سلول‌ها در حال مبادله میتوکندری‌های خود هستند!

محققان در حال مطالعه هستند که چرا این نیروگاه‌های انرژی بین سلول‌ها حرکت می‌کنند و آیا می‌توان از این فرآیند برای درمان سرطان و سایر بیماری‌ها استفاده کرد.

در دنیای زیست‌شناسی سلولی، حرکتی غیرمنتظره در جریان است — به‌ویژه در مورد نیروگاه‌های انرژی معروف به میتوکندری.

از زمانی که میتوکندری‌ها در اواسط قرن نوزدهم کشف شدند، به‌عنوان اندامک‌هایی شناخته می‌شدند که درون سلول‌ها قرار دارند. اما این تصویر کتاب‌درسی اکنون به نظر اشتباه می‌رسد. انبوهی از تحقیقات جدید، تصویر دیرینه میتوکندری‌ها به‌عنوان اندامک‌های منحصراً درون‌سلولی را به چالش کشیده است. «آن‌ها ممکن است یک اندامک چندسلولی باشند»، می‌گوید جاناتان برستوف، ایمونولوژیستی که در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، میزوری، متابولیسم را مطالعه می‌کند. به عبارت دیگر، این نیروگاه‌های به ظاهر ثابت، اکنون به نظر می‌رسد که مسافران ماهری هستند که در صورت نیاز از یک سلول به سلول دیگر می‌روند.

این «انتقال میتوکندری» در انواع مختلفی از سلول‌ها و در موجوداتی متنوع از مخمرها، نرم‌تنان و جوندگان مشاهده شده است. «دیدن این پدیده واقعاً هیجان‌انگیز است»، می‌گوید جفری اسپیس، زیست‌شناس سلول‌های بنیادی در دانشگاه ورمونت در برلینگتون.

هنوز مشخص نیست که چرا میتوکندری‌ها این‌قدر متحرک هستند. برخی مطالعات اشاره کرده‌اند که سلول‌ها در مواقع ضروری، میتوکندری‌های خود را به همسایگانشان اهدا می‌کنند. در شرایط اضطراری سلولی، میتوکندری‌های تازه‌وارد ممکن است ترمیم بافت را تحریک کنند، سیستم ایمنی را فعال سازند یا سلول‌های آسیب‌دیده را از مرگ نجات دهند. تحقیقات دیگر نشان می‌دهد که انتقال میتوکندری می‌تواند به‌عنوان سلاحی کشنده توسط سلول‌های سرطانی برای کسب مزیت استفاده شود.

اما معنای این پدیده برای سلامت انسان هنوز یک راز است. دنیل دیویس، ایمونولوژیست در کالج امپریال لندن، می‌گوید که محققان هنوز این فرآیند را درون بدن انسان مشاهده نکرده‌اند و بنابراین مطمئن نیستند که آیا در انسان‌ها رخ می‌دهد یا خیر. «ما هنوز فناوری لازم برای مشاهده این اتفاق را نداریم»، او می‌گوید.

این موضوع مانع از آن نشده که محققان به بررسی چگونگی استفاده از انتقال میتوکندری برای درمان بیماری‌های مختلف، از جمله سرطان و سکته مغزی، بپردازند.

یک باکتری قرض‌گرفته‌شده

در طول سه دهه گذشته، تحقیقات نشان داده است که میتوکندری‌ها بسیار فراتر از نیروگاه‌های سلولی هستند که مواد مغذی غذا را به انرژی تبدیل می‌کنند. آن‌ها نقش‌های کلیدی در فرآیندهای متعدد بدن ایفا می‌کنند: آن‌ها گفت‌وگوی بین سلولی که باعث عملکرد صحیح سلول‌ها می‌شود را هدایت می‌کنند و در پاسخ ایمنی علیه مهاجمان مضر مشارکت دارند. همچنین، آن‌ها به شکلی غیرمنتظره متنوع هستند. سال گذشته، محققان دریافتند که میتوکندری‌ها خود را به دو شکل متمایز تقسیم می‌کنند تا به سلول‌ها در زنده ماندن در شرایط کمبود مواد مغذی کمک کنند. مطالعه دیگری که در ماه مارس منتشر شد، تراکم و نوع میتوکندری‌ها را در سراسر مغز انسان مدل‌سازی کرد.

همه میتوکندری‌ها — در هر ارگانیسم و هر بخشی از بدن — تصور می‌شود که از یک باکتری باستانی مشترک نشأت گرفته‌اند. حدود ۱.۵ میلیارد سال پیش، این باکتری شناور توسط میکروبی بلعیده شد که در نهایت به یوکاریوت‌ها منجر شد — گروه بزرگی از موجودات، از جمله ما انسان‌ها، که سلول‌هایشان دارای هسته‌ای محصور است.

پس از چندین چرخش تکاملی، این باکتری قرض‌گرفته‌شده به اندامکی تبدیل شد که متابولیسم را هدایت می‌کند. کازوهیده هایاکاوا، عصب‌شناس در بیمارستان عمومی ماساچوست در بوستون که روی چگونگی کمک انتقال میتوکندری به درمان سکته مغزی مطالعه می‌کند، می‌گوید: «ممکن است میتوکندری‌ها توانایی باستانی حرکت از سلولی به سلول دیگر را مانند باکتری‌ها حفظ کرده باشند».

اولین مشاهده انتقال میتوکندری

در سال ۲۰۰۶، اسپیس و همکارانش اولین نگاه را به میتوکندری‌هایی انداختند که از یک سلول به سلول دیگر می‌پریدند. این تیم در تلاش بود تا رفتار عجیب سلول‌های بنیادی در ظروف آزمایشگاهی را درک کند. به نظر می‌رسید این سلول‌ها نوعی اطلاعات فیزیکی را به اشتراک می‌گذارند که به آن‌ها می‌گوید چگونه تمایز یابند، و گمان می‌رفت که میتوکندری‌ها در این فرآیند نقش دارند.

برای بررسی نقش میتوکندری‌ها، محققان سلول‌های سرطانی ریه انسان را که فاقد این اندامک‌ها بودند، با سلول‌های بنیادی مشتق‌شده از مغز استخوان کشت دادند. با برچسب‌گذاری میتوکندری‌های سلول‌های بنیادی با پروتئین‌های فلورسنت، تیم ویدیویی تایم‌لاپس از آنچه بعداً اتفاق افتاد تهیه کرد.

فیلم سیاه و سفید دانه‌دار نشان داد که سلول‌های بنیادی میتوکندری‌های خود را به بیرون پرتاب می‌کنند، که سپس توسط سلول‌های ریه معیوب جذب می‌شدند. پس از این اهدا، سلول‌های ریه به سرعت توانایی تقسیم و تبدیل گلوکز به انرژی را بازیافتند. «تماشای آن مانند یک معجزه بود»، اسپیس می‌گوید.

از آن زمان، محققان میتوکندری‌ها را در حال حرکت بین چندین نوع سلول — ریه، قلب، مغز، چربی، استخوان و غیره — مشاهده کرده‌اند. گاهی اوقات میتوکندری‌ها از طریق بزرگراه‌های موقتی به نام «نانولوله‌های تونل‌زننده» که بین سلول‌ها تشکیل می‌شوند و محموله‌های سلولی دیگر را حمل می‌کنند، سفر می‌کنند. در موارد دیگر، میتوکندری‌ها در وزیکول‌های حباب‌شکل حرکت می‌کنند یا آزادانه در خون شناور می‌شوند.

چرا میتوکندری‌ها حرکت می‌کنند؟

اینکه میتوکندری‌ها چگونه حرکت می‌کنند تا حد زیادی مشخص شده است، اما آنچه کمتر روشن است، دلیل این حرکت است. کلر کرو، زیست‌شناس سلولی در دانشگاه واشنگتن، می‌گوید محققان در حال یادگیری این هستند که این فرآیند اغلب شکلی از کنترل آسیب سلولی است.

به عنوان مثال، برخی مطالعات نشان می‌دهند که انتقال میتوکندری ممکن است به سلول‌ها کمک کند تا از طوفان‌های عصبی جان سالم به در ببرند. در سال ۲۰۱۶، هایاکاوا و همکارانش دریافتند که در موش‌هایی که سکته مغزی کرده‌اند، سلول‌های پشتیبان به نام آستروسیت‌ها، میتوکندری‌های خود را به نورون‌های ضعیف‌شده تحویل می‌دهند. با این تقویت میتوکندریایی، نورون‌ها شاخه‌های جدیدی رشد دادند و فرآیندهای متابولیک خود را از سر گرفتند، که شانس زنده ماندن آن‌ها را افزایش داد. وقتی محققان انتقال میتوکندری را مهار کردند، نورون‌های کمتری زنده ماندند، که نشان می‌دهد این اندامک‌های اهداشده کلید بهبود سلول‌ها بودند. اما هایاکاوا می‌گوید که کدام بخش از ساختار یا عملکرد میتوکندری از سلول‌ها محافظت کرده است، هنوز ناشناخته است.

کاربردهای درمانی احتمالی

سلول‌های ریه نیز ممکن است در شرایط بحرانی از تقویت میتوکندریایی سود ببرند. جهار باتاچاریا از دانشگاه کلمبیا در نیویورک، که متخصص در یک بیماری التهابی شدید به نام آسیب حاد ریوی است، می‌گوید که او و همکارانش دریافتند در موش‌های مبتلا به این التهاب، سلول‌های استرومال — که بافت‌های پیوندی حمایت‌کننده اندام‌ها را می‌سازند — میتوکندری‌های خود را به سلول‌های ریه منتقل می‌کنند. سلول‌هایی که میتوکندری‌های قرض‌گرفته‌شده را دریافت کرده بودند، غلظت بالاتری از سوخت سلولی ATP داشتند، که در نهایت به سلول‌های مجاوری که میتوکندری جدید دریافت نکرده بودند، توزیع می‌شد.

این ریه‌های بیمار در مقایسه با ریه‌های بیمار دیگری که میتوکندری خارجی دریافت نکرده بودند، نشانه‌های بیشتری از بهبودی نشان دادند. باتاچاریا می‌گوید وقتی او و تیمش انتقال میتوکندری را در عمل مشاهده کردند، شگفت‌زده شدند: «فکر نمی‌کنم چند شب بعد توانستیم بخوابیم، آنقدر هیجان‌انگیز بود».

تحقیقات دیگر اشاره می‌کنند که میتوکندری‌های منتقل‌شده ممکن است بهبود زخم را تسریع کنند. در سال ۲۰۲۱، آن-ماری رودریگز، زیست‌شناس سلولی در دانشگاه سوربن پاریس، و همکارانش دریافتند که پلاکت‌های جدا شده از خون انسان، هنگامی که این دو نوع سلول در یک ظرف با هم قرار داده شدند، میتوکندری‌های خود را به سلول‌های بنیادی منتقل کردند. پس از جذب میتوکندری‌ها، سلول‌های بنیادی مولکول‌هایی آزاد کردند که در تشکیل رگ‌های خونی جدید نقش دارند. هنگامی که این سلول‌ها روی زخم‌های پوستی موش‌ها قرار داده شدند، این زخم‌ها سریع‌تر از زخم‌های موش‌هایی که فقط سلول‌های بنیادی یا پلاکت دریافت کرده بودند، بهبود یافتند.

انتقال میتوکندری در سلامت روزمره

فراتر از نقش آن در بهبودی، محققان می‌خواهند بدانند که آیا انتقال میتوکندری بخشی ضروری از زیست‌شناسی روزمره است. شواهد اولیه نشان می‌دهد که ممکن است به حفظ بافت‌های سالم کمک کند. سال گذشته، مینگائو ژنگ، زیست‌شناس باززایی در دانشگاه استرالیای غربی در پرث، و همکارانش کشف کردند که برخی انواع آستروسیت‌ها میتوکندری‌های خود را به سلول‌های پوشاننده رگ‌های خونی در مغز موش اهدا می‌کنند. هنگامی که محققان این فرآیند را مختل کردند، سد خونی-مغزی نشت‌کردن را آغاز کرد، که نشان می‌دهد انتقال میتوکندری به حفظ این غشای محافظتی کمک می‌کند.

در موش‌های سالم، برستوف و همکارانش گزارش دادند که سلول‌های چربی سفید میتوکندری‌های خود را به ماکروفاژها — سلول‌های سفید خون که بقایای سلولی را جمع‌آوری می‌کنند — منتقل می‌کنند. تعداد اندامک‌های منتقل‌شده در موش‌های چاق کاهش یافته بود. این موش‌های چاق همچنین انرژی کمتری نسبت به همتایان سالم خود می‌سوزاندند. برستوف می‌گوید این اندامک‌ها ممکن است به ماکروفاژها کمک کنند تا زمانی که متابولیسم آن‌ها مختل شده است، به عملکرد خود ادامه دهند.

در دنیای پیچیده سیستم ایمنی، میتوکندری‌های اهداشده ممکن است اثر ضدالتهابی داشته باشند، به‌ویژه هنگامی که توسط سلول‌های T — سلول‌های سفید خون که با عفونت‌ها و بیماری‌ها مبارزه می‌کنند — جذب می‌شوند. در مطالعات روی کشت سلولی، پاتریسیا الخاندرا لوز-کراوفورد، ایمونولوژیست در دانشگاه آندس در سانتیاگو، شیلی، و همکارانش دریافتند که برخی انواع سلول‌های T که میتوکندری از سلول‌های بنیادی دریافت می‌کنند، مولکول‌های التهابی کمتری تولید می‌کنند. سلول‌های بنیادی کشت‌شده از افراد مبتلا به آرتریت روماتوئید، میتوکندری‌های کمتری به سلول‌های T منتقل می‌کنند در مقایسه با سلول‌های بنیادی افراد سالم، که او می‌گوید ممکن است به التهاب مزمن مرتبط با این بیماری کمک کند.

نتیجه‌گیری

انتقال میتوکندری پدیده‌ای است که به‌تازگی توجه دانشمندان را به خود جلب کرده و پتانسیل بالایی برای درک بهتر سلامت و بیماری دارد. از ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده تا مبارزه با سرطان، این کشف می‌تواند راه‌های جدیدی برای درمان‌های انقلابی باز کند. با این حال، هنوز چالش‌های زیادی وجود دارد، از جمله توسعه فناوری‌های لازم برای مشاهده این فرآیند در بدن انسان و درک دقیق مکانیسم‌های پشت آن.

در آینده، شاید بتوان از این «سفرهای میتوکندریایی» برای نجات جان انسان‌ها استفاده کرد. تا آن زمان، دانشمندان به کاوش در این دنیای میکروسکوپی ادامه خواهند داد تا اسرار بیشتری از این نیروگاه‌های سلولی را فاش کنند.