Наноцветы заставляют стволовые клетки делиться митохондриями для омоложения стареющих клеток

Микроскопическое изображение показывает, как наноцветы (белые) помогают здоровым клеткам (желтые) доставлять производящие энергию митохондрии (красные) к соседним клеткам. Ядра окрашены синим. Автор: доктор Ахилеш К. Гахавар

Биомедицинские исследователи из Техасского университета A&M сообщают, что, возможно, нашли способ остановить или даже обратить вспять потерю клеточной энергии, которая происходит при повреждении и старении. Если будущие исследования подтвердят результаты, это открытие может привести к значительным изменениям в лечении многих заболеваний.

Доктор Ахилеш К. Гахавар и аспирант Джон Сукар вместе с коллегами из Департамента биомедицинской инженерии разработали технику, которая снабжает поврежденные клетки свежими митохондриями. Пополняя эти крошечные энергопроизводители, метод может восстановить выработку энергии до прежнего уровня и значительно улучшить общее состояние клеток.

Снижение функции митохондрий связано со старением, сердечными заболеваниями и несколькими нейродегенеративными состояниями. Стратегия, усиливающая естественную способность организма заменять изношенные митохондрии, в принципе, может помочь решить все эти проблемы одновременно.

Когда человеческие клетки стареют или повреждаются дегенеративными расстройствами, такими как болезнь Альцгеймера, или воздействием вредных агентов, таких как химиотерапевтические препараты, их способность генерировать энергию неуклонно падает. Ключевая причина — сокращение количества митохондрий, небольших органелл внутри клеток, которые поставляют большую часть энергии, используемой клеткой. Уменьшение количества митохондрий в мозговой ткани, сердечной мышце или других органах приводит к ослаблению клеток, которые в конечном итоге не могут выполнять свои основные функции.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, объединило микроскопические частицы в форме цветов, называемые наноцветами, со стволовыми клетками. Когда стволовые клетки подвергались воздействию этих наноцветов, они начинали производить примерно в два раза больше митохондрий, чем обычно. Когда усиленные стволовые клетки помещали рядом с поврежденными или стареющими клетками, они передавали свои дополнительные митохондрии этим соседним, пострадавшим клеткам.

Получив новые митохондрии, ранее поврежденные клетки смогли восстановить производство энергии и нормальную активность. Эти оживленные клетки не только показали улучшенные уровни энергии, но и стали более устойчивыми к гибели, даже когда позже подвергались повреждающим воздействиям, таким как химиотерапия.

«Мы научили здоровые клетки делиться своими запасными батареями со слабыми», — сказал Гахавар, профессор биомедицинской инженерии. — «Увеличивая количество митохондрий внутри клеток-доноров, мы можем помочь стареющим или поврежденным клеткам восстановить свою жизнеспособность — без какой-либо генетической модификации или лекарств».

Хотя клетки естественным образом способны обмениваться небольшими количествами митохондрий, обработанные наноцветами стволовые клетки, которые команда описывает как митохондриальные биофабрики, передавали в два-четыре раза больше митохондрий, чем необработанные стволовые клетки.

«Несколькократное увеличение эффективности было больше, чем мы могли надеяться», — сказал Сукар, ведущий автор статьи. — «Это как дать старой электронике новый аккумуляторный блок. Вместо того чтобы выбрасывать их, мы подключаем полностью заряженные батареи от здоровых клеток к больным».

Исследователи пробовали другие способы увеличения количества митохондрий внутри клеток, но эти подходы часто имеют компромиссы. Лекарственные методы полагаются на малые молекулы, которые относительно быстро покидают клетки, поэтому пациентам могут потребоваться частые и повторные лечения для поддержания эффекта. В отличие от этого, более крупные наночастицы (диаметром примерно 100 нанометров) остаются внутри клетки и продолжают стимулировать производство митохондрий более эффективно. В результате терапии на основе этой технологии наноцветов, возможно, потребуется вводить только примерно раз в месяц.

«Это ранний, но захватывающий шаг к перезарядке стареющих тканей с использованием их собственной биологической машинерии», — сказал Гахавар. — «Если мы сможем безопасно усилить эту естественную систему распределения энергии, это однажды может помочь замедлить или даже обратить вспять некоторые эффекты клеточного старения».

Наноцветы сделаны из дисульфида молибдена, неорганического соединения, которое может образовывать множество различных двумерных форм в очень малых масштабах. Лаборатория Гахавара входит в небольшое число исследовательских групп, изучающих, как дисульфид молибдена может использоваться для биомедицинских целей.

Стволовые клетки уже играют центральную роль в передовых работах по восстановлению и регенерации тканей. Использование наноцветов для увеличения производительности стволовых клеток может стать важным шагом в повышении эффективности этих клеток в будущих терапиях.

Одним из наиболее многообещающих аспектов техники является ее гибкость. Хотя метод все еще находится на ранних стадиях и требует гораздо больше тестирования, теоретически его можно использовать для лечения потери функции во многих различных тканях по всему телу.

«Вы можете поместить клетки куда угодно в пациенте», — сказал Сукар. — «Так, при кардиомиопатии вы можете лечить сердечные клетки напрямую — помещая стволовые клетки прямо в сердце или рядом с ним. Если у вас мышечная дистрофия, вы можете ввести их прямо в мышцу. Это довольно перспективно с точки зрения возможности использования для широкого спектра случаев, и это только начало. Мы могли бы работать над этим вечно и находить новые вещи и новые методы лечения болезней каждый день».

Проект получил финансовую поддержку от Национальных институтов здравоохранения, Фонда Уэлча, Министерства обороны и Института исследований и профилактики рака Техаса. Дополнительная поддержка поступила от Фонда президента Техасского университета A&M и Гранта Seedling Медицинского научного центра Техаса A&M. Ключевыми сотрудниками были исследователи из Техаса A&M доктор Иртиша Сингх, доктор Вишал Гохил и доктор Фэн Чжао.