Трансплантация органов Клеточный уровень: с помощью наношприца исследователи берут митохондрии (синие) из живой клетки, чтобы перенести органеллы в другую. (Иллюстрация: Шон Килиан)

Эндосимбиоз привел к тому, что древние бактерии постепенно превратились в митохондрии, органеллы, ответственные за выработку энергии в современных сложных клетках. В клетках человека митохондрии образуют динамичную нитевидную сеть. Нити реагируют на отрицательное давление и превращаются в нечто вроде нити жемчуга, от которой впоследствии отщипываются отдельные митохондрии.

Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха под руководством Джулии Форхольт из Института микробиологи представили новую технологию для осуществления митохондриальной трансплантации — нано шприц для удобной транспортировки органелл из клетки в клетку. Доклинические эксперименты показали высокую эффективность метода, который сохраняет функциональными более 80% митохондрий. Используя цилиндрические нано шприцы, специально разработанные для этого исследования, исследователи проткнули клеточную мембрану и всосали сферические митохондрии. Затем они проткнули мембрану другой клетки и перекачали митохондрии из нано шприца обратно в реципиентную клетку.

Положение нано шприца контролируется лазерным излучением переделанного атомно-силового микроскопа. Регулятор давления регулирует поток, позволяя ученым переносить невероятно малые объемы жидкости в диапазоне фемтолитров (миллионные доли миллионной доли миллилитра) во время трансплантации органелл. И донорские, и акцепторные клетки выжили после этой минимально инвазивной процедуры.

Абстракт.

Мы разработали специальные зонды, которые позволяют минимально инвазивно проникать в клетки и оптимизировать поток жидкости для извлечения определенных органелл. При извлечении одной или определенного количества митохондрий их морфология трансформируется в фенотип «жемчужины на нитке» из-за локально приложенных гидродинамических сил. Мы показываем, что индуцированный переход не зависит от кальция и делает митохондрии интактными. При межклеточной трансплантации перенесенные митохондрии сливаются с митохондриальной сетью клеток-хозяев. Трансплантация здоровых и поврежденных лекарствами митохондрий в первичные кератиноциты позволила контролировать спасение митохондриальной субпопуляции. Слияние с митохондриальной сетью клеток-реципиентов происходило через 20 минут после трансплантации и продолжалось более 16 часов. После переноса митохондрий и размножения клеток в поколениях донорская митохондриальная ДНК (мт ДНК) реплицировалась в клетках-реципиентах без необходимости давления отбора. Этот подход открывает новые перспективы для изучения физиологии органелл и гомеостаза, а также для терапии, механобиологии и синтетической биологии. Суть метода:

С помощью наношприца митохондрии забираются из здоровых клеток и вводятся в дефектные. Технологический прорыв может обеспечить лечение огромного количества заболеваний, для которых характерно повреждение тканей и целых органов — от хронических ран до инсультов. Технология также может найти применение в сфере омоложения стволовых клеток, метаболизм которых ухудшается по мере старения.

Рис. 2.Экстракция органелл.

( A ) Изображение кантилевера FluidFM, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии. Размеры канала: L = 200 мкм, W = 35 мкм, H = 1 мкм. Масштабная линейка: 5 мкм. ( B ) Изображения флуоресцентной микроскопии кантилевера FluidFM после экстракции митохондрий. Граница между экстрактом и перфтороктаном видна из-за разных показателей преломления. Масштабная линейка: 10 мкм. 

Рис. 3. Трансплантация митохондрий.

( A ) Схема митохондриальной трансплантации с использованием подхода переноса клеток: митохондрии извлекаются с помощью аспирации FluidFM. Затем кантилевер, удерживающий экстракт, перемещают в ячейку-реципиент и вводят экстракт. ( B ) Изображение кантилевера FluidFM, предварительно заполненного перфтороктаном, после экстракции митохондрий, митохондрии помечены с помощью su9-mCherry. Экстрагированный объем приблизительно 0,8 мкл. Масштабная линейка: 10 мкм. ( C ) Схема митохондриальной трансплантации с использованием митохондрий, очищенных по стандартному протоколу очистки митохондрий. Очищенные митохондрии ресуспендируют в буфере HEPES-2 и заливают непосредственно в жидкостный зонд. Клетки вводят последовательно. ( Д) Изображение кантилевера FluidFM, заполненного митохондриями, выделенными из массы, помеченными с помощью su9-mCherry. Масштабная линейка: 10 мкм. ( E ) Изображения реципиентной клетки после митохондриальной трансплантации с использованием межклеточного подхода. Митохондриальная сеть клеток-хозяев маркируется с помощью su9-BFP, а трансплантат маркируется с помощью su9-mCherry. Масштабная линейка: 10 мкм. ( F ) Изображения реципиентной клетки после митохондриальной трансплантации с помощью инъекции изолированных митохондрий, метки аналогичны c. Масштабная линейка: 10 мкм. ( G ) Оценка трансплантации митохондрий с помощью межклеточного подхода при оптическом осмотре и подходе инъекции изолированных митохондрий. Всего оценивали 40 клеток за один подход. ( Ч) Абсолютное количество трансплантированных митохондрий из 22 отдельных клеток, оцененное для межклеточного подхода и инъекции изолированных митохондрий. ( I ) Состояние слияния трансплантированных митохондрий 30 после межклеточной трансплантации. Митохондрии визуализируют с использованием различных флуоресцентных меток для трансплантата (su9-mCherry) и для митохондриальной сети хозяина (su9-BFP). Масштабная линейка: 5 мкм. ( J ) Состояние слияния трансплантированных митохондрий 30 после инъекции очищенных митохондрий, маркировка аналогична g. Масштабная линейка: 5 мкм. ( К) Деградация трансплантированных митохондрий, трансплантат расщепляется на несколько более мелких флуоресцентных везикул (su9-mCherry), не демонстрирующих перекрытия флуоресценции с меченой митохондриальной сетью клетки-хозяина (su9-BFP). Масштабная линейка: 5 мкм. ( L ) Серия покадровых изображений одной трансплантированной митохондрии (su9-mCherry). Донором органелл служила клетка HeLa, реципиентом - клетка U2OS с флуоресцентно меченной митохондриальной сетью (su9-BFP). Масштабная линейка: 10 мкм.

Пересаженные митохондрии также имеют высокую выживаемость — более 80 процентов. В большинстве клеток инъецированные митохондрии начинают сливаться с филаментной сетью новой клетки через 20 минут после трансплантации. 

В своей статье исследователи пишут, что «методика, представленная в этой статье, облегчит применение в различных областях исследований в будущем». Вполне возможно, что его можно использовать для омоложения стволовых клеток, метаболическая активность которых снижается с возрастом. Но команда Форхольта в настоящее время преследует другие планы: «Мы хотим понять процессы, которые контролируют взаимодействие различных клеточных компартментов, и мы надеемся понять, как эндосимбиозы развиваются в течение эволюционного времени», — говорит Форхольт.

Ссылки на источник:

https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3001576

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2022/03/a-new-dimension-in-transplantation.html