Специальные поддерживающие клетки осуществляют перенос митохондрий в клетки, из которых формируются кровеносные сосуды. Неожиданным образом для исследователей эти митохондрии деградируют, что стимулирует формирование новых органелл и запускает образование новых сосудов.
Кровь, движущаяся по сосудам, доставляет кислород и питательные вещества к тканям и удаляет продукты обмена из них. При сужении просвета сосудов или его окклюзии транспорт крови и элиминация токсинов становятся невозможными. Результатом этого становится ишемия, которая в итоге и приводит к таким патологиям, как ишемическая болезнь сердца [1]. В своей работе в Nature Лин с соавт.[2] сообщают об инновационной методике трансплантации, способствующей репарации ишемизированных тканей. В основе методики лежат энергопродуцирующие органеллы — митохондрии, которые переносятся от одной клетки к другой.
Кровеносные сосуды выстланы эндотелиальными клетками, которые необходимы для образования сосудов и кровотока в целом. Для купирования ишемических состояний эндотелиоциты переносятся к месту окклюзии сосуда, обеспечивая образование новых сосудов и восстанавливая кровоток к тканям [3]. Тем не менее значительным ограничением такого метода лечения является то, что эндотелиоциты должны транспортироваться вместе с недифференцированными стволовыми клетками — мезенхимальными клетками стромы (участвуют в восстановлении поддерживающих тканей) [4]. До нынешнего времени, механизм, посредством которого стромальные клетки участвуют во внедрении эндотелиоцитов, остается плохо изученным.
Лин с соавт. открыли, что стромальные клетки транспортируют митохондрии в эндотелиоциты. Для учёных оказалось неожиданностью, что после транспортировки митохондрии деградируют, а сами эндотелиоциты способствуют образованию уже новых органелл. Авторы показывают, что искусственно перенесенные в эндотелиоциты митохондрии (своего рода имитация естественного переноса) способны стимулировать образование сосудов по пути трансплантации эндотелиоцитов. Это способствует восстановлению от ишемического повреждения. Следует, для этого необходима трансплантация лишь одного типа клеток (см.рис.1).
Рисунок 1 | Перенос митохондрий усиливает образование кровеносных сосудов.Чтобы вырастить новые кровеносные сосуды в ткани, пострадавшей от ишемии (недостатка кровоснабжения), в нее можно трансплантировать эндотелиальные клетки, выстилающие стенку сосуда. Однако эти клетки успешно формируют новые сосуды только в случае их совместной трансплантации со стволовыми клетками, называемыми мезенхимальными стромальными, что в значительной степени осложняет эту терапию.
а — Лин с соавт.[2] выявили, что стромальные клетки переносят часть своих митохондрий в эндотелиальные клетки посредством клеточных выростов, называемых нанотрубками. Перенесенные митохондрии быстро помечаются белками PINK1 и Parkin для деградации, что стимулирует образование новых митохондрий (биогенез), усиливая функцию эндотелиальных клеток.
b — Чтобы имитировать естественный перенос митохондрий, авторы трансплантировали их искусственно в эндотелиальные клетки, выделяя из стромоцитов, и обнаружили, что эти трансплантаты, метаболизм которых был усилен за счет митохондрий, оказались жизнеспособными и стимулировали образование кровеносных сосудов без необходимого присутствия стромальных клеток.
В первую очередь, Лин с соавт. трансплантировали человеческие эндотелиоциты под кожу мышей как в присутствии, так и в отсутствии поддерживающих стромальных клеток. Учёные подтвердили, что только при совместной трансплантации жизнеспособных эндотелиоцитов и стромальных клеток формировались функционирующие сосуды. В прошлом десятилетии было показано, что в естественных условиях стромальные клетки переносят митохондрии к другим типам клеток, и такой перенос создаёт основу для регенерации ишемизированных тканей [5]. Для того, чтобы изучить, способствуют ли эти стромальные клетки внедрению эндотелиоцитов, авторы пометили митохондрии стромоцитов флуоресцентным белком DsRed.
Авторы наблюдали меченные DsRed митохондрии в длинных выростах, именуемых нанотрубками, которые протягивались от стромоцитов вплотную к эндотелиоцитам. По прошествии 24 часов можно было наблюдать меченные DsRed митохондрии внутри эндотелиоцитов, выстилающих сосуды. Тем не менее перенос митохондрий оказался на удивление преходящим явлением: он начался сразу же после трансплантации и прекратился как только состояние сосудов стабилизировалось. Более того, избирательно заблокированное образование нанотрубок нарушило митохондриальный перенос и восстановление поврежденных сосудов. Таким образом, преходящий митохондриальный перенос по нанотрубкам показывает, как стромоциты обеспечивают жизнеспособность трансплантатов эндотелиоцитов.
Авторов мотивировались существующими ныне, во многом ограниченными, подходами к лечению ишемии. Следовательно, они задались вопросом, способны ли искусственно внедренные эндотелиоциты с митохондриями имитировать описанную выше трансплантацию. Чтобы ответить на него, авторы инкубировали митохондрии, изолированные от стромоцитов, с эндотелиальными клетками таким образом, чтобы митохондрии были поглощены в ходе эндоцитоза. Такая искусственная трансплантация воспроизводила естественный процесс переноса, присутствующий в эндотелиоцитах-реципиентах с усиленным метаболизмом. Трансплантация таких эндотелиоцитов с внедренными митохондриями в ишемизированные мышиные ткани тормозила некроз, так как формировались новые сосуды, и кровоток улучшался.
Следует отметить, митохондрии из стромальных клеток и не должны быть «рабочими» для стимуляции эндотелиальных трансплантатов потому, что перенесенные митохондрии быстро разрушались в митофагии (вместо того, чтобы сливаться с существующим пулом митохондрий). Во время митофагии повреждённые митохондрии помечались для уничтожения белками PINK1 и Parkin. В результате, аутофагосомы (внутриклеточные пузырьки) охватывают меченные митохондрии, затем лизосомы разрушают их [6]. Ученые наблюдали за искусственно перенесенными митохондриями в аутофагосомы (внутри эндотелиоцитов), но когда митофагию удалось нарушить посредством угнетения экспрессии генов, кодирующих белки PINK1 и Parkin, предотвращался и захват митохондрий внутриклеточными пузырьками. В итоге, число новообразованных кровеносных сосудов в эндотелиоцитарных трансплантатах снижалось. Примечательно и то, что митофагия стимулировала образование новых митохондрий (митохондриальный биогенез) в эндотелиоцитах-реципиентах, которые и усиливали внутриклеточный метаболизм и стимулировали образование новых сосудов.
Многие аспекты передачи митохондрий от клетки к клетке изучены недостаточно [7,8]. Лин с соавт. обнаружили, что повышение соотношения стромоцитов к эндотелиоцитам или числа растущих клеток в условиях гипоксии усиливает митохондриальный перенос. Более того, блокада активности ФНО-α (одного из белков-медиаторов воспаления) или же одного из белков, регулирующих активность ФНО-α, уменьшает образование нанотрубок. Тем не менее механизмы, стабилизирующие и дестабилизирующие нанотрубки, остаются до конца не установленными. Совместная клеточная культура стромоцитов и эндотелиоцитов, которую использовали авторы, способна оказаться ключом к решению данного фундаментального вопроса.
В противовес, взаимодействие между биогенезом митохондрий и митофагией хорошо изучено [9]. Авторы выяснили, что даже одной перенесенной митохондрии достаточно для того, чтобы в значительной степени усилить выработку энергии внутри эндотелиоцита. В случае совместной трансплантации у мышей, порядка 20 % перенесенных митохондрий находились в составе аутофагосом. На основании этого, предполагается, что умеренные триггеры митофагии являются мощным стимулом митохондриального биогенеза.
Удивительно, что истощение белков PINK1 в стромоцитах или белков Parkin в эндотелиоцитах предотвращало разрушение митохондрий. Следовательно, белок PINK1 должен аккумулироваться на внешней мембране митохондрии стромоцитов до того, как они будут перенесены в эндотелиоциты, в которых к белку PINK1 присоединится и белок Parkin. Этот вывод важен потому, что демонстрирует специфичность данного процесса: только перенесенные митохондрии запускают митофагию в эндотелиоцитах. Однако если белок PINK1 накапливается в митохондрии до переноса, почему же митохондрии не распадаются в стромоцитах? И что происходит с митохондриями, перенесенными в эндотелиоциты, если белок PINK1 не накапливается в них?
Теоретически подход Лина с соавт. может способствовать преодолению ограничений существующих методов трансплантационной терапии для лечения ишемии, которые осложняются необходимостью совместной трансплантации эндотелиоцитов и стромоцитов. Примечательно, что митохондрии от разных видов млекопитающих и из разных типов клеток успешно имплантировались в эндотелиальные клетки. Это позволяет предположить, что само наличие митохондрий в большей степени важно, чем их источник. Однако неясно, может ли такой перенос митохондрий стимулировать иммунный ответ в клетках-реципиентах. Если, например, имеет место несовместимость клеток-доноров и клеток-реципиентов, последняя может инициировать воспалительную сигнализацию для защиты от потенциально опасных чужеродных митохондрий.
Кроме того, митохондрии рассматриваются как основные производители энергии внутри клетки, но они также запускают клеточную смерть и обладают собственной ДНК, которая склонна к мутациям. Лин с соавт. предполагают, что, несмотря на деградацию перенесенных митохондрий, существует вероятность, что какой-то процент уцелевших митохондрий может вызвать нежелательные реакции клеток-реципиентов. Наконец, на данный момент неясно, насколько возможно будет создать и трансплантировать искусственно примированные эндотелиоциты. Даже несмотря на эти неопределенности, можно лишь предполагать, какие возможности открывает использование методов лечения, основанных на трансплантации митохондрий.
