سلول‌های بنیادی تیمار شده با نانوفلاور میتوکندری‌های سالم‌تری را به سلول‌های تحت استرس منتقل می‌کنند

میتوکندری‌ها اندامک‌هایی هستند که در بیشتر سلول‌های یوکاریوتی یافت می‌شوند و اغلب به عنوان «نیروگاه‌های» سلول شناخته می‌شوند. آن‌ها ATP را از طریق تنفس سلولی تولید می‌کنند و سوخت لازم برای فعالیت‌های سلولی را فراهم می‌آورند. میتوکندری‌ها دارای غشای دوگانه و mtDNA (DNA خودشان) هستند.

عملکرد صحیح میتوکندری برای سلامت بهینه سلولی حیاتی است؛ زیرا میتوکندری انرژی را تامین کرده و در مسیرهای متابولیک ضروری مشارکت دارد. هنگامی که میتوکندری به درستی عمل نمی‌کند، می‌تواند آپوپتوز را تحریک کرده و باعث آسیب سلولی شود که به طیف وسیعی از بیماری‌ها از جمله بیماری‌های قلبی-عروقی، اختلالات نورودژنراتیو و خطاهای مادرزادی مختلف متابولیسم کمک می‌کند.

کمتر از یک چهارم کارآزمایی‌های بالینی ثبت‌شده برای بیماری‌های میتوکندریایی، داروهای تجربی جدید را آزمایش می‌کنند. از این میان، تنها ۱۰ مورد به فاز III رسیده‌اند و تنها یک مورد تکمیل شده است. اگرچه برخی از درمان‌های تجربی در کاهش علائم نویدبخش بوده‌اند، اما تحقیقات بیشتری برای کشف مولکول‌هایی که عملکرد و تشکیل میتوکندری را هدف قرار می‌دهند، لازم است.

انتقال میتوکندری بین سلولی، به ویژه از سلول‌های بنیادی مزانشیمی (MSCs)، به عنوان یک فرآیند بیولوژیکی کلیدی ظهور کرده است که در آن سلول‌ها میتوکندری را برای کاهش استرس و حمایت از ترمیم بافت تبادل می‌کنند. این راهبرد ممکن است با تغییر محتوای mtDNA در سلول‌های گیرنده، بار mtDNA جهش‌یافته را کاهش دهد، در حالی که تنفس و بقای سلولی را با فراهم کردن اجزای تولیدکننده انرژی اضافی، بازیابی می‌کند.

محققان انتقال میتوکندری را در محیط کشت و در بدن تحت شرایط فیزیولوژیکی و پاتولوژیکی مختلف مشاهده کرده‌اند. MSCs به دلیل نیازهای انرژی کم، سهولت دسترسی از منابع متعدد و سهولت در کار، به عنوان سلول‌های اهداکننده ایده‌آل برای انتقال میتوکندری‌های سالم به سلول‌های بیمار در نظر گرفته می‌شوند. با این حال، MSCs نرخ محدودی از جابه‌جایی میتوکندری را نشان می‌دهند که پتانسیل درمانی آن‌ها را محدود می‌کند.

محققان اخیراً نانوفلاورهای MoS2 را با اصلاحات در مقیاس اتمی برای تبدیل سلول‌های بنیادی مزانشیمی انسانی (hMSCs) به زیست‌کارخانه‌های میتوکندریایی توسعه داده‌اند. این نانوفلاورهای مهندسی‌شده به طور منحصر به فردی بیوژنز میتوکندریایی را با فعال‌سازی تنظیم‌کننده‌های کلیدی از جمله PGC-1α و TFAM افزایش می‌دهند. جای خالی‌های در مقیاس اتمی آن‌ها همچنین به آن‌ها امکان می‌دهد گونه‌های فعال اکسیژن داخل سلولی (ROS) را از بین ببرند، که این امر بیان ژن میتوکندریایی را بیشتر تحریک می‌کند. این رویکرد نوآورانه، محدودیت‌های داروهای مولکول کوچک سنتی را که اغلب نیمه‌عمر کوتاهی دارند، به سرعت توسط سلول‌ها پاک می‌شوند و می‌توانند اثرات سمی ناخواسته ایجاد کنند، برطرف می‌کند و بیوژنز میتوکندریایی قوی‌تری نسبت به فعال‌کننده‌های مولکول کوچک رایج در سیستم آزمایشی نشان داد.

محققان نانوفلاورهای MoS2 با اندازه‌های مختلف را سنتز کردند تا تأثیر نسبت سطح به حجم را بر فرآیندهای سلولی بررسی کنند. با تنظیم نسبت مولیبدن و گوگرد پیش‌ساز و تعدیل شرایط سنتز بین ۱۲۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد برای ۶ تا ۱۸ ساعت، محققان نانوفلاورهایی با دامنه ۵۰ تا ۲۵۰ نانومتر به دست آوردند. نانوذرات کوچک‌تر، که در دماهای پایین‌تر و زمان‌های واکنش کوتاه‌تر تولید شدند، جذب سلولی بهبودیافته‌ای را نشان دادند و انتظار می‌رود بر اساس ادبیات قبلی، زمان گردش طولانی‌تری را از خود نشان دهند، اگرچه این ویژگی‌ها در درون‌جانداری در این مطالعه به طور مستقیم آزمایش نشد. با این حال، واکنش‌های ناقص در پایین‌ترین دماها و کوتاه‌ترین زمان‌ها منجر به نمونه‌های با کیفیت پایین شد که از تحقیقات بیشتر حذف شدند. تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس تأیید کرد که تمام نانوفلاورهای سنتز شده ساختار کریستالی شش‌ضلعی را حفظ کردند، که با MoS2 استاندارد سازگار است.

تصاویر TEM و SEM نشان دادند که دماهای زیر ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد و زمان‌های هیدروترمال کمتر از ۶ ساعت، نانوفلاورها را تشکیل نمی‌دهند. محققان از واکنش‌های ۶ ساعته بالای ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد برای سنتز کارآمد استفاده کردند. XPS نانوفلاورهای MoS2 خالص را تأیید کرد. همه نانوفلاورها بار سطحی منفی قوی از خود نشان دادند که در محیط کشت سلولی به دلیل جذب پروتئین کاهش یافت. اندازه نانوذرات بر ترکیب تاج پروتئینی یا فعالیت کاتالیزوری تأثیری نداشت. تمام فرمولاسیون‌ها در غلظت‌های زیر ۱۰۰ میکروگرم بر میلی‌لیتر از نظر سیتوکامپتیبیلیتی (cytocompatibility) بسیار بالا بودند، با مقادیر IC50 بین ۲۰۰ تا ۲۵۰ میکروگرم بر میلی‌لیتر و هیچ تأثیری بر چرخه سلولی نداشتند.

جذب داخلی توسط hMSCs تأیید شد و فلوسیتومتری نشان داد که بیشتر سلول‌ها MoS2 را جذب کرده‌اند و ذرات ۱۰۰ نانومتری جذب بیشتری داشتند. هر دو اندازه از اندوسیتوز با واسطه کلاترین استفاده کردند، در حالی که ماکروپینوسیتوز برای ذرات ۲۵۰ نانومتری اهمیت بیشتری داشت. اندازه ذرات می‌تواند برای حفظ زیست‌سازگاری و تغییر جذب سلولی تنظیم شود.

محققان بررسی کردند که آیا نانوفلاورهای MoS2 می‌توانند با فعال‌سازی مسیر PGC-1α، که یک تنظیم‌کننده مرکزی این فرآیند است، بیوژنز میتوکندریایی را افزایش دهند. از نظر مکانیکی، این مسیر توسط سیرتوئین‌ها (SIRTs) با نقش غالب SIRT1، یا توسط پروتئین کیناز فعال‌شده با AMP (AMPK) تحریک می‌شود. این مطالعه حمایت تجربی قوی‌تری برای مکانیسم وابسته به SIRT1 نسبت به دخالت AMPK ارائه می‌دهد. مشخص شد که نانوفلاورهای MoS2 با جای خالی‌های اتمی، ROS را تعدیل کرده و SIRT1 را تحریک می‌کنند، در نتیجه PGC-1α را فعال کرده و بیوژنز میتوکندریایی و تولید انرژی سلولی را ترویج می‌کنند. هم نانوفلاورهای کوچک و هم بزرگ مؤثر بودند؛ با این حال، نانوفلاورهای کوچک‌تر به غلظت‌های پایین‌تری نیاز داشتند و سریع‌تر سنتز می‌شدند، که پتانسیل آن‌ها را برای کاربردهای درمانی برجسته می‌کند.

نانوفلاورهای MoS2 بیوژنز میتوکندریایی را در hMSCs افزایش می‌دهند و توانایی آن‌ها را برای اهدای میتوکندری به سلول‌های گیرنده از طریق نانولوله‌های تونلی (TNTs) بیشتر می‌کنند. این رویکرد می‌تواند کارایی انتقال میتوکندری را بهبود بخشد و از درمان‌های اختلالات میتوکندریایی حمایت کند.

یافته‌های تجربی نشان می‌دهند که انتقال میتوکندری از طریق «میتوفاکتوری» (MitoFactory) با افزایش محتوای میتوکندری، تولید انرژی را در سلول‌های گیرنده افزایش می‌دهد. تجزیه و تحلیل غنی‌سازی مجموعه‌ای از ژن‌ها (GSEA) بیشتر نشان داد که سلول‌های ماهیچه صافی که این میتوکندری‌ها را دریافت کردند، فعالیت بالاتری در مسیرهای مرتبط با تولید انرژی و عملکرد میتوکندریایی داشتند. به طور خاص، این مطالعه نشان داد که مجموعه‌های ژنی کلیدی درگیر در مرتب‌سازی پروتئین، پردازش اطلاعات ژنتیکی و مونتاژ انرژی، تنظیم شده بودند. بنابراین، hMSCs تیمار شده با MoS2 به تحریک متابولیسم انرژی میتوکندریایی در سلول‌های گیرنده کمک می‌کنند. انتقال از طریق میتوفاکتوری، فسفریلاسیون اکسیداتیو و تولید ATP را افزایش می‌دهد، که ممکن است عملکرد سلولی را در بافت‌هایی که نیاز به انرژی بالا دارند، مانند ماهیچه صاف، تقویت کند.

تجزیه و تحلیل‌های ترانسکریپتومی و افزایش تنفس در سلول‌های ماهیچه صاف (SMCs) که با hMSCs تیمار شده با MoS2 هم‌کشت شدند، نشان می‌دهد که میتوکندری‌های منتقل‌شده در سلول‌های گیرنده عملکردی و فعال هستند. برای آزمایش اینکه آیا این میتوکندری‌ها می‌توانند تنفس سلولی آسیب‌دیده را ترمیم کنند، محققان اختلال عملکرد میتوکندریایی را در سلول‌های گیرنده با استفاده از آنتیمایسین A، CCCP و دوکسوروبیسین (DOX) القا کردند، سپس نشانگرهای سلامت سلولی را اندازه‌گیری کردند. پس از درمان، انتقال میتوکندری سلامت میتوکندری را بهبود بخشید، تولید ATP را بازیابی کرد و استرس اکسیداتیو را در سلول‌های گیرنده کاهش داد. این نتایج نشان می‌دهد که افزایش انتقال میتوکندری می‌تواند به بازیابی عملکرد میتوکندری و تعادل مجدد هموستاز ردوکس کمک کند.

با توجه به این کارایی، محققان بررسی کردند که آیا انتقال میتوکندری می‌تواند برای درمان سمیت قلبی ناشی از آنتراسایکلین استفاده شود. آن‌ها دریافتند که انتقال میتوکندری از hMSCs تیمار شده با MoS2 عملکرد میتوکندری را بهبود بخشید و مرگ سلولی را در فیبروبلاست‌های قلبی در معرض دوکسوروبیسین (DOX) (داروی شیمی‌درمانی) کاهش داد، که رویکردی امیدوارکننده برای محافظت از قلب در مدل‌های سلولی آسیب ناشی از شیمی‌درمانی را نشان می‌دهد.

hMSCs مهندسی‌شده با نانوفلاورهای MoS2 بیوژنز و انتقال میتوکندری را افزایش می‌دهند و محتوای میتوکندری و تولید انرژی را در سلول‌های گیرنده بالا می‌برند. انتقال تقویت‌شده از hMSCs تیمار شده با MoS2 به ترمیم آسیب میتوکندریایی و کاهش آسیب سلولی کمک می‌کند. برخلاف درمان‌های فعلی که عمدتاً علائم را مدیریت می‌کنند، این رویکرد مستقیماً به اختلال عملکرد میتوکندریایی می‌پردازد. این بستر، یک پلتفرم درمانی بالقوه در مرحله اثبات مفهوم در محیط کشت برای بیماری‌هایی که نیاز به ترمیم میتوکندری دارند، ارائه می‌دهد. با این حال، مطالعات بیشتری برای ارزیابی ایمنی بلندمدت، توزیع زیستی و ایمنی‌زایی قبل از ترجمه بالینی مورد نیاز است.