Mitokondri Transferi Nasıl Yapılır?

Mitokondri güç kaynağı olarak bilinir ve hücre sitoplazmasında bulunur. Hücrelerin temel organellerinin başında gelir. Mitokondriler biyoenerji sürecinde özellikle oksidatif fosforilasyon ve glukoz ve yağın oksijenli solunum metabolizmasında anahtar bir rol oynar. Mitokondriler, adenozin trifosfat (ATP) formunda hücrenin enerjisinin çoğunu üretir. Mitokondri vücut hücrelerinin hemen hepsinde hücrenin enerji ihtiyacını karşılar ve bu yolla organizmanın canlılığını ve homeostatik dengeyi sürdürür. Ayrıca mitokondrinin kalsiyum depolama ve apoptoz gibi önemli hücresel olaylarda da görevleri bulunmaktadır.

Mitokondri hücre içindeki görevini bir bütünlük sağlayacak şekilde yerine getirmelidir. Biyolojik işlevlerini yerine getirmediği zaman yakınındaki mitokondriye ve hücreye zarar vermeye başlayarak son derece tehlikeli sonuçlar doğurabilmektedir. Mitokondrinin düzgün çalışmaması Parkinson hastalığı, Alzheimer hastalığı, kas distrofisi ve yaşla ilişkili nörodejenerasyon gibi hastalıklarda rol oynar. Ayrıca mitokondri disfonksiyonu birçok hastalıkta görülen patolojilerde de rol oynar. Bu patolojiler travmatik beyin hasarı, omurilik hasarı, kalp krizi ve inme olarak gösterilebilir.

Mitokondri Transferi İçin Hangi Yöntemler Kullanılır?

Mitokondri transferi tedavisi genetik hastalıklarda başarılı sonuçları olan terapötik bir yöntemdir. mtDNA hasarı ve mitokondri işlev bozukluğu olan bazı hastalıklarda organel olarak mitokondrinin sağlıklı hücreden hasarlı doku ve hücrelere nakledilmesine edilmesine büyük ihtiyaç vardır. Bu konuda yapılan birçok çalışma ile çeşitli hücre kaynaklarından (mezenkimal kök hücre, hücre kültürü, hastanın kendi doku örnekleri) izole edilmiş mitokondrinin hasarlı doku, organ ya da hücrelerde başarılı sonuçları olduğu gösterilmiştir. Kalp ve karaciğer iskemisinde ve Parkinson hastalığında oldukça olumlu sonuçlar elde edilmiştir.

Yıllardır süren çalışmalar neticesinde mitokondri transferinde iki farklı yöntem belirlenmiştir.

• Doğal mitokondriyal transfer: Mikroveziküller ile taşıma ve nanotüp ile taşıma
• Yapay mitokondriyal transfer: Koinkübasyon, mikroenjeksiyon, in situ enjeksiyon, Pep-1 ve mitokondrinin koinkübasyonu, MitoCeption ve damar içine enjeksiyon

Doğal mitokondri transferi için bazı bilim insanları tarafından yeni bir hücresel özelliği tanımlayan in vitro ve in vivo olarak farklı hücre tiplerinde mitokondrinin yatay transferi bildirilmiştir. Horizontal transferde mitokondri ya da mtDNA hücreler arasında doğal olarak taşınabilir ve kök hücre/vücut hücrelerden bu aktif transfer fonksiyon bozukluğu olan hücrelerdeki oksijenli solunumu sağlayabilir. Bir hücreden diğerine mitokondri transferi ile ilgili çalışmaların çoğu mezenkimal kök hücre gibi sağlıklı bir hücre kaynağından elde edilmiş mitokondri ile hasar gören hücrelerin tamir edilmesi ile ilgili olmuştur. Hücreler arası materyalin (mitokondri) transferi ile ilgili birçok araştırma yapılmıştır. Bunlardan 2004’de Rustom ve  arkadaşları, 2006’ da Spees ve arkadaşları, 2012’ de Islam ve arkadaşları ve 2016’ da Jackson tarafından yapılan in vivo analizlerde mezenkimal kök hücre mitokondrilerinin transfer için en iyi mitokondriler olduğu gösterilmiştir.

Mikrovezikül ve Nanotüp ile Mitokondri Transferi

İlk transfer mekanizması, mitokondrinin mikrovezikül ile taşınmasıdır. Bu taşınma özellikle bağışıklık hücrelerinin fagositik özelliklerini artırır ve hücreyi hasardan kurtarır. Mikroveziküller ile taşınma genellikle mezenkimal kök hücreler tarafından gerçekleştirilen mitokondri iletisinde görülmektedir.

İkinci transfer yolu nanotüp tünel transferidir. Hücresel hasar iyileştirmek için hastalıklı hücrelere mitokondri iletme yeteneğine sahiptir. Bu tür mitokondri transferi metabolik yeniden programlama, bağışıklığı güçlendirme ve ayrıca farklılaştırma ile ilişkilidir.

Bir hücreden diğerine mitokondri transferi çok hücreli organizmalarda homeostazisin sürdürülmesi ve gelişmesi için gerekli bir sürecin bir parçasıdır. Mitokondri bir hücreden diğerine nanotüp tüneli ve mikroveziküller gibi hücre içi yapılarla geçebilir.

Mitokondriyal Transformasyon Projesi

Mitokondri transferi için araştırmacılar arasında farklı bakış açıları olsa da tüm transplantasyon tekniklerinde Clark ve Shay’ ın 1982’ de bir hücreden diğerine mitokondri transferinin ilk örneği ‘’mitokondriyal transformasyon’’ projesi ön ayak olmuştur. Bu projede mitokondrinin ATPaz fonksiyonu ve protein sentezini inhibe etmek için kloramfenikol ve efrapeptin antibiyotiklerini kullandılar. Kloramfenikole dirençli hücreler, mitokondriyal büyük alt tipi rRNA geninin bir alanında bulunan mtDNA’ larında mutasyonlara sahipti. Kloramfenikol ve efrapeptine dirençli fibroblastlardan mitokondri transferi ile bu antibiyotiklere duyarlı alıcı hücrelerin canlılığını koruduğunu ispatlamışlardır. Clark ve Shay’ın mitokondriyal transfer mekanizması ile ilgili gözlemleri ve soruları bu alanda ileride yapılacak çalışmaların önünü açmıştır.

İn vivo ve in vitro uygulamalarda mitokondrinin doğal transferini taklit etmek için çok farklı teknikler ortaya çıkmıştır. Koinkübasyon tekniği, mitokondriyal DNA’da taşınan antibiyotik direncinin duyarlı hücrelere geçirildiği bir yöntemdir. Daha sonra bu teknik hasarlı hücreler arasında solunum yetmezliği bulunan hücreleri kurtarmak için kullanılmıştır. Dışarıdan mitokondri mikroenjeksiyonu mitokondriyal hastalıkları taşıyan oositlerin sağlıklı mitokondri içeriğine ulaşması için uygulanmıştır. Fototermal nanoblade yöntemi ise endositoz ve hücre füzyonunu kestirme yoldan gerçekleştiren ve hücre içine izole edilmiş mitokondrinin etkili bir şekilde transfer edilmesine olanak sağlamıştır. Ancak uygulaması az sayıda hücre ile sınırlıdır.

Mitokondriyi Hücreden Hücreye Nasıl Aktarabiliriz?

Alıcı hücrelerde mitokondri girişini kolaylaştırmak için iki farklı yaklaşım geliştirilmiştir. Birincisi Pep-1 ve diğeri mitokondriyal membran reseptör kompleksine bağlanmak (TOM22) üzere tasarlanmış manyetik boncuklardır (Magnetomitotransfer). MitoCeption tekniği, kültüre edilmiş hücrelere izole edilmiş mitokondrinin transfer edilme işleminde koinkübasyon yöntemine termik şok ve santrifüjleme basamakları eklenerek standardize edilmiş bir transplantasyon yöntemidir. Bu yöntem mitokondrinin hücre içine alımını iyileştirmektedir. İlk olarak kanser hücrelerinde uygulanan bu teknik, hücrelerin metabolik yeniden programlanmasını başlatmıştır.  İn vivo mitokondri transferi iki şekilde uygulanır. Birincisi, zarar görmüş dokuya mitokondriyi doğrudan enjekte etmek, diğeri ise dolaşım sistemine doğrudan vermektir.

Sonuç olarak mitokondrinin hastanın kendi dokusundan ya da dış kaynaklı olarak kök hücrelerin tedavi edici özelliğinden faydalanarak hücre içinden izole edilerek hasarlı doku ve organa transferi önemini tıp dünyasına yeni bir yaklaşım olsa da yapılan çalışmaların umut verici olduğunu kanıtlamıştır.

Mitokondri transferi fikri son yıllarda yapılan araştırmalarda etkinliğini ve ilginç özelliğini göstermektedir. Ekip olarak şuan böbrek hastalıklarında bu transplantasyon tekniğini kullanarak önemli bulgular elde ettik ve yolumuza devam ediyoruz.

Hazırlayan: Gökhan Burçin Kubat

Kaynaklar

1. Ratlarda doxorubicinle oluşturulan böbrek hasarı modelinde, rat mezenkimal kök hücre mitokondrisi transplantasyonu tedavisinin etkinliğinin ortaya konması Demonstrating the efficacy of treatment of rat mesenchymal stem cell mitochondrial transplantation in A model of renal injury induced by doxorubicin in rats https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/tezSorguSonucYeni.jsp
2. Kitani, D. Kami, S. Matoba, and S. Gojo,“Internalization of isolated functional mitochondria: involvement of macropinocytosis,” Journal of Cellular and Molecular Medicine, vol. 18, no. 8, pp. 1694–1703, 2014.
3. Lin HC, Liu SY, Lai HS, Lai IR (2013) Isolated mitochondria infusion mitigates ischemia-reperfusion injury of the liver in rats. Shock 39: 304–310
4. Emani, S.M., Piekarski, B.L., Harrild, D., del Nido, P.J., McCully, J.D., 2017. Autologous mitochondria transplantation for ventricular dysfunction following myocardialischemia-reperfusio injury. J.Thorac.Cardiovasc.Surg.http://dx.doi.org/10.1016/j.jtcvs.2017.02.018 (inpress)
5. Masuzawa, K. M. Black, C. A. Pacak et al.,“Transplantation of autologously derived mitochondria protects the heart from ischemia-reperfusion injury,” American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology, vol. 304, no. 7, pp. H966– H982, 2013
6. Nakamura and H. Arakawa, 2017. Discovery of Mieap‐regulated mitochondrial quality control as a new function of tumor suppressor p53. Cancer Sci. 2017 May; 108(5): 809–817. Published online 2017 May 5. doi: 10.1111/cas.13208