文摘
本综述的目的是概述现有的人工线粒体转移技术和描述未来的必要步骤开发新的治疗在医学中的应用。受共生起源的线粒体和细胞转移这些细胞器的能力受损的邻居,许多研究人员已经开发出程序来人为地从一个细胞线粒体转移到另一个。目前正在使用的技术从简单coincubations孤立的细胞线粒体和收件人使用物理方法诱导一体化。这些方法模仿自然线粒体转移。为了使用线粒体转移在医学上,我们必须回答的关键问题:如何复制方面自然运输流程改善当前人工传输方法。另一个重点是确定最优数量和线粒体的细胞/组织来源为了诱导细胞重编程或组织修复,在体外和体内的应用程序。此外,它是重要的领域探讨人工线粒体转移技术可以用于治疗不同的疾病和如何导航等过程的伦理问题。毫无疑问,线粒体是细胞发电厂,多在我们继续发现潜在的用于医学。
1。介绍
线粒体是细胞细胞器的后裔一个alphaproteobacterial内共生体(1)和经济增长中发挥基础性作用,分化,和生存除了维持细胞的能量(2,3]。疾病、组织损伤和衰老细胞线粒体及其挑战,从而影响他们的完整性,功能,和体内平衡4,5]。细胞自然有能力交换胞内物质,特别是线粒体通过不同的过程,如细胞间接触,微泡,nanotubular结构和其他机制(6- - - - - -8]。克拉克和谢开创了人工线粒体转移(AMT),涉及线粒体与耐药基因移植到敏感的细胞,从而使他们能够生存在选择性培养基(9),打开这个新领域的研究。克拉克和谢的工作以来,人工传递的过程,并继续模仿天然细胞运输方面,特别是在细胞自然使用拯救其他受损的细胞机制。AMT恢复并增加呼吸和扩散并完成其他细胞过程5,10- - - - - -16]。
本文将考虑关键的进步需要改进目前的人工线粒体转移知识和如何使用这些技术治疗。我们将概述线粒体结构的特点是重要的保持它的完整性在人工转移(13,14]。接下来,我们将讨论如何细胞自然保护线粒体运输期间通过细胞间桥或微泡,线粒体在细胞接收器传输的影响(6,17,18]。线粒体的体内人工转移同时进行了尽可能多的(在体外实验中5,7,12,13,16,19]。这些方法将在第三节中介绍。例如,这些化验由麦克卡利(2009年16和最近黄等人于2016年19质疑线粒体的最佳来源,什么样的压力在他们的转会可能影响线粒体功能或阻止他们到达靶组织,以及其他问题。开发新线路的关键在这个领域的研究是确定AMT的疾病可以有效治疗治疗等的潜在优势超过别人。考虑到这个,至关重要的是,我们进一步研究的有效性不同供体来源的线粒体修复受体细胞和确定这些发现可以帮助建立道德准则,以促进未来的安全研究和启用AMT的新医学应用的发展。毫无疑问,需要更多的进步来更好地理解和改善AMT和为其安全使用奠定基础治疗线粒体损伤和相关疾病。
2。线粒体结构和功能特点,对于一个成功的人工转移
线粒体是真核细胞的细胞器出现在大多数;它负责ATP合成通过氧化磷酸化(OX-PHOS),钙代谢、凋亡的内在途径的控制,以及其他功能。目前,线粒体被认为是一个共生的有机体,其noneukaryotic起源可以促进转移的能力从一个细胞到另一个地方。双重防护膜,部分从细胞核转录独立,从而使线粒体交换物品,自然可以通过微泡和碳纳米管之间的细胞(20.- - - - - -22]。鉴于没有细胞保护执行AMT时,重要的是要保护线粒体完整性隔离后暴露在一个细胞外环境。隔离过程和压力外的细胞或生物体周围温度变化和媒体将极大地修改了结构稳定性,功能和潜在影响线粒体的接收器单元(23]。在本节中,我们将关注关键生物方面应该考虑当AMT到其他细胞。
从原核生物线粒体进化,当它殖民地第一protoeukaryotic细胞,它开发了一个系统的密切沟通与细胞核通过交换自己的mtDNA序列(24,25]。据估计,线粒体需要近2000蛋白质正常工作,但在许多物种,mtDNA编码仅63蛋白质或更少(26,27),这些蛋白质合成在细胞质中核糖体编码在细胞核和不是的线粒体,从而使他们部分独立28]。核和线粒体基因之间的相互作用是至关重要的细胞器转录、翻译的蛋白质,和呼吸(29日]。考虑这种密切的关系,一个细胞的线粒体或物种之间的兼容性与核心交互的另一个可能影响他们的相声,从而抑制细胞呼吸作用和功能(29日- - - - - -32]。这些具体的差异之间的核和线粒体基因组细胞或物种可能会导致不兼容,如果汽车、紧密相联的,异种的AMT是追求13]。
线粒体的体积小以及它的能力改变它的形状和长度允许它被亚细胞运输运输机制如隧道纳米管(tnt)和微泡(MVs) [33,34]。它的直径在0.5和1.0之间变化μm,其长度显示了伟大的变化,从0.5到10μm。尽管它的形状被定义为圆或拉长,线粒体可能非常多形性,或者换句话说,他们会表现出伟大的形态学变化。一些线粒体融合和相互联系的网络,与经典的bean的形状出现在大多数的插图(35,36]。这种细胞器的特征是双脂蛋白膜,每个约7海里厚。线粒体外膜光滑,生化与真核细胞的细胞膜,富含胆固醇(可能导致细胞能力内化这细胞器在外部介质)是免费的(11]。
保证线粒体外膜和内膜的完整性在任何一个细胞到另一个之间的AMT过程是保护的关键细胞器的功能和对接收机后细胞转移的影响。线粒体外膜(石)作为一个障碍,一个平台之间交换产品,细胞质膜间隙(37,38]。石也保护细胞免受任何有害的产品,喜欢活跃的自由基代谢过程由线粒体(37,39]。脱石透化作用可以诱导毒素,γ和/或紫外线照射、缺氧、生长因子不足造成不可挽回的线粒体DNA (mtDNA)损伤。这些因素会导致激活proapoptotic多畴的bcl - 2蛋白,如伯灵顿或贝克(40- - - - - -43]。permeabilized或脆弱的石不会有效内化后AMT接收机电池甚至可以激活凋亡过程而不是修复或增加细胞功能(11]。进一步的研究应该完成的,为了充分理解蒙脱石和接收者之间的交互细胞膜和理解吸收的过程。
内线粒体膜(IMM)是化学类似于细菌细胞膜和丰富的心磷脂,磷脂由4脂肪酸减少这个质子膜的渗透性。质子的IMM缺乏渗透性是至关重要的,因为它允许存在线粒体隔间之间的浓度差(intermembranous空间和线粒体基质)。IMM由内部边界膜(IBM),嵴膜(CM), IBM的蒙脱石和CMs反对长突起的矩阵内的IBM (44]。CM的形状是由多个折叠膜。这将允许更多的IMM挤进细胞器,从而为电子传递链复合物提供脚手架和ATP合酶代表80%的蛋白质质量的内膜45,46]。IMM建筑的破坏可能导致线粒体的嵴动力学的改变,必然地影响其能力与其他线粒体融合,产生ATP (37,47,48]。AMT的治疗可能性之一是使交换mtDNA从外生健康线粒体受损接收机从而导致线粒体ATP生产维护IMM的完整性可以支持这一过程。
线粒体健康是至关重要的维持细胞的完整性和功能。许多反应发生在线粒体和其良好的结果,在脂肪酸β三羧酸循环,氧化尿素循环,血红素生物合成,和类固醇的一部分,心磷脂和泛醌生物合成途径。线粒体基因变异和有害突变的存在在他们的DNA可以改变他们的结构、功能和完整性。许多重要的生理方面还没有完全理解的必要了解生理变化或压力,像电子传递链(即子积。活性氧(ROS))等引起的环境污染(或年龄),会损害线粒体的组成部分。为了发展更有效的机制和AMT取得成功,我们必须找到方法来维持他们在AMT结构完整性,保证外部和内部线粒体膜结构将是守恒的,也不会失去其在转移函数,从而保证有利影响的过程9,14]。以前的工作对AMT评估线粒体功能的荧光探针和电子显微镜的一个关键方面转移过程(14,16,49,50]。皮卡德等人2011年观察到的孤立过程诱发的细胞或组织的线粒体细胞器的分裂,调节过渡孔隙的渗透率敏感性钙、改变呼吸耗氧率,增加了线粒体压力自由基(显示23]。仍然没有信息的绝对或相对数量AMT过程中损坏和健康的线粒体。获取这些信息可能导致一个更好的评估和比较不同的AMT方法本文中讨论。
细胞和线粒体变化过程中分化。它被描述干细胞线粒体是休眠和不成熟状态:他们是小,有利于厌氧代谢。通过分化的多能性和损失的过程中,线粒体DNA增殖和数量,呼吸的速度,ATP合酶的生成增加。这些变化导致线粒体开发一个细长的形态学和嵴肿胀。重新定位其矩阵也越来越密集,在更大程度上的细胞(51- - - - - -54]。还没有研究对分离线粒体是否显示变化对接受者的影响线粒体细胞根据分化状态显示强烈的差异在他们的结构和代谢。这样的问题是否嵴分布变化,ROS产生转移,需要回答和合并的隔离和传输协议。
在下一节中,我们将描述自然线粒体细胞间转移的关键方面,其他细胞功能保护细胞免受损伤或压力(7,8,33,55]。在运输期间,线粒体是封闭的,膜,从而保护他们免受外部损伤。为了实现成功的人工传递,这些机制将需要重新创建为了保护线粒体。
3所示。自然细胞间线粒体转移
到目前为止,一些团体报道水平的线粒体转移在不同的细胞在体外和体内,描述一个新的细胞属性(7,8,21,56,57]。大部分工作对线粒体传递从一个细胞到另一个处理拯救健康的受损细胞,这样的间充质干细胞(hMSCs) [8,56,58]。此外,其他研究已发现,这个转移过程msc的增强巨噬细胞的免疫反应;这只是一个例子的不同影响这一机制对细胞参与转让(33]。最近,这个过程也是观察星形胶质细胞和神经元之间发生在局灶性脑缺血(21]。有趣的是,在这种情况下,视网膜神经节细胞的线粒体转移到视神经星形胶质细胞被分解和回收(57]。从第一个描述细胞之间的细胞内物质的转移在2004年由Rustom et al。62006年],spe等人的工作(7)的体内分析由伊斯兰教等人(2012年8和杰克逊等人在2016年33),大多数研究表明,msc是最好的细胞线粒体转移。考虑自然线粒体转移的潜在好处,有伟大的紧迫性更好的理解,促进,人为地复制这个过程。
从一个细胞线粒体的运输到另一个是对话的一部分必要的开发和维护在多细胞生物体内平衡(图1)[59]。线粒体可以从一个细胞到另一个通过细胞间结构如隧道纳米管(tnt)和分泌细胞的身体,如微泡(5,20.,33,60]。2004年,tnt Rustom等人描述为一个结构,使细胞间的相互作用。自那时以来,一些团体研究产生tnt和接收线粒体的细胞和其他细胞内的货物(5,6,33,61年]。其他评论在这个特殊的问题,最近出版的工作概括TNT的细节结构生成、特点、和线粒体转移(60,62年- - - - - -64年]。
tnt是由filopodia-like细胞膜突起的结果与目标细胞。每个细胞的膜延伸到融合在一起,从而形成一个紧密相连的桥是独立于任何衬底(22]。tnt包含一个骨架主要由f -肌动蛋白和运输蛋白像MIRO1促进货物和线粒体的活性转移沿着这些结构(58]。tnt第一次描述rat-cultured嗜铬细胞瘤PC12细胞(6),和随后的研究表明,它们连接多种细胞类型。这些研究提供了更多的证据表明,tnt参与线粒体细胞之间的运输,细胞损伤的修复,增强免疫反应的激活,细胞代谢重编程(5,8,33,61年,65年]。
细胞内物质运输的方向性和线粒体通过tnt并不完全理解。重要的是定义哪些因素促进捐赠物质及其对受体细胞的影响。太阳等人发现,tnt的增长是由细胞外蛋白质S100A4和引导其假定的受体愤怒(先进的糖化终产物受体)。强调海马神经元和星形胶质细胞p53激活后发起tnt的形成。这个信号通路引发细胞凋亡蛋白酶3,减少S100A4在受伤的细胞,使细胞高水平的S100A4成为受体细胞(66年]。通过这些结果,作者建议受损细胞需要转移细胞健康的内容,过程中相关的传播危险信号,但没有见解对线粒体参与。相比之下,spe等人在2006年发现msc线粒体respiration-deficient癌细胞转移,但运输的方向或双向式模式是很难确定是因为收件人线粒体细胞被耗尽,而且它不描述msc是否收到任何癌细胞的胞内物质(7]。森野奎等人在2005年已经表明,线粒体是专门通过tnt内皮祖细胞从人类新生儿未分化的心肌细胞过程中为了维持他们的成熟67年]。高的团队在2016年使用微流体通道,同时跟踪tnt coculture化验的形成和交换材料。高的团队观察到msc是TNT的负责任的形成和心肌细胞线粒体转移,相反,成纤维细胞(负交互的控制)68年]。双向传输的线粒体也是合理的,因为它是观察恶性间皮瘤细胞之间。这些细胞产生比正常更多的TNT间皮瘤细胞,但有趣的是,他们的扩散是反向形成与TNT在他们的文化低血清,高血糖的,酸性生长培养基(69年]。这些代表的几个例子广泛文献对细胞内物质的交换和线粒体及其方向。然而,线粒体运输并不完全理解。例如,该领域仍需要定义单元类型,产生tnt和交付货物收件人细胞(68年]。的决心的方向性和线粒体在不同细胞间转移的必要条件是必不可少的理解这个过程的潜在作用,帮助细胞暴露在压力或在细胞之间的传播危险警告信号。仍然悬而未决的另一个重要的问题是msc更倾向形成的原因tnt与其他细胞。
许多团体使用肺部疾病模型的研究人员已经证实,线粒体可以转移到其他细胞体内。伊斯兰教等人在2012年报道,骨骨髓来源干细胞(bmsc)可以用来供应健康的线粒体肺泡上皮细胞的小鼠模型大肠杆菌LPS-induced急性肺损伤(8]。线粒体的交付为受伤的细胞增加ATP水平进而维护细胞生物能疗法和上皮细胞恢复功能。后续研究在肺部疾病模型(rotenone-induced肺损伤和allergen-induced哮喘)导致的理解机制参与线粒体转移通过纳米管,捐赠证实了线粒体的保护作用,并揭示了Miro1-regulated线粒体运动从MSC受损收件人肺上皮细胞58]。所有这些数据证实,线粒体交付可以拯救伤害细胞。此外,在小鼠模型大肠杆菌全身的肺炎和急性呼吸窘迫综合征(ARDS)的线粒体转移MSC对先天免疫细胞通过tnt增强巨噬细胞吞噬细菌伤害组织,从而提高修复的过程(33]。
细胞外囊泡(EVs)也参与了胞内运输货物到其他细胞。EVs球体结构脂质双分子层膜包围(70年),有能力运送蛋白质,脂肪,碳水化合物,代谢物,小rna (71年],mtDNA [17]。电动汽车的分类根据其大小和生物转化。这个分类包括液(直径30到100海里),微泡(100海里为1μ米直径)和凋亡体(1到2μ米直径)(72年]。凋亡的身体受到更少的研究由于其快速消除吞噬细胞(70年]。最后,液和微泡释放各种细胞类型,包括血小板,内皮细胞、乳腺癌细胞34]。信使rna和microRNA发现液,可以运送到靶细胞(73年]。Guescini等人在2010年还观察到的交付mtDNA液。mtDNA也可以通过液,因为它被发现在胶质母细胞瘤细胞和星形胶质细胞74年]。线粒体转移的机制的充分理解EVs和接收机细胞影响仍不清楚。
已经观察到神经系统受益于线粒体出于不同目的的转移。例如,线粒体的转移允许细胞分解非功能性神经元线粒体和健康的线粒体转移到强调。线粒体转移的过程并不总是为了保护受损的细胞也回收这些细胞器在其他细胞线粒体的过程称为transcellular退化或transmitophagy [57]。transmitophagy过程介导的细胞含有线粒体拔出神经元,这些结构是由星形胶质细胞,然后拥抱回收(57]。transmitophagy发生的原因仍然未知,但它被假定焦轴突损伤刺激过程。另一种理论认为运输受损神经元线粒体回大力soma是不利的,有专门的星形胶质细胞来执行这个任务和间隙unfunctional线粒体的57]。星形胶质细胞是负责保护和修复受损的神经元通过几种机制中线粒体的转移细胞外MVs含有血管内皮生长因子(VEGF)、纤维母细胞生长因子2 (FGF-2),线粒体是至关重要的支持细胞复苏后中风或细胞应激(21,75年]。理解transmitophagy和线粒体的自然转移微泡的神经系统将使我们能够找到新的治疗方案,这个过程可以调节神经元的体内平衡和功能的恢复退化性疾病。
msc的多种机制发挥之一自然疗效是通过电动汽车。2012年,李等人孤立的老鼠和人类的液msc。随后,他们注射MSC-derived液的小鼠模型缺氧肺动脉高压(HPH)的疗效并观察MSC行动组织(76年]。同样的研究发现,msc提示线粒体去极化的搬到质膜的外极限,以应对更高的氧浓度(21%)。这个运动是由arrestin域与蛋白质1-mediated MVs超过100海里。最后,这些MVs分泌和与巨噬细胞融合,从而加强他们的耗氧率和最有可能提高治疗属性。
msc分泌液与小分子核糖核酸,从而抑制巨噬细胞的激活和抑制TLR信号。Phinney等人在2015年发现这种反应与msc使巨噬细胞的机制更容易获得外源性囊泡和线粒体17]。2012年,赵et al。56)复制2006年化验由spe (7],他培养的msc与人类骨肉瘤143 b细胞,随后导致其线粒体受损或耗尽(7]。赵等人观察到msc积极健康的线粒体通过nanotubular结构转移到143 b mitochondria-depleted细胞(56]。赵等人对msc与罗丹明6 g为了改变线粒体活动但不是mtDNA。作者观察到线粒体功能齐全需要恢复的损失143 b细胞线粒体自由的呼吸。在实验的一个至关重要的部分,他们cocultured msc与细胞携带mtDNA突变(A3243G突变或删除4977个基点),看到没有恢复功能(56]。
线粒体细胞倾向于处理时不接触应力条件或后让他们变得有害的线粒体可以产生大量的活性氧(77年]。约30 - 50%的高糖酵解海拉细胞线粒体受损后能够存活下来通过选择性消除或mitoptosis [77年]。在这个过程中,线粒体被包含在降解膜囊泡和胞外分泌。退化的线粒体的存在,特别是mtDNA的与促炎反应和细胞外空间的存在antimitochondria抗体anticardiolipin和antisarcosine脱氢酶等,它是脓毒症的特点和与病人结果负77年]。
mtDNA和ROS发布的嗜酸性粒细胞已被证明提供抗菌保护;他们也代表了先天免疫反应的重要组成部分[78年]。LPS刺激肝细胞和小鼠胚胎成纤维细胞线粒体材料通过挤压autolysosomal胞外分泌,从而激活多形核白细胞(79年]。线粒体的发布内容激活炎症反应(79年]。最后,完整的线粒体necroptotic细胞可能扮演一个角色在危险信号时逐出细胞在肿瘤坏死因子-α(TNFα)诱导necroptosis。这些线粒体吞没巨噬细胞和树突细胞,导致促炎细胞因子的分泌巨噬细胞和树突状细胞的成熟80年]。
少量的体内研究表明,线粒体可以裸体或释放由双层膜封装。只是等人在2008年用小鼠模型确认裸体线粒体是释放到细胞间隙后anti-Fas抗体注射。为了应对这种治疗,细胞质液泡吞没了支离破碎的线粒体和挤压凋亡肝细胞(81年]。同样,激活血小板释放respiratory-competent线粒体,既是自由的细胞器和封装内的微粒子。这些线粒体细胞外调节炎症反应(82年]。阐明机制参与线粒体挤压会导致更好的理解疾病由线粒体功能失调和炎症性疾病。
很明显,细胞,尤其是msc、使用线粒体为直接重编程的代理,因为线粒体是独立于受体或耦合蛋白诱导的影响。microrna的细胞因子,转录因子和其他细胞组件需要特定信号通路的激活,以诱导增殖反应,增长,或其他细胞中(83年,84年]。然而,我们可以推测,外生线粒体,细胞内后,开始与其他线粒体呼吸和保险丝。这些特征或机制使线粒体的运输通过tnt或囊泡需要他们的保护,确保其完整性和稳定性。我们不知道如果线粒体内自由流通或微泡具有相同的影响或者哪一个可以更好的诱导增殖,细胞修复,或其他5,8,33,67年,68年]。另一个问题是如果线粒体的分离协议应用于细胞或组织可能会损害其功能和作用在细胞85年]。
寻求最有效的方法来提供线粒体体外和体内仍在继续。基于现有文献,实现有效的AMT将要求我们保护线粒体的完整性和有效性,保护他们在膜结构,如微泡。以来的第一次描述从msc mitochondria-depleted细胞线粒体转移7),人们进行了无数次研究体内和体外。这些研究的结果提供了更多的证据,这本小说的研究领域。理解这些细胞特性开辟了新的途径治疗策略的发展AMT mitochondrial-related障碍的治疗。
4所示。人工线粒体转移(AMT)
毫无疑问,主的细胞器,线粒体是细胞能量,推动多个进程增殖、迁移、分化、和压力电阻(86年- - - - - -89年]。线粒体细胞之间的转移通过纳米管或微泡刺激这些过程,也保护了受体细胞与压力相关的伤害。几个研究小组目前正在对AMT为了了解如何促进细胞修复在这种情况下(5,8,10,55]。以来第一次正式从一个异种的细胞线粒体转移到另一个完成通过coincubation[1982年克拉克和谢9,19),这个快速发展的领域开发了新的AMT方法,以观察其效果在受体细胞类型和想象新的可能的应用程序(图2)。
1982年,克拉克和谢发达“线粒体转变,”第一个技术从一个细胞线粒体转移到另一个(9]。在他们的模型中,他们能够将大约30000受体细胞在一个过程中,使其成为高效的方法。他们使用了抗生素氯霉素(CAP)和efrapeptin (EF)、抑制线粒体的蛋白质合成和atp酶功能为了杀死敏感的哺乳动物细胞。细胞耐帽有突变mtDNA坐落在一个地区的线粒体大亚基rRNA基因(9]。他们观察到线粒体的转移从帽和EF-resistant成纤维细胞增加了受体细胞的生存,这些抗生素敏感。有趣的是,他们观察到当敏感细胞的线粒体转移到新细胞,他们没有赋予抗受体细胞。这提供了证据表明,更高浓度的线粒体本身不足以保护细胞不受限制或EF;相反,线粒体只能通过抗生素抗性基因的生存。也明显,线粒体抗小鼠成纤维细胞的限制和EF没有增加敏感的人类细胞的生存。这表明混合内生和转移到线粒体在不同的物种可能会受到限制。本文的一个至关重要的观察是,AMT的失败成鼠细胞通过简单coincubation表明这个过程不是同样有效的在不同的细胞类型和一些细胞可能比其他人更容易接受(9]。克拉克和谢的观察和线粒体转移的机制问题的进一步发展开辟了道路。
1988年,国王和Attardi然后开发第一个使用侵入性器械AMT技术;他们将外源性抗线粒体分离帽细胞注入敏感的人类细胞(90年]。他们的方法比克拉克和谢coincubation协议的效率较低,因为技术有限数量的细胞可以转化在每个过程对受体细胞并造成伤害。然而,这项研究表明,注入一个线粒体细胞很快就会耗尽其内生的线粒体在6至10周。额外的技术执行AMT nanoblades和其他外来乐器已经被开发出来,但比coincubation[都是低效率的12,91年]。
线粒体携带基因突变可引起的疾病可以通过卵母细胞(传递给后代92年]。预防和治疗这些疾病,实验利用各种不同的AMT方法,从microinjecting健康线粒体进入卵母细胞(93年未受精的细胞核移植,mutation-carrying卵母细胞健康无核的胚珠。使用金和Attardi AMT技术,Pinkert等人用显微镜下注射转移的肝脏线粒体分离亩spretus卵母细胞受精了亩骶(93年]。后4.5天在文化、Pinkert等人发现异种的线粒体DNA序列的细胞,因此,示范异种的线粒体的密切相关的物种能够在受体卵母细胞生存至少在有限的时间内(93年]。2007年,易建联的团队观察到受精卵,收到来自年轻的老鼠的肝脏线粒体转移开发更好的通过囊胚阶段,相比旧受精卵没有接受AMT (94年]。2010年,武田等人的线粒体牛成纤维细胞培养用于血清(10%和0.5%95年]。有趣的是,收到的卵母细胞线粒体分离细胞0.5%血清显示较低的开发速度95年]。最近,由显微镜下注射线粒体的转移已经被阐明的胚珠健康的捐赠者和添加合子核材料载体的线粒体突变在原核的状态和中期二世(96年]。尽管这些技术已经成功(97年),他们仍然由于生殖细胞的数量牺牲道德争议的过程;这些问题将在后面的小节中讨论的审查。
克拉克和谢的化验9,14]coincubates孤立与受体细胞线粒体,这一技术可以很容易地应用到许多不同类型的细胞。这个过程提供了一个机会来研究人为转移外源的行为和影响受体植物细胞内线粒体。尽管其他运用这项技术的成功,2005年,AMT意外失败时spe等人coincubated线粒体分离出与人类肺癌hMSCs受体细胞(A549) [7]。在手术之前,A549细胞使用溴化乙锭以消耗mtDNA和使细胞不能进行有氧呼吸,就像国王和Attardi(之前做过90年]。当Prockop集团与hMSCs cocultured耗尽A549细胞,他们观察到线粒体的自然转移。这种转移似乎救援功能失调的A549细胞的呼吸。coincubation试验失败后,他们推测,线粒体的转移是由活性等机制的形成nanotubular结构如tnt或囊泡运输这些细胞器受体细胞的内部(6]。未知的细节温度变化在线粒体隔离可能是工具性理解缺乏被动转移。两年后,在异种的模型中,Weissig成功转移从老鼠肝脏为人类癌症细胞,分离出线粒体mda - mb - 231和MCF-7。Katrangi等人测试这种技术在四个模型,使用每种类型的癌细胞有或没有线粒体消耗由溴化乙锭(13]。每一个成功的模型可以归因于他们用来分离线粒体的方法。方法的关键是维持线粒体在4°C,为了保持其结构和功能。他们还保持在正常的细胞培养基尿苷和丙酮酸。这个协议的成功提供了洞察特定条件,接收方可能需要为了成功内化外源细胞线粒体和防止细胞功能和代谢的变化由于暴露于温度变化。一种可能性是,某些细胞线粒体可能更乐于接受。例如,癌症细胞系mda - mb - 231等自然吸收更多的物质从周围环境的过程描述为entosis或细胞同类相食98年]。
支持Weissig的工作(2007年),同年Yoon等人从不同的物种有能力观察到线粒体融合在一起。他们的研究没有使用线粒体转移技术,而是他们与聚乙二醇(PEG)的融合细胞。他们也贴上不同的人类和小鼠线粒体(mtGFP mtDsRed, resp),观察两种类型的混合线粒体45分钟后添加的铂族元素和融合的线粒体混合动力车在4 h。人类和小鼠线粒体的融合显然是因为之间的序列的同源性蛋白负责这个过程,mitofusins蛋白(Mfn1和进行Mfn2)。进行Mfn2 Mfn1和分享人类和老鼠之间的90.7%和94.8%的同源性。的形成mitofusin为这两种类型的线粒体膜之间的发起拘束和内膜的融合99年]。然而,即使两物种线粒体融合,Yoon等人无法从老鼠创建长期胞质杂种融合,尽管他们能够实现从mouse-mouse融合。这可以解释为不同物种之间的积累,特别是在nuclear-coded线粒体基因与线粒体和细胞核之间的对话;看来,长期原子核之间的串扰和xenomitochondria无法建立(99年,One hundred.]。尹在xenomitochondria的兼容性与人类细胞的工作表明,线粒体转移成功可能只是可能的细胞和/或组织之间相同的物种。
2012年,艾略特等人coincubated线粒体隔绝不灭的乳腺上皮细胞与恶性同行MCF7, mda - mb - 231和ADR-Res。他们观察到降低增殖潜力和对化疗药物如阿霉素的敏感性更高,abraxane,卡铂(101年]。有趣的是,他们观察到,只有分离线粒体的永生的乳腺上皮细胞能够进入乳腺癌细胞,而不是原来的不灭的乳腺上皮细胞(101年]。本文没有进一步讨论无限增殖细胞的线粒体的特点是否不同于正常上皮细胞或如果这种差异可能影响的过程融入无限增殖和肿瘤细胞。维持孤立的转移到受体细胞线粒体coincubation, Kitani等人表明,这个过程可以执行autogeneically xenogeneically。他们记录了转移的结果通过实时PCR和荧光成像(11]。然而,尽管他们与集成xenomitochondria获得功能细胞,Yoon无法显示的持久性外生mtDNA超过两周(99年]。
分析优化传输包含化学物质的使用和物理方法自1988年以来一直在进行。2013年,刘和他的同事们共轭孤立与穿透线粒体多肽促进他们的内化。他们使用Pep-1 cell-penetrating肽,最初开发导致膜促进毛孔的交付分子寡核苷酸进入细胞。作者Pep-1适应共轭与孤立的人类骨肉瘤143 b细胞的线粒体15]。Pep-1的混合和分离线粒体提升他们的内化成纤维细胞参与线粒体疾病的模型与粗糙的红色纤维肌阵挛癫痫综合征(MERRF)。他们观察到Pep-1-mediated转移是更成功的内化在促进线粒体比线粒体(102年]。不幸的是,作者并没有描述的功效或接合Pep-1背后的基本原理和线粒体。他们还没有描述的意想不到的缺乏内化外源线粒体与Pep-1不共轭。有趣的是,在2016年,刘翔的团队使用Pep-1-conjugated同种异体和异种的线粒体的体内分析帕金森病模型(PDM) [103年]。他们观察增加神经元存活和运动恢复的动物实验组相比与控制。然而,源于他的技术问题,如是否Pep-1肽作为保护剂从环境破坏或是否充当内化代理促进线粒体转移到受影响的组织。最后,定义最优数量的线粒体对PDM的老鼠将是重要的研究的可能性,将该技术应用于治疗神经退行性疾病或其他疾病。
2015年,我们组标准化分离培养的细胞线粒体的传输机制(mda - mb - 231,人类乳腺癌细胞),添加两个额外的步骤coincubation过程:离心分离和热冲击。我们命名为协议MitoCeption。我们的技术允许持续的和可再生的增加由收件人细胞线粒体摄取比例的材料补充道。以下的观察,我们可以证明一个等效增加呼吸和ATP生产符合线粒体的补充。我们目睹了一个功能mitocepted癌细胞的变化:他们的增殖和侵袭性潜力增加。有趣的是,我们还观察到癌细胞不能不断将线粒体而不损害其功能性质;细胞的增殖和侵袭性能力减弱后增加线粒体浓度。我们的工作表明,它是无用的不断改善线粒体转移机制如果有内化线粒体的功能阈值。很明显,这种技术不能用于体内转移器官或组织的线粒体,但细胞可以mitocepted之前引入一个活的有机体的重组或修复其代谢和功能的目的(10]。
线粒体的转移coincubation似乎依赖于捐赠的可行性和代谢活动线粒体外膜的完整性,尤其是,这是第一个结构细胞细胞器与接收器。Kesner等人在2016年进一步研究coincubation转移机制利用海拉细胞分离线粒体,将其转移到其它癌症细胞系,健康的成纤维细胞,细胞线粒体突变。他们指出,吸收快,与受体细胞吸收外源性线粒体coincubation开始后10分钟。Kesner等人还建立了线粒体转移是主要由macropinocytosis [14),是一种规范的内吞作用主要涉及分子的吸收,营养,和其他材料从细胞外空间104年,105年]。此外,他们发现干扰线粒体的外膜与洋地黄皂苷或其他mitochondria-damaging分子抑制吸收过程。他们最主要的观测提供了见解关于线粒体的完整性是很重要的成功转移的过程。他们还重要的是指出,膜受体细胞的特征可能发挥重要作用的macropinocytosis线粒体。
吴等人开发了一个光照nanoblade交付货物,包括哺乳动物细胞内的线粒体,绕过细胞融合和内吞作用12]。进步的阻力对mda - mb - 453 - 143骨肉瘤和杀人案缺乏mtDNA p0细胞治疗photodermal nanoblade为了交付HEK293T-expressing线粒体贴上安全域。这个过程的目的是拯救接收细胞的代谢功能。这种技术有效地转移外源线粒体,但由于所需的专业技术和设备执行这个过程,获得的结果在实验中很难被复制。此外,作者提到,线粒体的转移的光热光谱分析nanoblade低吞吐量,这意味着必须适应技术以达到相同的效率coincubation或者MitoCeption技术。同年晚些时候,Macheiner和他的同事们(91年]发达anti-TOM22磁珠的使用来改善线粒体分离的纯度。他们用一块磁铁将线粒体加上磁珠进入宿主细胞,命名这种技术Magnetomitotransfer [91年]。TOM22是multisubunit移位酶嵌入在线粒体的外膜(106年]。耦合的线粒体anti-TOM22珠子可行的线粒体的数量能够增加被转移。然而,由于珠子还可以结合非功能性线粒体碎片,它们也可能无意中转移到受体细胞。根据作者,更大比例的转移是通过使用该技术经过一至三天的文化相比,被动转移。同样,Kesner已经观察到内化的过程中线粒体通过coincubation可以发生在短短10分钟(14]。这个观察可以把质疑磁珠的需要加速的过程。作者也没有显示外源性和内源性线粒体的融合是否以某种方式影响anti-TOM22珠子。融合是一个重要的过程之间的交换mtDNA线粒体;因此,这种方法可能不是有效融合不了anti-TOM22珠子。当他们提到的,还需要进一步的研究来了解毒性和细胞生理学的变化磁场线粒体转移后,特别是与呼吸和代谢改变有关。光热光谱分析nanoblades和Magnetomitotransfer仍然有限的细胞的数量,他们可以达到,他们可能造成的破坏,更大的技术挑战参与执行每个过程(10]。
2009年,麦克卡利等人证明了线粒体可以使用体内修复受损组织(16]。因为缺血性损伤影响组织的线粒体,这些作者推测,健康的影响线粒体的替换将显著改善缺血后恢复。他们在兔子的心脏阻塞诱导缺血使用Langendorff左冠状动脉灌注允许测试收缩力量和心率。他们注入车辆,车辆与线粒体,线粒体或仅被解冻后一夜时期−20°C的车辆。这些都是直接注入缺血区就在再灌注。有趣的是,他们观察到,梗塞的面积减少和注射后的功能恢复增加了线粒体与车相结合。这是观察到的组织不仅注射线粒体分离,这意味着线粒体必须积极为了提供治疗功能,如先前所述工作体外(13]。作者从兔子用健康的心脏组织的线粒体,而有限的影响研究。这个策略有很多翻译的局限性。使用其他来源,如安然无恙组织从同一个捐赠者或其他nonvital组织从其他兔子,将为进一步的应用提供了更多的证据。
在2013年晚些时候,Masuzawa等人进一步化验来维持线粒体的转移的疗效在缺血性心脏模型在兔子49]。这一次,他们从胸肌分离线粒体的兔子用于缺血性休克(自体移植)。随访28天之后,作者观察到线粒体的自体移植并不是proarrhythmic:梗塞标记水平下降,能源和细胞呼吸前体代谢物的生成增加。有趣的是,他们还发现,线粒体是由心肌细胞移植后2小时,内化与心血管效应后28天。线粒体转移机制的建议和内化体外基于macropinocytosis Kitani等人,Kesner et al。11,14不是决定性的。在他们的最新贡献,麦克卡利的团队(2015)观察到线粒体的转移及其体内内化是由actin-dependent内吞作用而不是macropinocytosis。作者用不同的抑制剂来防止线粒体的内化。他们用细胞松弛素D抑制肌动蛋白聚合,甲基-β环糊精(MβCD)停止内吞作用,nocadozole阻止隧道纳米管。他们观察到(M的使用βCD)极大地抑制了吸收过程,推断,内化主要是由actin-dependent内吞作用[50]。进一步分析需要开发体内完全理解有关AMT内化的过程,可能的异质性在不同组织和转移的影响线粒体受损组织。这样的分析也可以帮助照亮的方法来提高AMT并解决其局限性。
2013年麦克卡利的实验后,林等人采用了同样的程序来取代受损的线粒体与健康的缓解症状在肝缺血再灌注的大鼠模型107年]。麦克卡利和赖我后悔都观察到线粒体的介绍缺血性病变组织,减少损伤和氧化应激和改进的复苏。尽管如此成功,这些实验无法做出任何结论三个因素可能是成功的关键线粒体疗法:提取浓度、线粒体可行性,organ-to-mitochondria比率。对第一个因素,实验证明相关的剂量响应分离线粒体的浓度了受损的组织。麦克卡利使用9.7×106±1.5×106/毫升的线粒体分离出健康的心脏注射0.1毫升,八倍的影响区缺血性心(49]。在他的研究中,我后悔赖用浓度为7.7×106±1.5×106/毫升的线粒体隔绝在一个0.1毫升注射到健康的肝脏脾脏被膜下的地区。尽管每个浓度产生疗效,既不成立的最佳注入浓度。另外,每个研究验证了可行性的孤立的线粒体在注射之前给定组织依赖于膜电位,应用荧光探针包括CMTMRos [107年)、JC1和呼吸运动计量法(49]。然而,目前尚不清楚线粒体的状态如何注射的时候影响治疗的成功。我们不能假定线粒体的最佳注入状态只是表示活动,因为活动不相关耦合电子传递链或活性氧的生产,从而损害线粒体和细胞108年]。此外,这些研究没有考虑organ-to-mitochondria比率的影响,虽然这个因素可能在线粒体的成功治疗有重要意义。麦克卡利和我后悔赖的研究非常重要,因为它们表明AMT体内会有疗效受损的肾脏和心脏组织;也许更有影响力,他们也开了新线路的调查帮助我们了解如何优化这些临床应用程序。
2014年,太阳等人线粒体转移到受损的成年雄性大鼠肺组织受急性呼吸窘迫综合征(ARDS) [109年]。在这个实验中,Hon-Yap犬吠和他的同事们转移到线粒体,线粒体褪黑激素,褪黑激素结合病变的肺部组织。褪黑激素是使用,因为它是一个已知的抗炎分子预防肺损伤疾病(110年]。伊斯兰教等。在他们之前的实验观察到线粒体的转移从骨骨髓来源基质细胞(bmsc)损害肺组织担任Hon-Yap叶氏的基础工作(8]。伊斯兰教等人证明BMSC线粒体转移到影响肺泡上皮细胞导致增加细胞生物能疗法,并额外保护作用[8]。考虑到伊斯兰教的工作等。8),Masuzawa et al。49林,et al。107年)、太阳等。109年线粒体)完成前静脉注射两种不同浓度(不是加上褪黑激素)750μg和1500μg在IBc稀释缓冲诱导大鼠6小时后ARDS。他们没有指定他们注射的总量。在其他化验,作者独自线粒体结合注射褪黑素,褪黑素。在这两种情况下,褪黑激素注射的浓度50毫克/公斤,6和ARDS是诱导后24小时。太阳et al。109年)观察到线粒体和线粒体+褪黑激素治疗降低了DNA损伤,ROS生成,细胞凋亡,与白蛋白的量支气管肺泡灌洗(BAL)、毛细管泄漏的指示蛋白质和促炎细胞因子,如MMP-9 TNF -α和NF -κB, (109年]。事实上,这项研究需要大量线粒体使它不太可能可以成功地应用于更大的生物。然而,这种传输方法可以更好地用于局部注射、付诸实践的麦克卡利等人的研究(16,49]。
黄等人转移到线粒体孤立肾的年轻的仓鼠老鼠遭受脑卒中引起的大脑中动脉阻塞(MCAO) [19,109年]。作者发现异种的线粒体有保护作用的管理,并与电动机性能的老鼠更快恢复。他们注入75μ10 g的线粒体稀释μl医师解决方案(0.25 M蔗糖,0.5毫米乙二醇四乙酸(EGTA), N - (2-hydroxyethyl)和3毫米piperazine-N¢-ethanesulfonic酸(玫瑰),pH值7.2)缺血性地层和注入750μg在100年μl到股动脉。有趣的是,作者表明,分离线粒体的直接原位注射更有效地拯救汽车活动比线粒体通过动脉注射。他们还表明,外生线粒体有伤害神经细胞内化的比例较低,但即便如此,低内化率似乎能充分发挥他们的保护特性。
AMT体内的应用应该进一步发展因为使用的所有调查到目前为止只有一个或两个线粒体剂量(16,19,107年,109年];这方面的相似性的研究协议限制了我们对线粒体的影响和治疗应用的理解。Hon-Yap Yip [109年]注入分离线粒体静脉注射和香港Lin-Sun [19]注入动脉内的线粒体;他们比较了这些方法的治疗效果的局限性与原位灌注。进一步研究将很重要如果线粒体注入循环系统的再生性能可比直接注入到受损的网站。一些可能的限制系统注入可能包括线粒体膜的完整性的损失,延误到达受损的网站,和其他的可能性在循环系统吞噬细胞线粒体,从而限制了线粒体的数量,最终到达受损组织。
两种趋势的研究和应用AMT细胞之间出现在过去的30年。1982年,克拉克和谢了线粒体的转换技术,基于简单的孤立coincubation线粒体和培养细胞(9]。2009年,麦克卡利等人创新直接体内方法(16]。这些技术建立指导AMT的未来发展的重要问题。例如,他们发现线粒体融合不会发生同样细胞之间,可以与不同的膜性质或组织细胞组织类似的转变。此外,他们把质疑隔离技术如何影响线粒体的功能和完整性,如果这些变化可能会影响传输本身。最后,他们质疑线粒体的基因遗产捐赠如何影响转移的影响线粒体在主机9]。这些问题已经明确作者像spe et al。7),Katrangi et al。13),Kitani et al。11),Kesner et al。14),吴et al。12],Caicedo et al。10];然而,工作仍然是必要的为了能够应用AMT在临床的设置。
许多该领域的相关问题仍有待回答。例如,它还不知道如何从不同的细胞线粒体能够提高或减少细胞过程。同样,该领域还必须决定是否转让线粒体是能够正确与内生的融合和沟通与原子核,这对他们的长期有效性至关重要。Caicedo等人先前观察到的骨髓间充质癌细胞的线粒体转移MitoCeption浓度高于1.25μg(以蛋白质)是有害的细胞增殖和更高的浓度(2.5μg >)限制了入侵(10]。最近,Kitani et al。11)和Kesner et al。14)观察到分离线粒体和培养细胞的coincubation足以促使细胞内化的线粒体,从而导致细胞功能的修复。然而,更多的研究是必要的理解如果额外程序像热休克,离心(10由肽[],细胞渗透15)与mitochondria-conjugated珠(91年),或介绍nanoblades [12)可以优化AMT和诱导受体细胞所需的效果。
开发AMT程序很容易复制和有效的,重要的是定义一个mitochondria-isolating过程标准,允许科学家获得纯粹的线粒体和分析转移的影响。线粒体的分离是基于离心分离的条件和速度,蔗糖的浓度的解决方案,和其他一些因素,当管理不当,会污染线粒体集中,因此产生负面影响治疗AMT过程的有效性。污染可能发生由于结构亲密和与其他细胞器(线粒体的功能连接85年]。密切例如,线粒体和内质网(ER)互动,共同形成了mitochondria-associated膜(播出),钙稳态中发挥关键作用,调节脂质代谢,和自噬111年,112年]。由于播出之间的紧密联系,与ER污染可能是最常见的AMT协议。同样,在其他细胞结构,线粒体隔离可能含有其他细胞器,线粒体相互作用,包括核、溶酶体和过氧化物酶体111年,113年- - - - - -116年]。克拉克和谢9),Katrangi et al。13),Kitani et al。11),Kesner et al。14)、太阳等。109年),和黄等。19)使用经典的蔗糖梯度与差速离心,然后,艾略特et al。101年),常et al。102年),Macheiner et al。91年林,et al。107年)实验套件用来保证纯度和活力的线粒体下游应用程序。麦克卡利等人并没有清晰地定义的协议类型用于线粒体分离他的体内过程16,49,50),但在他的最新评论(117年),他建议两个协议Gostimskaya和Galkin [118年和克劳德。119年),可以快速分离线粒体。2006年,spe等人简要提及了线粒体隔离协议涉及差速离心;然而,这篇文章可能没有提到这个协议的重要细节,因为实验没有产生任何成功的线粒体的内化与受体细胞(孵化7]。这个协议可能出人意料地失败了,因为污染的播出,这可能影响分离线粒体的内化,虽然没有工作迄今为止解决这个潜在的问题。
线粒体组织特异性分化状态时应考虑选择捐赠的线粒体。线粒体有不同的形状、大小、能源生产和代谢过程中细胞类型和分化状态120年,121年]。线粒体在细胞增殖过程中,修改它的动态,将从其他人,并与其他线粒体融合过程中由表达式进行Mfn2 Mfn1和或dynamin-related蛋白1 (OM DRP1) [122年]。有趣的是,生长因子erv1-like (gf)起着重要的作用在调节DRP1胚胎干细胞(ESCs)。当女朋友不存在,DRP1高度表示驾驶线粒体网络碎片化和减少ESCs的多能性(123年,124年]。分离线粒体的细胞在一个特定的状态像扩散'线粒体和影响他们的影响在受体细胞的线粒体网络甚至与内生线粒体融合的能力。大部分的研究关于转移过程进行了利用分化细胞如成纤维细胞的线粒体,肝细胞、msc、等(7,9,13,90年,93年]。测试不同的细胞状态很重要,了解外生与内生细胞器,线粒体的细胞的表型变化转移后,如果代谢重编程是可能的。
AMT展示了有前景的结果在治疗受损或强调细胞在体外和体内。了解他们的细胞内的作用机制将使我们探索与其他技术和混合AMT修复线粒体功能失调。AMT的使用可能会修复内生和受损的线粒体通过引入健康的副本受体细胞并诱导heteroplasmy状态。heteroplasmy、改变或致病性mtDNA存在与健康或野生型mtDNA [125年]。细胞消除受损的线粒体携带改变mtDNA mitophagy,维持线粒体池的一个关键过程质量(126年]。线粒体通过裂变中携带mtDNA改变不健康的副本,这些膜电位较低,这些过度ROS消除主要由PTEN-induced激酶1 (PINK1)和帕金途径[127年]。近年来,该领域已获得兴趣mitophagy因为它的影响在维持细胞生存能力和具备干细胞(125年,126年,128年- - - - - -130年]。雷帕霉素(mTOR)的抑制激酶活性激活mitophagy,从而提高对线粒体功能失调的选择。然而,但是健康的线粒体也必须存在诱导这个过程(126年]。使用mitophagy抗病诱导剂可以改善线粒体功能的线粒体疾病或其他疾病的线粒体代谢可以变更(131年]。了解AMT可能导致细胞线粒体突变和heteroplasmy鼓励健康的线粒体拷贝的间隙,以支持质量控制的线粒体mitophagy可能揭示新的治疗可能性(126年]。
需要更多的研究来了解可能的应用和AMT的挑战。坚实的临床化验必须设计为了选择最好的线粒体供者细胞来治疗特定疾病。使用这种方法,优化AMT的交付方法将进一步促进对于线粒体的不仅是细胞的强国也是积极的治疗药物。
5。AMT线粒体疾病和他们的潜在的治疗
线粒体疾病的病理生理学是复杂的考虑,他们可能是由于线粒体和核基因在正确的生物起源和功能的细胞器。目前,医疗方法治疗线粒体疾病只是缓和。出于这个原因,线粒体转移技术可能发挥治疗作用,个人护理或那些已经患有线粒体疾病的风险由DNA的突变造成的。主线粒体疾病(pmd)是由线粒体突变,由母系血统的继承和传播。这些突变一代又一代的传播引起的大多数已知的线粒体疾病如利综合症。这种综合症会影响mtDNA和核DNA (nuDNA),被认为是mitochondria-associated基因(132年]。mtDNA突变可以发生在生命和疾病的表达取决于受损线粒体的数量相比,健康细胞中副本。这些疾病是次要的线粒体疾病(47]。一旦个体细胞交叉一定阈值的线粒体受损,疾病将清单(133年]。在这些情况下,人工传递健康的线粒体受损细胞或组织可以帮助治疗疾病。
尽管通常被认为是罕见的,线粒体疾病似乎比以往更普遍。最近的工作建立了人口的频率至少1:5000134年,135年]。第一个mtDNA变化和线粒体疾病之间的联系建立在1988年136年- - - - - -138年),今天,超过260致病突变和120线粒体基因组重组分类(139年]。此外,无症状携带者mtDNA变异估计1:200134年),频率25倍的人们实际上患有线粒体疾病。因为健康携带者基因导致线粒体疾病可能不知道他们这些突变,有风险增加的潜在有害的基因传递给他们的孩子。
线粒体疾病的诊断非常困难,因为他们出现在许多其他non-mitochondrial-related疾病常见的症状和体征(140年]。因此,他们应该被视为综合症。临床表现可能影响身体的任何系统,但由于线粒体作为电站,受影响最严重的组织或器官是那些管理和消耗大量的能源。因此,最常见的线粒体疾病影响神经系统(包括感觉器官)和肌肉骨骼系统。由于生殖系统也需要大量的能量的器官,它还可以影响线粒体疾病。然而,这种疾病还没有收到尽可能多的研究关注线粒体疾病的其他系统,也许是因为他们并不危及生命。线粒体疾病的严重程度及其对患者生活质量产生负面影响强调这些障碍的创新管理的必要性。
随着新的治疗技术,操纵的线粒体生物可以让母亲携带突变mtDNA健康的后代。2016年人类第一次使用这组技术称为线粒体替换(重置),产生了“三亲婴儿”(97年,141年]。捷运技术消除大部分的变异线粒体在女性生殖细胞系生长发育的早期时期在宝宝出生之前,从而防止mitochondria-related完全发病率。一个方法,原核的转移,从一个受精卵移植细胞核变异线粒体,donor-derived无核的卵母细胞与健康的线粒体(96年]。后代从精子和接收其核基因组从最初的卵母细胞中,细胞核移植到donor-derived无核的卵母细胞中胞浆和健康的线粒体。尽管有一些成功的捷运的应用,这些高度侵袭性技术可能导致受精困难,因为它涉及到高水平的操作。例如,孕产妇主轴转移(MST)移植微管主轴系统附带所有染色体(原核形成之前)到一个健康的卵母细胞纺锤丝,有自己的删除在同一发展阶段;这种技术已经被证明是非常有效的猴子142年),但施肥问题曾被观察到在某些人类spindle-transferred卵母细胞(143年]。这种技术要求胚胎与微量吸液管穿,这不仅细胞膜破裂,但也可能破坏胞质细胞器和细胞骨架。这个入侵过程需要在所有捷运技术涉及核材料转移(143年,144年]。此外,卵母细胞必须经过额外的操作的必要的消融透明带(142年,144年]。在主轴转移,一些化学物质包括癌症药物细胞松弛素B和诺考达唑也应用于细胞,可能损害细胞的遗传物质(142年,144年]。此外,越江的使用是伦理争议,因为胚胎的过程必须被摧毁(145年]。AMT提供了一种微创方法允许线粒体突变的母亲健康的儿童,特别是在案件中,只有姑息治疗用于给定的线粒体疾病(146年]。
在未来,AMT可用于与诱导多能干细胞(万能)模型线粒体疾病或产生健康的细胞重新引入到病人。人们认为患病的体细胞可以用来生成万能细胞,然后将被迫分化成血统限制特定的病变组织的成体干细胞。一旦获得,这些细胞将由AMT接种健康的线粒体,然后注射到病变组织。这种组合技术可以应用于线粒体视网膜病变等疾病,目前没有已知的治疗治疗(147年,148年]。它可能会AMT与现有技术相结合用于获取特定视网膜祖细胞为了引入健康的线粒体病变细胞中复制,从而修复受损的线粒体池和治愈疾病149年]。
患者骨骼肌肉症状也可能受益于AMT mtDNA造成的损害。一个治疗方法,可以治疗这种疾病涉及线粒体的系统性注入允许他们到达目标的组织。然而,由于注射可能会稀释循环系统,足够数量的线粒体可能不会达到肌肉组织为了治愈它。线粒体Magnetomitotransfer可以更好的指导提供了另一种选择,到目标组织利用磁铁(91年]。另一个选择可能是注入更为集中的健康线粒体当地小动脉直接喂养特定肌肉或肌肉质量。这种方法一直试图在心脏,肌肉患有线粒体损伤后缺血性发作在心肌梗死(16,117年]。麦克卡利等人直接线粒体注入梗塞的区域,随后发现过程是有利于经济复苏的心脏组织16]。
这里列出的理论AMT程序可能有很大的治疗潜力的应用范围,从养护线粒体视网膜病变治疗肌肉骨骼症状(150年]。然而,为了解开AMT的治疗潜力,我们必须解决一系列的伦理问题和技术挑战人类安全地使用这个技术。重要的临床前实验之前必须进行适应AMT的临床试验。
6。伦理问题
英国成为世界上第一个国家正式批准使用线粒体捐赠,MST和PTN [151年]。本条例成立于2015年10月,许可和监管下的英国人类受精和胚胎学管理局(HFEA) (152年]。这医学和法律预先给家庭严重的线粒体疾病的可能性,允许他们有他们自己的基因健康的儿童。2016年,越江被认为道德由一个美国专家小组,只要程序遵守一定的准则。面板进一步建议捷运只能用于生产男性婴儿,从而避免代理捐赠线粒体后代的传播(153年]。
英国法定乐器的批准之前,有几个圆桌讨论涉及公众关注科学和伦理问题的捷运。这些well-scrutinized辩论产生广泛的支持和明显的失望。最终的共同点,通过调节线粒体的理解捐赠可以防止孩子遗传代谢性疾病,从而提供与线粒体疾病的父母有健康的孩子的机会。证明了在这种情况下,良好的监管有助于科学进步,避免挫折,,最终,在合理的时间内达到患者。
另一方面,一些选民表示极大的分歧在这场辩论之前,甚至在捷运的最终批准。负责监管机构现在必须开发一个健壮的个案许可协议考虑到这个过程的技术挑战和道德的复杂性。这是一个关键组成部分监管以避免挫折,为了便于捷运的进一步发展,并继续提供家庭影响线粒体疾病的一种方法,以确保宝宝的健康。实际上,对于一个诊所能够进行线粒体捐赠,它需要遵循许可过程分为两个阶段:首先,它将需要申请许可证,然后寻求额外的授权在特定情况下启动治疗。刚结束这漫长的合法化过程,第一个婴儿怀孕后使用捷运这个协议预计今年出生在英国。
许多专家建议使用线粒体的家庭捐赠应该鼓励而不是义务参加长期随访研究为了监视任何可能影响受孕儿童通过这种技术和未来几代人。这postprocedure后续的发展被认为是至关重要的,以确保这项技术能适应道德的进步和不断发展的社会政治气候的英国和更广阔的世界。然而,出于同样的原因,有潜在的缺陷逼近。例如,“医疗旅游”的国家缺乏技术或法律批准等程序可能会吸引病人到英国。这可能大大限制儿童的临床随访构思与捷运和任何相关的最终识别安全问题(154年]。
大多数反对捷运在自然科学或道德。主导这场争论的一个问题是关于捷运的分类作为一个医疗过程。捷运应考虑更类似于鸡蛋/精子捐赠或组织/器官捐赠吗?鉴于线粒体捐赠涉及基因的转移而不是核材料,这导致不确定性是否应该监管的鸡蛋或组织捐赠(155年]。许多研究已经得出结论,有助于个人特征和特征的基因完全来自核DNA (155年- - - - - -157年]。换句话说,品质源于孩子的父亲和母亲,而不是线粒体捐献者。尽管mtDNA之间的相互作用和细胞实体包括核DNA确实存在,没有证据表明核DNA可以通过表观遗传改变或易位机制。考虑到有限的线粒体的遗传贡献捐助者,捷运更容易被归类为过程类似于组织捐款。唯一确认特征来自捐献者mtDNA相关能源生产;这些特征被认为是次要的整体对生物体的影响。例如,线粒体基因组的变化与能量代谢的细微差别,如应付在高海拔地区的能力。
其他的研究考虑mtDNA生物能疗法(的贡献158年)是非常重要的因为mitochondria-related代谢过程在大脑中起着关键作用在神经递质释放和突触可塑性159年]。出于这个原因,正常的大脑功能的代谢需求使人类认知依赖于线粒体的功能。线粒体功能受损引起的mtDNA损害可能使神经元更容易受到氧化损伤(160年),从而允许系统或环境因素对大脑产生明显的影响。某些等位变异mtDNA基因往往会导致认知障碍,甚至猜测可能存在“线粒体痴呆”(161年]。支持这个论点,大量的其他证据表明线粒体功能障碍可能在精神疾病中发挥作用,如精神分裂症、双相情感障碍,重度抑郁症。线粒体功能障碍在一个小群体的研究发现,常见的删除和增加降低线粒体基因表达与精神疾病患病率增加(162年]。mtDNA的作用在人类认知和退化性疾病的发病在大型军团需要进一步临床研究。
在许多国家,伦理审查委员会允许父母决定是否愿意接受捷运的技术。尽管成功地应用了捷运,有正在进行的关于这个过程的成本效益的问题,特别是有关压力和侵袭性技术的潜在的母亲(163年]。英国专家委员会委托评估安全的捷运认为是“不安全”的技术基于成功试验完成在老鼠和猴子142年]。一个重要的问题是是否仍然需要额外的严格的临床前安全性测试,虽然技术已被批准用于人类。有新兴的证据最近文学关于捷运提出了担忧。例如,一个最近的出版物突出捐赠mtDNA逐渐丧失的胚胎干细胞(ES细胞)来自捷运胚胎和逆转孕产妇单体型。保守序列框内的小组确定了一个多态性II D-loop区域作为一个可信的原因具体的优惠复制mtDNA单。此外,他们证明了一些单赋予细胞增殖和生长优势(164年]。另一组提供mtDNA参与认知功能的直接证据。事实上,mtDNA之间的关系和神经系统的功能包括线粒体基因在神经发育和突触活动。的总替换mtDNA修改学习,探索,和感官发展以及大脑的解剖;所有的这些变化坚持时代。这些发现表明,线粒体多态性是不像先前认为无关紧要165年]。
此外,出现了新的证据表明,即使是低水平的heteroplasmy引入人类卵母细胞线粒体遗留在核移植经常消失。低水平的heteroplasmy有时反而导致mtDNA基因漂移,回归原始的基因型(166年]。重要的是不要过度解读这些结果,因为大多数在老鼠身上进行了相应的实验。此外,这些证据不应使用作为参数重新考虑批准,捷运,而是要考虑当执行推荐的捷运干预后出生的孩子(后续164年]。
一定要提到PNT(原核的转移)和MST都批准的人类受精和胚胎学权威基于成功完成与啮齿动物和非人灵长类动物的研究。然而,他们可能不是同样安全,因为只有MST已经在大型动物进行测试。MST测试时在成熟的非人类的灵长类动物的卵母细胞(解剖),它显示正常受精,胚胎发展,生产健康的后代(142年]。逐点比较MST, PNT详细表1(167年]。图表细节遗留物mtDNA但更高的潜在风险较低的MST染色体异常(168年]。
AMT,不涉及任何形式的核移植都有巨大的潜力来满足伦理和安全问题。Mitoception涉及线粒体的转移从供体受体细胞或组织,不涉及核材料的传递。然而,这种技术实现考虑临床前,需要一个彻底的伦理分析。一个核心问题是捐赠线粒体的起源。这需要个人分析autotransfer、allotransfer xenotransfer因为每个供体来源可能有独特的伦理和生物意义。autotransfer,从组织与低mtDNA线粒体突变风险可以用来治疗高度受损器官的同一个人。这个捐赠来源提出了一些道德问题但需要伟大的生物挑战,需要进一步复杂的实验和动物模型开发的使用。Allotransfer将利用线粒体基因捐赠亲密的家庭成员。理想情况下,人类的供体和受体应该共享相同的单体型(169年]。另外,如果没有近亲,单体型匹配可以考虑(170年]。另一个道德allotransfer棘手的选择是潜在的使用仍然可行从死亡的人类线粒体相对治疗(171年,172年]。xenotransfer,最后供体来源选择涉及线粒体的转移从另一个物种,人类173年]。这样似乎离经叛道,AMT的实验中这种变化没有显示明显不匹配影响动物传动物模型(174年]。动物和人类之间如果xenotransfer线粒体被成功执行体外或体内,许多伦理问题需要解决在考虑任何潜在的临床应用。
使用AMT技术不涉及核材料的转移引发了许多伦理和安全问题,但也可能提供新的治疗选择。相关的一个重要伦理辩论MST涉及婴儿的诞生与“三父母”;AMT可能提供了一种方法来解决这个争论,允许父亲的线粒体,而不是捐赠者的填充受精卵。另一个相关问题今天在生物医学科学处理捐赠来自其它人或动物的器官和组织用于治疗目的。AMT可能允许我们绕过这些辩论转移只有微小的细胞器而不是整个细胞或器官交易和治疗某些条件。AMT的应用应该进一步探讨这些可能性;然而,至关重要的是要注意,从体外到体内,后来到临床应用AMT意味着更大的伦理和生物安全的障碍。
充分框架的伦理挑战前沿生物医学过程喜欢AMT是极其困难的,因为这些辩论,至少在某种程度上,固定在社会文化语境中出现175年]。例如,英国最近在允许和调节大步捷运的治疗应用程序开发指南的使用(151年]。应该注意的是,英国一直是科学发展的沃土,许多其他国家甚至还没有开始考虑这些技术实验甚至因为本地化的道德和安全问题176年]。唯一办法妥善解决无数的道德和安全问题阻碍这项技术的全球发展是通过收集进一步的证据在这些过程和促进国家和国际对话在这些科目。
7所示。结论
本文分析当前AMT技术,描述了未来的所有步骤需要开发更好的体外,体内和临床应用。我们专注在提供全球已知第一个学术研究分析和总结AMT的领域。据我们所知,没有其他刊物比较了调查人员在体外和体内AMT的应用程序。我们的审查提供了一个全面的总结细胞中线粒体的影响,是自然和人为转移的机制,并对其潜在的临床应用相关的伦理问题。本文给出了一个简洁又详细的过去,现在,和未来的AMT,内部和外部,我们希望将东方科学家这一领域,并帮助他们为这项技术的进步作出贡献。
记住我们的目标东方其他科学家,作者想指出三个最终观察重要的进步。对AMT技术的发展,体外和体内过程在一个平行进化,而不是以顺序的方式(177年,178年]。这是不寻常的在生物医学领域中技术通常是首先完善了体外,然后后来在体内进一步发展和临床应用。虽然这有点非常规轨迹无疑产生有价值的知识,同样重要的是要认识到“跳过步骤”科学家可能已经离开重要差距我们对AMT的知识。
另一个潜在的途径科学调查中未涉及本文研究线粒体的基因改造之前人为转移。这样的修改可以从轻微改变的mtDNA为了更好地促进特定的细胞过程的创建完全人造的“超级”线粒体(179年,180年]。与其他转基因生物一样,这条线的调查不仅提出了一大堆的伦理、法律和生物安全问题,但也有可能极大地造福人类如果正确发展。
最后,作者想批评领域中使用的术语的AMT在服务更好的阐明AMT的独特性及其可能的治疗应用。调查人员目前使用条款线粒体转换(9),转移(93年),和移植117年,181年)互换指定从一个细胞线粒体的人工运输到另一个通过不同的方法。根据我们的标准,这个词最好的定义了这个过程转移。线粒体可以有效地转移到体外和体内通过各种流程如MitoCeption [10]和Magnetomitotransfer [91年]。线粒体“转换”产生误解,因为细胞转化,而不是线粒体。另外,因为“移植”一词被相关的组织和器官捐赠者和接受者之间的传输,传输应该用于表示亚细胞的组件(如线粒体的运输从一个细胞到另一个为了区分伦理、法律和医学相关的细微差别等程序,促进更多的讨论这些问题。
为了继续推进AMT的发展,至关重要的是,科学家们回答问题关键的功能这些技术,解决临床应用的挑战和解决伦理、法律、和生物安全问题将决定如果这一技术在逻辑上是适用的。解决这些障碍将使我们这一代能够解锁一个细胞器的变革潜力曾经仅仅考虑细胞发电厂。
缩写
| AMT: | 人工线粒体转移 |
| 如果: | 凋亡诱导因子 |
| ARDS: | 急性呼吸窘迫综合征 |
| 拜尔港: | 支气管肺泡灌洗 |
| BBB: | 血脑屏障 |
| 伴着: | 骨骨髓来源干细胞 |
| 帽子: | 氯霉素 |
| CM: | 嵴膜 |
| DRP1: | Dynamin-related蛋白1 |
| 英孚: | Efrapeptin |
| EGTA: | 乙二醇四乙酸 |
| 呃: | 内质网 |
| ESCs: | 胚胎干细胞 |
| 电动汽车: | 细胞外囊泡 |
| FGF-2: | 纤维母细胞生长因子2 |
| 女朋友: | 生长因子erv1-like |
| 玫瑰: | (N) - 2-hydroxyethyl piperazine-N′-ethanesulfonic酸 |
| HFEA: | 人类受精和胚胎学权威 |
| hMSCs: | 人类间充质干细胞 |
| HPH: | 缺氧肺动脉高压 |
| IBM: | 内界膜 |
| IMM: | 内线粒体膜 |
| 则: | 诱导多能干细胞 |
| 有限合伙人: | 脂多糖 |
| 播出: | Mitochondria-associated膜 |
| MCAO: | 大脑中动脉闭塞 |
| MERRF: | 与粗糙的红色纤维肌阵挛癫痫综合征 |
| Mfn1: | Mitofusin 1 |
| 进行Mfn2: | Mitofusin 2 |
| MMP-9: | 矩阵metalloproteinase-9 |
| 重置: | 线粒体的替代品 |
| msc: | 间充质干细胞 |
| MST: | 孕产妇主轴转移 |
| mtDNA: | 线粒体DNA |
| mTOR: | 哺乳动物雷帕霉素靶 |
| MVs: | 微泡 |
| 米βCD: | 甲基-β环糊精 |
| NF -κB: | 核因子kappa-light-chain-enhancer激活B细胞 |
| nuDNA: | 核DNA |
| OM: | 外膜 |
| 石: | 线粒体外膜 |
| OX-PHOS: | 氧化磷酸化 |
| 挂钩: | 聚乙二醇 |
| PDM: | 帕金森病模型 |
| PINK1: | PTEN-induced激酶1 |
| pmd: | 主要的线粒体疾病 |
| PNT: | 原核的转移 |
| 愤怒: | 受体晚期糖化终产物 |
| ROS: | 活性氧 |
| 肿瘤坏死因子α: | 肿瘤坏死因子α |
| tnt: | 隧道纳米管 |
| 紫外线: | 紫外线 |
| VEGF: | 血管内皮生长因子。 |
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者承认Caley Mikesell的支持。这项工作是由旧金山大学USFQ协作,USFQ总理USFQ医学院格兰特研究和USFQ出版基金,和智利fondecyt - 1170852,研究从CONICYT格兰特,智利科技委员会的调查。