Wissenschaftler entwickeln Hochleistungs-Mitochondrien-Transfergerät

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Methode wird Forschern helfen, mitochondriale DNA-Krankheiten besser zu verstehen.
Wissenschaftler des UCLA Jonsson Comprehensive Cancer haben eine einfache Hochdurchsatz-Methode entwickelt, um isolierte Mitochondrien und die dazugehörige mitochondriale DNA in Säugetierzellen zu übertragen.

Dieser Ansatz ermöglicht es Forschern, eine wichtige genetische Komponente von Zellen maßgeschneidert zu verändern, um schwächende Krankheiten wie Krebs, Diabetes und Stoffwechselstörungen zu untersuchen und möglicherweise zu behandeln.

Eine Studie, die online in der Fachzeitschrift Cell Reports veröffentlicht wurde, beschreibt, wie das neue von der UCLA entwickelte Gerät, MitoPunch genannt, Mitochondrien in 100.000 oder mehr Empfängerzellen gleichzeitig überträgt, was eine deutliche Verbesserung gegenüber bestehenden Technologien zum Transfer von Mitochondrien darstellt.

Das Gerät ist Teil der fortgesetzten Bemühungen der UCLA-Wissenschaftler, Mutationen in der mitochondrialen DNA zu verstehen, indem sie kontrollierte, manipulative Ansätze entwickeln, die die Funktion menschlicher Zellen verbessern oder menschliche mitochondriale Krankheiten besser modellieren.
“Die Fähigkeit, Zellen mit gewünschten mitochondrialen DNA-Sequenzen zu erzeugen, ist mächtig für das Studium, wie Genome in den Mitochondrien und dem Zellkern interagieren, um Zellfunktionen zu regulieren, was entscheidend für das Verständnis und die potenzielle Behandlung von Krankheiten bei Patienten sein kann”, sagte Alexander Sercel, ein Doktorand an der David Geffen School of Medicine an der UCLA und Co-Erstautor der Studie.
Mitochondrien, die oft als das “Kraftwerk” einer Zelle bezeichnet werden, werden von der Mutter eines Menschen vererbt.

Sie sind auf die Integrität der mitochondrialen DNA angewiesen, um ihre essentiellen Funktionen zu erfüllen.

Vererbte oder erworbene Mutationen der mitochondrialen DNA können die Energieproduktion erheblich beeinträchtigen und zu schwächenden Krankheiten führen.
Technologien zur Manipulation der mitochondrialen DNA hinken den Fortschritten bei der Manipulation der DNA im Zellkern hinterher und könnten Wissenschaftlern helfen, Krankheitsmodelle und regenerative Therapien für Erkrankungen zu entwickeln, die durch diese Mutationen verursacht werden.

Die derzeitigen Ansätze sind jedoch begrenzt und komplex und können zumeist nur Mitochondrien mit den gewünschten mitochondrialen DNA-Sequenzen in eine begrenzte Anzahl und Vielfalt von Zellen einbringen.
Das MitoPunch-Gerät ist einfach zu bedienen und ermöglicht konsistente Mitochondrientransfers von einer Vielzahl von Mitochondrien, die aus verschiedenen Spenderzelltypen isoliert wurden, in eine Vielzahl von Empfängerzelltypen, sogar für nicht-menschliche Spezies, einschließlich für aus Mäusen isolierte Zellen.
“Was MitoPunch von anderen Technologien abhebt, ist die Fähigkeit, nicht-immortale, nicht-maligne Zellen wie menschliche Hautzellen so zu manipulieren, dass sie einzigartige Kombinationen aus mitochondrialer DNA und Kerngenom erzeugen”, sagte Co-Erstautor Alexander Patananan, ein UCLA-Postdoktorand, der jetzt bei Amgen arbeitet. “Dieser Fortschritt ermöglichte es uns, die Auswirkungen spezifischer mitochondrialer DNA-Sequenzen auf die Zellfunktionen zu untersuchen, indem wir auch die Reprogrammierung dieser Zellen in induzierte pluripotente Stammzellen ermöglichten, die dann in funktionierende Fett-, Knorpel- und Knochenzellen differenziert wurden.”
MitoPunch wurde in den Labors von Dr. Michael Teitell, Direktor des Jonsson Cancer Center und Professor für Pathologie und Labormedizin, Pei-Yu (Eric) Chiou, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, und Ting-Hsiang Wu von ImmunityBio, Inc. in Culver City, CA, entwickelt.
MitoPunch baut auf einer früheren Technologie und einem Gerät namens photothermische Nanoblade auf, das das Team 2016 entwickelt hat.

Aber im Gegensatz zur photothermischen Nanoblade, die hochentwickelte Laser und optische Systeme benötigt, um zu funktionieren, funktioniert MitoPunch, indem es Druck verwendet, um eine isolierte mitochondriale Suspension durch eine poröse Membran zu treiben, die mit Zellen beschichtet ist.

Die Forscher schlagen vor, dass dieser angewandte Druckgradient die Fähigkeit schafft, Zellmembranen an diskreten Stellen zu durchstechen, was den Mitochondrien einen direkten Eintritt in die Empfängerzellen ermöglicht, gefolgt von einer Reparatur der Zellmembran.
“Wir wussten, als wir zum ersten Mal die photothermische Nanoblade entwickelt haben, dass wir ein System mit höherem Durchsatz benötigen, das einfacher zu bedienen ist und für andere Labore leichter zu montieren und zu betreiben ist”, sagte Teitell, der auch Leiter der Abteilung für pädiatrische und Entwicklungspathologie und Mitglied des UCLA Broad Stem Cell Research Center ist. “Dieses neue Gerät ist sehr effizient und ermöglicht es den Forschern, das mitochondriale Genom auf einfache Weise zu studieren – indem sie es von einer Zelle in eine andere austauschen -, was dazu genutzt werden kann, die grundlegende Biologie aufzudecken, die eine breite Palette von Zellfunktionen steuert und eines Tages Hoffnung für die Behandlung von Krankheiten mitochondrialer DNA bieten könnte.”
Referenz: “Pressure-Driven Mitochondrial Transfer Pipeline Generates Mammalian Cells of Desired Genetic Combinations and Fates” von Alexander N. Patananan, Alexander J. Sercel, Ting-Hsiang Wu, Fasih M.

Ahsan, Alejandro Torres Jr., Stephanie A.L. Kennedy, Amy Vandiver, Amanda J.

Collier, Artin Mehrabi, Jon Van Lew, Lise Zakin, Noe Rodriguez, Marcos Sixto, Wael Tadros, Adam Lazar, Peter A. Sieling, Thang L. Nguyen, Emma R

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