerint szomszédaiknak tudják adományozni mitokondriumaikat. Az újonnan érkező mitokondriumok pedig beindíthatják a szövetek regenerációját, az immunrendszert, vagy megmenthetik a bajba jutott sejteket a pusztulástól. Más kutatások szerint a mitokondriumok átadása halálos fegyver is lehet, amelyet a rákos sejtek előnyszerzés céljából vetnek be.

De hogy ez mit jelent mindez az emberi egészségre nézve, az még mindig rejtély. A kutatók még nem voltak képesek megörökíteni a folyamatot az emberi testben, így nem tudják biztosan, hogy emberekben is megtörténik-e. Ez a tény azonban nem akadályozza a szakértőket abban, hogy fokozatosan feltárják, hogyan lehetne a mitokondriális átadásokat különböző betegségek, köztük a rák és a sztrók kezelésére felhasználni.

Egy elnyelt baktérium

Az elmúlt három évtizedben a szakértők feltárták, hogy a mitokondriumok sokkal többek, mint a sejtek erőművei, amelyek a tápanyagokat energiává alakítják. Kulcsszerepet játszanak a szervezetben zajló számos folyamatban: irányítják a sejtek működését fenntartó kommunikációt, és hozzájárulnak a káros behatolókkal szembeni immunválaszhoz. Ráadásul nagyon sokfélék is. Tavaly például megállapították, hogy a mitokondriumok két különböző formát vehetnek fel, hogy segítsenek a sejteknek túlélni a tápanyaghiányt. Egy másik, márciusban közzétett tanulmányban az emberi agyban található mitokondriumok sűrűségét és típusait modellezték.

A jelenlegi uralkodó elmélet szerint minden mitokondrium ugyanabból az ősi baktériumból származik. Körülbelül 1,5 milliárd évvel ezelőtt ezt a baktériumot elnyelte az a mikroba, amelyből végül az eukarióták – az élőlények azon nagy csoportja, beleértve minket is, amelynek sejtjei körülhatárolt sejtmaggal rendelkeznek – kialakultak.

Számos evolúciós fordulat után ez a bekebelezett baktérium lett az anyagcserét működtető sejtszervecske. A mitokondriumok mikrobiális eredete valószínűleg segít megmagyarázni, hogy miért dinamikusabbak, mint amilyennek elsőre tűnnek, mondja Kazuhide Hayakawa, a Massachusetts General Hospital neurológusa, aki azt vizsgálja, hogy a mitokondriumok átvitele hogyan segíthet a sztrók kezelésében.

– mondja.

Jeffrey Spees, a Vermonti Egyetem őssejtbiológusa és kollégái 2006-ban kapták először lencsevégre, ahogy a mitokondriumok egyik sejtből a másikba ugranak. A csapat egy zavarba ejtő viselkedést próbáltak megérteni az őssejtek laboratóriumi vizsgálata kapcsán. Úgy tűnt, hogy a sejtek valamiféle fizikai információt osztanak meg egymással, amely vezérli, hogyan differenciálódjanak, és a mitokondriumok feltételezhetően részt vesznek ebben.

A mitokondriumok szerepének vizsgálatához a kutatók mitokondrium nélküli emberi tüdőráksejteket és csontvelőből származó őssejtekkel tenyésztettek. Az őssejtek mitokondriumainak fluoreszcens fehérjékkel való megjelölésével a csapat képi felvételekkel vizsgálta, hogy mi történik ezután. A felvételeken világosan látszott, ahogy az őssejtek kilövik mitokondriumaikat, amelyeket aztán a mutáns tüdősejtek felvesznek. Az adományozás után a tüdősejtek gyorsan visszanyerték osztódási és a glükózt energiává alakító képességüket.

Azóta a kutatók számos más sejttípus között figyelték meg a mitokondriumok mozgását. Néha a mitokondriumok a sejtek között kialakuló nanocsöveken keresztül haladnak, más esetekben buborék alakú vezikulákban teszik meg útjukat, vagy szabadon lebegnek a vérben. Az, hogy a mitokondriumok hogyan közlekednek, nagyrészt megoldott, de jóval kevésbé világos, hogy miért. Clair Crewe, a Washington Egyetem sejtbiológusa elmondása szerint a szakértők egyre inkább úgy vélik, hogy ez a folyamat gyakran a sejtek károsodásának egyfajta kontrolljaként szolgál.

Egyes vizsgálatok szerint a mitokondriális átadás segíthet például a sejteknek abban, hogy átvészeljék a neurológiai kríziseket. Hayakawa és munkatársai 2016-ban úgy találták, hogy agyvérzésen átesett egerekben az asztrocitáknak nevezett támasztósejtek mitokondriumokat szállítanak a sérült neuronoknak.

Amikor a kutatók gátolták a mitokondriumok átadását, kevesebb neuron maradt életben, ami arra utal, hogy az adományozott organellumok kulcsfontosságúak voltak a sejtek felépülésében. De hogy a mitokondriumok szerkezetének vagy funkciójának mely része védte meg a sejteket, az Hayakawa szerint még nem ismert.

A tüdősejteknek is hasznukra válhatnak a mitokondriumok a krízisek során, mondja Jahar Bhattacharya, a Columbia Egyetem kutatója, aki az akut tüdősérülésnek nevezett súlyos gyulladásos állapotra specializálódott. Ő és kollégái úgy találták, hogy azon egerekben, amelyeknél ilyen gyulladás lépett fel, a strómasejtek – amelyek a kötőszöveteket alkotják – mitokondriumaikat a tüdősejteknek adhatják. Az átadott szervecskékkel a tüdősejtekben megnőtt az ATP koncentrációja, amely a közeli sejtekbe is átkerült, amelyek nem kaptak új mitokondriumokat. Ezek a beteg tüdők több jelét mutatták a gyógyulásnak, mint azok a beteg tüdők, amelyek nem kaptak külső mitokondriumokat.

Más kutatások is arra utalnak, hogy az átvitt mitokondriumok felturbózhatják a gyógyulást. 2021-ben Anne-Marie Rodriguez, a Sorbonne Egyetem sejtbiológusa és kollégái úgy találták, hogy az emberi vérből izolált vérlemezkék mitokondriumaikat az őssejtekhez szállították, amikor a kutatók a két sejttípust egy Petri-csészébe helyezték. Miután felvették a mitokondriumokat, az őssejtek olyan molekulákat szabadítottak fel, amelyek szerepet játszanak az új erek kialakításában. Amikor a sejteket egerek bőrsebeire helyezték, a sérülések gyorsabban gyógyultak, mint azoknál a rágcsálóknák, amelyek csak őssejteket vagy csak vérlemezkéket kaptak.

A kutatók azt gyanítják, hogy a diszfunkcionális mitokondriumokkal rendelkező sejtek akár egészséges mitokondriumokat is kérhetnek szomszédaiktól, bár a folyamat hátterében álló pontos mechanizmusok még homályosak. „Még csak most kezdjük megérteni az ebben szerepet játszó jelátvitelt” – mondja Crewe.

Mindennapos műveletek?

A regenerációban betöltött szerepen túl a kutatók azt is szeretnék megtudni, hogy a mitokondriális átvitel a mindennapos biológiai folyamatok fontos része-e. Az első bizonyítékok arra utalnak, hogy a művelet segíthet az egészséges szövetek fenntartásában is. Tavaly Minghao Zheng, a Nyugat-Ausztráliai Egyetem regenerációs biológusa és kollégái felfedezték, hogy az asztrociták egyes típusai mitokondriumokat adományoznak az egerek agyában az ereket bélelő sejteknek. Amikor a kutatók megzavarták ezt a folyamatot, a vér-agy gát „lyukacsos” lett, ami arra utal, hogy a mitokondriumok átadása segít fenntartani ezt a védőpajzsot. Zheng és csapata már korábban beszámolt arról, hogy a mitokondriumok átadása az egerek csontjaiban felgyorsíthatja az új erek kialakulását.

Brestoff és munkatársai azt is igazolták, hogy egerekben a fehér zsírsejtek átadják mitokondriumaikat a makrofágoknak, a sejttörmeléket bekebelező fehérvérsejteknek. Az elhízott egerekben csökkent az áthelyeződő organellumok száma, és ezek kevesebb energiát is égettek el, mint egészséges társaik. Ezek a sejtszervecskék segíthetnek a makrofágok működésében, ha anyagcseréjük megzavarodik, mondja Brestoff.

Patricia Alejandra Luz-Crawford, a chilei Andok Egyetem immunológusa és munkatársai sejtkultúrákon végzett vizsgálatok során azt találták, hogy az őssejtektől mitokondriumokat kapó T-sejtek bizonyos típusai kevesebb gyulladásos molekulát termelnek. A reumás ízületi gyulladásban szenvedő emberekből tenyésztett őssejtek kevesebb mitokondriumot adnak át a T-sejteknek, mint az egészséges egyénekből származó őssejtek, ami a kutatók szerint hozzájárulhat a betegséggel járó krónikus gyulladáshoz.

De még mindig sok megválaszolatlan kérdés van a mitokondriumok átadásával kapcsolatban, többek között az is, hogy mit csinálhatnak a sejtekbe kerülésük után a szervecskék, és mennyi ideig maradnak meg új helyükön. Így azt is nehéz egyelőre értelmezni, hogy az organellumoknak milyen konkrét szerepe lehet az olyan állapotokban, mint a szív- és érrendszeri betegségek és az elhízás. In vivo vizsgálatokban csak néhány szövettípusban követték nyomon a mitokondriumok működését, így nehéz átfogó képet alkotni arról, hogy ezek az átadások milyen szélesebb körű hatást gyakorolnak az egészségre.

A legtöbb kutatás során az összefüggéseket vizsgálják: azt dokumentálják, hogy a sejtek miben különböznek a többitől, miután megkapták az adományozott organellumokat. Azt azonban még nem tudják bizonyítani, hogy az átadott mitokondriumok okozzák a sejtekben bekövetkező változásokat, mondja José Antonio Enríquez Domínguez, a Spanyol Nemzeti Kardiovaszkuláris Kutatóközpont molekuláris biológusa.

A kutatóknak ráadásul más kérdéseik is vannak a transzferrel kapcsolatban. Bár jótékony cselekedetnek tűnhet, a vizsgálatok szerint egyes sejtek hulladékként dobják ki a mitokondriumokat. Más esetekben a sejtek talán azért vesznek fel külső mitokondriumokat, hogy előnyre tegyenek szert. Hogy pontosan mi készteti a sejteket arra, hogy kidobják mitokondriumaikat, és mi teszi lehetővé, hogy mások befogadják ezeket, azt még nem tudjuk, teszi hozzá Enríquez Domínguez.

További kutatások kellenek a lehetséges káros hatások vizsgálatához is, mondja a szakértő.

Ebben az értelmezésben úgy tűnik, hogy a mitokondriumok átvitele segít a rákos sejteknek abban, hogy elmeneküljenek az immunrendszer elől, és invazívabbá, valamint ellenállóbbá váljanak a kezelésekkel szemben. A vizsgálatok során az is felmerült, hogy a rákos sejtek gyorsabban szaporodnak, miután más sejtektől vettek át mitokondriumokat.

Új kezelések?

Bár ezt sejttenyészeteken kívül még nem erősítették meg, vannak arra utaló jelek, hogy a mitokondriális transzfer emberekben is előfordulhat. Egy évtizeddel ezelőtt a kutatók az emberi vérben szabadon lebegő mitokondriumokat mutattak ki. Idén januárban pedig megjelent egy tanulmány, amelynek szerzői rákos betegek egy kis csoportjából származó mitokondriumokból vettek mintát, és úgy azt találták, hogy néhány alanynál a daganatot támadó immunsejtek a rákos sejtekből származó, genetikailag mutálódott mitokondriumokat tartalmaztak, amelyek a jelek szerint akadályozták az immunsejteket a betegség elleni védekezésben.

A mitokondriális átvitel kimutatásának és megértésének akadályai legalább részben technológiai korlátoknak tulajdoníthatók. A mitokondriumokat megjeleníteni képes fluoreszcens fehérjék ugyanis megváltoztathatják a szervecskék működését, így túl kockázatosak ahhoz, hogy embereken alkalmazzák őket, mondja Brestoff. Ezért a mitokondriális DNS (mtDNS) szekvenciáinak elemzése a donor és az akceptor sejtekből az egyetlen járható módszer az emberi testen belüli mitokondriális átvitelre való következtetésekre. A genetikai anyag mozgása azonban nem jelenti azt, hogy az egész szervecske átkerült, figyelmeztet Brestoff.

Az ismeretlen elemek ellenére a mitokondriális átadást tanulmányozó kutatók közül sokan elég biztosak abban, hogy ez legalább időnként megtörténik az emberben is. A folyamat alapvető biológiájának kutatását nagyrészt az a vágy motiválja, hogy a folyamatot az emberi egészség javítására használják fel. Ha a mitokondriális átvitelről kiderül, hogy a szervezeten belül fontos biológiai szerepet tölt be, az számos lehetséges kezelési lehetőséget nyithatna meg, mondja Jeremy Baldwin, a Leibniz Immunoterápiás Intézet rákimmunológusa.

Ezek közé tartoznak az olyan ritka genetikai állapotok, mint a Leigh-szindróma, amelyben az idegsejtek elhalása rohamokat és fejlődési lemaradást okoz, de a szívbetegségek és a sztrók is. Más kutatók egy mitokondriális augmentációnak nevezett megközelítést tesztelnek, amely során egészséges mitokondriumokat helyeznek laborkörülmények között a betegek őssejtjeibe, mielőtt az őssejteket visszaültetnék a páciensekbe.

Néhány kutató olyan kezelések kifejlesztésébe kezdett, amelyek a szervezet saját mitokondriális átviteli képességeire támaszkodnak. A folyamatot például egy nap talán hasznosítani lehet a jelenlegi T-sejtes terápiák javítására, amelyek a személy saját immunsejtjeit használják a rák elleni küzdelemhez. Tavaly Baldwin és kollégái strómasejteket tenyésztettek T-sejtekkel egy Petri-csészében. A strómasejtek nanocsöveken keresztül szállították mitokondriumaikat a T-sejtekhez, ami fokozta a T-sejtek anyagcsere-működéseit.

Más kutatók célja, hogy a sejteket rávegyék a mitokondriumok átadományozására. Tavaly Brestoff és munkatársai egészséges egerek csontvelőjét ültették át Leigh-szindrómás egerekbe. A transzplantáció hatására a vér őssejtjei felszabadították mitokondriumaikat, amelyek a csontvelő elhagyása után több szerv sejtjeibe is átkerültek. A mitokondriumok átvitele jobb neurológiai funkciókkal és nagyobb túlélési aránnyal járt az egerek esetében. Bár még nem világos, hogyan sikerült elérni ezt az átvitelt, az eredmények azt sugallják, hogy ez egy megvalósítható kezelés lehet, mondja Brestoff.

Mielőtt azonban bármilyen ilyen terápia átkerülhetne a klinikai gyakorlatba, a kutatóknak jobban meg kell érteniük a mitokondriális transzfert, mondja a szakértő. Pontosítani kell az érintett konkrét mechanizmusokat, és olyan módszereket kell kidolgozni, amelyekkel nyomon követhetik a terápiás mitokondriumok útját sejtről sejtre, és talán más szervekbe és szövetekbe. Ahogy Brestoff mondja: