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Wissenschaftler entwickeln eine einfache Methode zur Übertragung von Mitochondrien in Säugetierzellen

Wissenschaftler entwickeln eine einfache Methode zur Übertragung von Mitochondrien in Säugetierzellen
  • Forscher entwickeln ein einfaches Hochdurchsatzgerät namens MitoPunch, um isolierte Mitochondrien und ihre DNA (mtDNA) in Säugetierzellen zu übertragen. 

  • Obwohl der mitochondriale Transfer nichts Neues ist, kann MitoPunch Mitochondrien gleichzeitig in mehr als 100.000 Empfängerzellen übertragen. 

  • Diese Methode ermöglicht es Forschern, spezifische genetische Komponenten von Zellen anzupassen, was hoffentlich zu besseren Behandlungen für eine Vielzahl von Krankheiten führt. 

Dieser Artikel wurde in den Nachrichten des UCLA Jonsson Comprehensive Cancer Center veröffentlicht: 

Wissenschaftler des UCLA Jonsson Comprehensive Cancer Center haben eine einfache Hochdurchsatzmethode für den Transfer isolierter Mitochondrien und ihrer zugehörigen mitochondrialen DNA in Säugetierzellen entwickelt. Dieser Ansatz ermöglicht es Forschern, eine wichtige genetische Komponente von Zellen anzupassen, um schwächende Krankheiten wie Krebs, Diabetes und Stoffwechselstörungen zu untersuchen und möglicherweise zu behandeln.

Eine Studie, die heute in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Zellberichtebeschreibt, wie das neue, von der UCLA entwickelte Gerät namens MitoPunch Mitochondrien gleichzeitig in 100.000 oder mehr Empfängerzellen überträgt, was eine deutliche Verbesserung gegenüber bestehenden Mitochondrientransfertechnologien darstellt. Das Gerät ist Teil der kontinuierlichen Bemühungen von UCLA-Wissenschaftlern, Mutationen in der mitochondrialen DNA zu verstehen, indem sie kontrollierte, manipulative Ansätze entwickeln, die die Funktion menschlicher Zellen verbessern oder menschliche mitochondriale Erkrankungen besser modellieren.

„Die Fähigkeit, Zellen mit gewünschten mitochondrialen DNA-Sequenzen zu erzeugen, ist von großer Bedeutung für die Untersuchung, wie Genome in den Mitochondrien und im Zellkern interagieren, um Zellfunktionen zu regulieren, was für das Verständnis und die potenzielle Behandlung von Krankheiten bei Patienten von entscheidender Bedeutung sein kann“, sagte Alexander Sercel, Doktorand bei der David Geffen School of Medicine der UCLA und Co-Erstautor der Studie.

Mitochondrien, oft als „Kraftwerk“ einer Zelle bezeichnet, werden von der Mutter einer Person geerbt. Sie sind auf die Integrität der mitochondrialen DNA angewiesen, um ihre wesentlichen Funktionen zu erfüllen. Vererbte oder erworbene Mutationen der mitochondrialen DNA können die Energieproduktion erheblich beeinträchtigen und zu schwächenden Krankheiten führen.

Technologien zur Manipulation mitochondrialer DNA bleiben hinter den Fortschritten bei der Manipulation von DNA im Zellkern zurück und könnten Wissenschaftlern möglicherweise dabei helfen, Krankheitsmodelle und regenerative Therapien für durch diese Mutationen verursachte Störungen zu entwickeln. Aktuelle Ansätze sind jedoch begrenzt und komplex und können Mitochondrien größtenteils nur in eine begrenzte Anzahl und Vielfalt von Zellen mit den gewünschten mitochondrialen DNA-Sequenzen transportieren.

Das MitoPunch-Gerät ist einfach zu bedienen und ermöglicht einen konsistenten mitochondrialen Transfer von einer Vielzahl von Mitochondrien, die aus verschiedenen Spenderzelltypen isoliert wurden, in eine Vielzahl von Empfängerzelltypen, sogar für nichtmenschliche Spezies, einschließlich aus Mäusen isolierter Zellen.

„Was MitoPunch von anderen Technologien unterscheidet, ist die Fähigkeit, nicht unsterbliche, nicht bösartige Zellen wie menschliche Hautzellen zu manipulieren, um einzigartige mitochondriale DNA-Kerngenom-Kombinationen zu erzeugen“, sagte Co-Erstautor Alexander Patananan, Postdoktorand an der UCLA Wissenschaftler, der jetzt bei Amgen arbeitet. „Dieser Fortschritt ermöglichte es uns, den Einfluss spezifischer mitochondrialer DNA-Sequenzen auf Zellfunktionen zu untersuchen, indem er auch die Umprogrammierung dieser Zellen in induzierte pluripotente Stammzellen ermöglichte, die dann in funktionierende Fett-, Knorpel- und Knochenzellen differenziert wurden.“

MitoPunch wurde in den Laboren von Dr. Michael Teitell, Direktor des Jonsson Cancer Center und Professor für Pathologie und Labormedizin, und Pei-Yu (Eric) Chiou, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied, entwickelt Science und Ting-Hsiang Wu von ImmunityBio, Inc., Culver City, CA.

MitoPunch baut auf früherer Technologie und einem Gerät namens photothermischem Nanoblade auf, das das Team 2016 entwickelt hat. Aber im Gegensatz zum photothermischen Nanoblade, für dessen Betrieb hochentwickelte Laser und optische Systeme erforderlich sind, arbeitet MitoPunch mit Druck, um eine isolierte mitochondriale Suspension durch einen porösen Körper zu treiben mit Zellen beschichtete Membran. Die Forscher schlagen vor, dass dieser angelegte Druckgradient die Fähigkeit schafft, Zellmembranen an diskreten Stellen zu durchstechen, wodurch die Mitochondrien direkt in die Empfängerzellen eindringen und anschließend die Zellmembran reparieren können.

„Als wir das photothermische Nanoblade zum ersten Mal entwickelten, wussten wir, dass wir ein System mit höherem Durchsatz und einfacherer Handhabung benötigen würden, das auch für andere Labore leichter zu montieren und zu bedienen ist“, sagte Teitell, der auch Leiter der Abteilung für Kinder- und Jugendmedizin ist Entwicklungspathologie und Mitglied des UCLA Broad Stem Cell Research Center.

„Dieses neue Gerät ist sehr effizient und ermöglicht es Forschern, das mitochondriale Genom auf einfache Weise zu untersuchen – indem es von einer Zelle in eine andere ausgetauscht wird –, wodurch die grundlegende Biologie aufgedeckt werden kann, die ein breites Spektrum von Zellfunktionen steuert und könnte, eines Tages Hoffnung für die Behandlung von mitochondrialen DNA-Erkrankungen geben.“

Diese Studie wurde veröffentlicht in Zellberichte im Dezember 2020. 

 



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