K čemu máme mitochondrie (opakování, možno přeskočit)

Mitochondrie, nejspíš potomek alphaproteobakterií příbuzných dnešním rickettsiím. Dnes jsou z nich semiautonomní organely s vlastní DNA a vlastními geny. Kredit: Autorka: Mariana Ruiz, volné dílo.

Získávat dostatek energie k životu bez fotosyntézy je dřina. Buďto naši předci byli chytří a začali spolupracovat s bakteriemi, nebo to byli parazité, kteří se nám vmontovali do života a my jsme je anektovali, ale ať už tomu bylo jakkoliv, někdy před dvěma miliardami let mitochondrie přestaly být samostatnými organismy. Stále si ale na tu dobu pamatují a uchovaly si z ní značnou část rozhodovacích pravomocí. Ponechat jim takovou autonomii je přitom dost nezodpovědné. Jakoby si stát (v našem případě buňka) všechny své resorty řídil z jednoho centra (jádra a jaderné DNA), ale ten úplně nejdůležitější a  strategický resort – energetiku - ponechal v působnosti bývalého nepřítele.

Na dnes již mírumilovné spolužití s mitochondriemi se ale můžeme dívat také pohledem strany Starostové a nezávislí, a tedy, že nechat rozhodování na té nejnižší úrovni je správné.  Nicméně to vedlo k tomu, že si každá buňka našeho těla provozuje tisíce energetických zdrojů (něco jako tisíce maličkých elektrocentrál). Výhodou takového decentralizovaného řešení je, že se nemusíme starat o přenosovou soustavu. Má to ale i svůj rub. Zatímco jadernou DNA nám stačí mít v buňce jen jednu (jeden velín), tu mitochondriální musíme mít tolikrát, kolik máme mitochondrií. Mnohdy to jsou až statisíce mtDNA molekul v každé jediné buňce. Všechny tyto „mini-velíny“ jsou přitom na chlup stejné je, což si přiznejme je plýtvání energií i materiálem.

Nic z toho nám ale kritizovat nepřísluší, neboť v praxi evoluce jsme s tímto řešením obstáli. Možná i proto, že jak se ukazuje, dá se s mitochondriemi kšeftovat.

Mezenchymální kmenová buňka. Tyto buňky jsou ochotnými dárci mitochondrií a jejich prostřednictvím lze buňkám v nesnázích předat mitochondrie a vylepšit jim tím jejich výkonnost i vyhlídky na přežití. Obrázek buňky je z elektronového mikroskopu. Kredit: Robert M. Hunt. CC BY 3.0.

Když si to shrneme, tak v každé jednotlivé mitochondrii máme pomocí 16 569 písmen genetického kódu zapsáno 37 genů. Co do množství genů je mitochondriální DNA proti jaderné dědičnosti jen „kapkou v moři“.  Z hlediska funkčnosti už to tak docela pravda není. Dokládají to poruchy mitochondriálních genů, které bývají příčinou řady vážných chorob, např. některých typů svalových dystrofií nebo diabetu 2. typu. Rozhodují o výkonnosti buněk, protože mají na starosti energetickou bilanci buňky. Protože při jejich provozu vzniká hodně škodlivých radikálů, dostaly přezdívku „buněčné elektrárny se špinavým provozem". Právě tato jejich stránka (zajišťování výkonnosti buňkám) nás dnes na nich bude zajímat. Respektive mitochondriální geny zajišťující respiraci (součást oxidativní fosforylace produkující v mitochondriích ATP). Laicky řečeno -  buněčné dýchání v situacích, kdy od buněk potřebujeme špičkový výkon aby nás vytáhly ze šlamastik, při nichž jde o život.

Buněčné směnárenství

Universidad de los Andes, Santiago. Univerzitní pracoviště většiny autorů publikace. Kredit: ULA.

Na to, že buňky mezi sebou s mitochondriemi kšeftují, přišel kolektiv vědců z Centra pro genovou terapii na Tulane University v New Orleans. Bylo to při studiu rakoviny. Nejprve na buňkách pěstovaných v tkáňových kulturách, později i na modelových  organismech se zjistilo, že nádorově zvrhlé buňky strádající nedostatkem mitochondrií nerespirují („dusí se“). Několik týdnů se s nimi nic neděje a zhoubný nádor neroste. Během latence se nic neděje jen zdánlivě. Rakovinové buňky svým zdravým kolegyním v té době „kradou“ mitochondrie. Jakmile začnou mít genů pro dýchání dostatek, bujení rakoviny se rozeběhne na plné obrátky. Zda ale jde skutečně o krádež, jak se dlouho myslelo, necháme raději stranou. V poslední době se totiž ukazuje, že když některé buňky v těle strádají, vždy se najdou dobrovolnice, které předáním svých mitochondrií ochotně vypomohou.

Když nám například mrtvička přidusí mozek, tak se se strádajícími neurony o mitochondrie začnou ochotně dělit buňky zvané astrocyty (podrobněji popsáno zde).  Tentokrát nejde o mozek a dárkyněmi mitochondrií nejsou astrocyty, ale mezenchymální kmenové buňky.

Co jsou mezenchymální kmenové buňky zač?

V literatuře jsou často označovány jen zkratkou „MSC“ (mesenchymal stem cells). V učebnicích a slovnících jsou popisovány jako  multipotentní buňky schopné obnovovat poškozené mezenchymální a krvetvorné tkáně. A že jsou schopné se přeměnit (diferencovat) na široké spektrum buněčných typů, jako třeba buňky chrupavky, tukové tkáně, kosti, svalové buňky, buňky srdce a dokonce i neurony či buňky produkující inzulín. Dají se získat z kostní dřeně, pupečníkové krve a u nás při těle i z faldů na břiše.  Vědci s nimi rádi pracují, protože přilnou k plastickému povrchu kultivačních misek a vytvářejí kolonie, které třeba při výměně média se nespláchnou do výlevky.

Maroun Khoury, vedoucí výzkumného kolektivu: „Mitochondrie nejsou jen elektrárnami poskytující buňce energii. Významně zasahují i do regulace, aktivace, diferenciace a množení T-buněk. Kromě toho jsou zapojeny i do modulace signalizace v T buňkách. Dodáním mitochondrií buňkám imunitního systému lze tlumit přehnanou zánětlivou reakci a poškození tkáně“. Kredit: UANDES.

Jak lze mitochondrie dostat ven z buňky a protlačit je přes membránu té druhé?

Mitochondrie jsou organely, jakási obdoba tělních orgánů na úrovni buňky. Z toho plyne, že to nejsou žádní drobečci. V porovnání s molekulami živin, hormonů,… které prochází přes membránu bez problému kvůli své titěrnosti, je v tomto případě rozdíl asi jako mezi měňavkou a slonem. Buňky si proto k předání musí nejprve postavit  jakýsi tunel. Vědcům se slovo tunel nelíbilo, a tak tomu odborně říkají membránové nanotunýlky.

Pokusy na myších s poškozenými plícemi ukázaly, že předávání mitochondrií dokáže dělat divy. Když vědci svým čtyřnohým pacientům aplikovali do průdušnice lidské mezenchymální kmenové buňky (svolné podělit se o své mitochondrie), došlo k masivnímu převodu mitochondrií do buněk tvořících epitel myších plicních alveol. Spolu s tím rostla i metabolická aktivita plicních buněk a vylepšila se i funkce plic.

V našem výčtu kšeftaření s mitochondriemi v mozku a plících si můžeme odškrtnou i třetí položku - vylepšení  imunitního systému. Extra porci mitochondrií umí využít i makrofágy. Vylepšuje jim to fagocytózu. Laicky řečeno, zvyší to jejich apetit, a ty pak „zbodnou na co přijdou“. V případech hrozící infekce je velký úklid od všeho, co nemá v organismu co dělat, včetně virových partikulí a buněk napadených a rozpadlých, velmi cennou devízou.

Je tu ale ještě něco!

Zatím jsme MSC (mezenchymální kmenové buňky) vychvalovali za to, co všechno zvyšují. Teď přitvrdíme. Předáním svých mitochondrií dovedou také něco tlumit. A právě to je nejspíš ten nejdůležitější poznatek chilských výzkumníků - snížení GVH reakce. Tady na chvilku odbočíme, abychom si vysvětlili co to GVH reakce je a proč by nás měla zajímat.

Když nám transplantují nějaký orgán, a nedodrží při tom jisté kompatibility, tak s tkáněmi cizího orgánu náš imunitní systém přestane po čase kamarádit a odhojovací reakcí ho zlikviduje. Ale pozor, i v případě, že se naši obranáři s transplantovanou tkání popasují, nemáme ještě vyhráno. Naše buňky se nemusí zalíbit buňkám dárce. A je úplně jedno, kdo v této bitvě začne střílet jako první. Výsledkem je vždy zánět a konec je stejný. Případům, kdy buňky přeneseného orgánu (štěpu) vyrukují nepřátelsky proti tělu hostitele, se říká GVH reakce (z anglického graft versus host, česky štěp proti hostiteli). To bylo předmětem studie, o níž je tento článek.

Proč se vědci GVH reakcí zabývali?

Ve skutečnosti jim nešlo o to, které buňky proti komu a čemu bojují, ale o "sílu GVH reakce". GVH reakci využili jen jako jakýsi „měřák" nabuzenosti imunitního systému. S jeho pomocí zjišťovali, jak dodání mitochondrií ovlivní jeho „sílu“. Logicky se dalo předpokládat, že podobně, jako v případě zvýšení výkonnosti buněk plicního epitelu a  makrofágů, se i imunitní systém  po extra porci mitochondrií ve své reakci GVH pochlapí a vyvolá razantnější a mocnější zánět. Opak byl pravdou.

Pokusy na myších dávají tušit, že by „transplantaci mitochondrií“, „transfúzi mitochondrií“, „mitotransfer“, či jak léčbě budeme říkat, šlo provádět dokonce i pouhým vdechováním...

Ať už vědátoři imunitnímu systému dodali mitochondrie prostřednictvím kmenových mezenchymálních buněk, nebo z nich nejprve mitochondrie izolovali a nabídli je bílým krvinkám jen tak přímo (bez buněk prostřednic), výsledek byl vždy stejný. Imunitní buňky nabídnutý dar ochotně přijaly, a což je nejdůležitější,  tlumilo to zánět.

Pro nás je asi zbytečné zacházet do podrobností, že léčba ovlivnila především jistý typ bílých krvinek zvaných T buňky. Že poté, co si buňky nabídnuté mitochondrie přivlastnily, změnily své chování (genovou expresi)...  Stačí, když si z toho odneseme poznatek, že to imunitnímu systému tlumilo vášně, a hned tak něco ho nevytočilo.

Proč by to mělo být důležité?

Protože tu nejspíš máme nový způsob léčby celé řady autoimunitních chorob. Jejich společným jmenovatelem je totiž právě pomatený a přehnaně reagující imunitní systém s chronickými záněty a ztrátou funkce postiženého orgánu.

Inventura

Umělé navyšování mitochondrií zvyšuje metabolickou aktivitu buněk plicních sklípků. Tlumí zánět. Snižuje poškození plic a vylepšuje pacientovi zásobení tkání kyslíkem. To vše se nutně musí jevit všem, kteří mají co do činění s akutní respirační tísní, jako sen.

Vkrádá se i otázka, kterou v době konání pokusů chilští lékaři nemohli předpokládat: Nedala by se mitoterapií snížit smrtnost infekce Covid-19? Vždyť u ní jde rovněž o přehnanou imunitní reakci a postižení plic.

Odpověď možná dávají pokusy čínských vědců ze Southwest University v Chongqing. Ti se před časem terapií mitochondriemi zabývali. Intravenózními injekcemi mitochondrií z mladých zvířat se jim podařilo u starých myší vylepšit jejich kognitivní a motorické výkony. Když uvážíme, že nejohroženější kategorií pro Covid-19 jsou starší osoby, tedy s mitochondriální dysfunkcí spojenou s věkem…

Vraťme se ale k pokusům chilských vědců a rozklíčujme si jejich slova o předklinických testech s lidskými buňkami. Je třeba si uvědomit, že nemluví o pokusech na lidech, ale na myších, geneticky upravených tak, že se na nich s lidskými buňkami dá experimentovat. Je ale krajně nepravděpodobné, že by připravované klinické ověření dopadlo na lidech jinak. Pesimisté se ale obávají něčeho jiného. Komplikací ze strany anti GM aktivistů, nátlakových náboženských skupin a zastánců ohánějících se předběžnou opatrností. Jde totiž o léčbu, která  je ve své podstatě tvorbou lidských chimér. Optimisté zase doufají, že se všem podaří vysvětlit, že při  krevních transfúzí dochází prakticky k témuž (přenosu mitochondrií) a že snad zvítězí zdravý rozum a snaha zachraňovat lidské životy.

Napsáno exkluzívně pro Unilabs Slovensko.

Aniž by to chilští vědci plánovali, tak zveřejněním své práce do značné míry znevážili stávající pravidla, za jakých je u pacientů s  COVID-19 možno zahájit léčbu transfúzí. Povoleno je zatím jen podávání rekonvalescentního séra. Zjednodušeně řečeno, lze podat jen krev od uzdraveného člověka, který nemoc prodělal a v jehož životodárné tekutině koluje patřičné množství protilátek namířených proti koronaviru. Jak ale Chilané prokázali, tak zvýšení šance na přežití  by poskytla i transfúze od dárce, který koronavirovou infekci neprodělal a který žádné protilátky proti koronaviru nemá, a to díky přenosu mitochondrií. Zda, kdy a jak na nový poznatek (třeba úpravou svých směrnic, v nichž by byla vypuštěna nutnost vysokého titru protilátek) zareagují americká FDA, Evropské středisko pro prevenci a kontrolu nemocí (ECDC), nebo domácí SÚKL, je těžké odhadnout.

Literatura

Zizhen Zhao, et al.: Improvement of cognitive and motor performance with mitotherapy in aged mice. Int J Biol Sci 2020; 16(5):849-858. doi:10.7150/ijbs.40886

Angela C Court Recart, et al.: Mitochondrial transfer from MSCs to T cells induces Treg differentiation and restricts inflammatory response, EMBO reports (2020). DOI: 10.15252/embr.201948052