Белковые метки прицельно доставили митохондрии в клетки и замедлили их дегенерацию

Швейцарские исследователи разработали систему для доставки здоровых донорских митохондрий в заданные типы клеток с митохондриальной дисфункцией. В эксперименте с ее помощью удалось замедлить дегенерацию человеческих нейронов in vitro и мышиных in vivo, повысив их выживаемость. Отчет о работе опубликован в журнале Nature.

Различные неизлечимые в настоящее время заболевания, такие как нейродегенеративные расстройства, атрофия зрительного нерва и сердечная недостаточность, связаны с митохондриальной дисфункцией. В силу этого в качестве потенциальной терапевтической стратегии рассматривается трансплантация здоровых донорских митохондрий. Разработками в этом направлении занимаются различные научные группы, но имеющиеся экспериментальные подходы не могут обеспечить прицельную доставку этих органелл в заданный тип клеток, из-за чего лечению не хватает специфичности и, как следствие, эффективности.

Ботонд Рошка (Botond Roska) из Базельского института молекулярной и клинической офтальмологии и Базельского университета с коллегами разработали систему для прицельной доставки митохондрий в заданные типы клеток с использованием специфичных белковых связывающихся элементов (белковых биндеров) по аналогии с белками вирусного капсида, специфичными по отношению к клеткам-мишеням. Система, названная MitoCatch, существует в трех вариантах. MitoCatch-C подразумевает включение биндеров, специфичных к митохондриальным поверхностным белкам, в мембраны клеток-мишеней. MitoCatch-M, наоборот — включение биндеров, специфичных к поверхностным белкам клеток-мишеней, в мембраны митохондрий. MitoCatch-Bi комбинирует оба эти подхода — биспецифичные друг к другу биндеры включаются в мембраны митохондрий и клеток-мишеней.

В качестве биндеров авторы работы использовали нанотела — небольшие минимально функциональные однодоменные фрагменты антител. В экспериментах с MitoCatch-C они обеспечивали связывание и проникновение митохондрий в иммортализированные человеческие клетки рака почки линии HEK293T, индуцированные человеческие нейроны и эндотелиальные клетки человеческой пупочной вены (HUVEC), в экспериментах с MitoCatch-M — в HEK293T, HUVEC, человеческие фоторецепторные клетки сетчатки и человеческие Т-лимфоциты, с MitoCatch-Bi — в HEK293T, мышиные ганглионарные клетки сетчатки, человеческие фоторецепторные клетки сетчатки и человеческие Т-лимфоциты. В клетках митохондрии контактировали с цитозолем, динамично распределялись по свойственным им компартментам, сохраняли жизнеспособность как минимум на протяжении нескольких дней и были способны к слиянию и разделению мембран.

В дополнительных экспериментах исследователи изменяли эффективность белковых биндеров, внося точечные мутации в молекулы нанотел. Также они успешно использовали в качестве биндеров другие белковые молекулы — дарпины (DARPins, искусственно сконструированные белки на основе анкириновых повторов) и полноценные антитела из семейства иммуноглобулинов G, а также дали количественную оценку силе адгезии митохондрий к клеткам-мишеням с помощью атомно-силовой микроскопии.

На следующем этапе опытов авторы работы создали индуцированные нейроны из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (IPSC) пациента с наследственной оптической нейропатией Лебера с мутацией mt11778G>A митохондриального гена ND4. В них замедлили гликолиз, заменив в питательной среде глюкозу на галактозу, что вызвало нейродегенерацию. С помощью MitoCatch в такие клетки in vitro трансплантировали донорские митохондрии и убедились, что их выживаемость повысилась на 23,6 процента. Секвенирование РНК отдельных клеток показало повышенную экспрессию здорового варианта ND4, а также генов окислительного фосфорилирования, синтеза АТФ и комплекса I дыхательной цепи. Дополнительная оценка миграции клеток HUVEC в in vitro модели ранозаживления показала, что трансплантация в них митохондрий усиливает клеточные функции, приводя к ускорению закрытия дефекта.

В завершение исследователи на аденоассоциированном вирусном векторе ввели в ганглионарные клетки сетчатки мыши ген нанотела к зеленому флуоресцентному белку (GFP) и через три недели вызывали дегенерацию этих клеток путем разрушения зрительного нерва. Через сутки в сетчатки ввели 2,5 микрограмма митохондрий с GFP на поверхности. В результате выживаемость парвальбумин-положительных ганглионарных клеток повысилась на 46,8 процента по сравнению с введением плацебо. Также существенно повысилась плотность ганглионарных клеток, отвечающих на стимуляцию светом, и уменьшилось число клеток с признаками дегенерации аксонов. Иммунный ответ при введении в организм мыши донорские митохондрии не вызывали.

Поученные результаты показывают, что разработанная система MitoCatch обеспечивает эффективную и прицельную доставку донорских митохондрий в заданные клетки. Эти митохондрии по меньшей мере временно могут повысить выживаемость таких подверженных дегенерации клеток с митохондриальной дисфункцией in vitro и in vivo. Авторы продолжают совершенствование системы и ее доклинические испытания.

В июле 2025 года стало известно, что 90-летний квантовый физик Джон Крамер станет первым добровольцем, который опробует на себе трансплантацию митохондрий, выращенных в биореакторе, для терапии старения. О том, насколько эффективными могут быть подобные эксперименты, читайте в материале «Митохондриальный дедушка».