Митохондриальная трансплантация – новые вызовы раку
https://doi.org/10.37748/2686-9039-2024-5-1-7
EDN: YMKXII
Аннотация
В представленном обзоре обсуждаются вопросы, касающиеся уникальности митохондрий, обеспечивающих нормальные клеточные функции, в то же время их участие во многих патологических состояниях организма, а также анализируется существующая литература с целью разъяснения эффективности трансплантации митохондрий при лечении злокачественных заболеваний. Являясь важными и полуавтономными органеллами в клетках, они способны адаптировать свои функции к потребностям соответствующего органа. Возможность митохондрий перепрограммироваться важна для всех типов клеток, которые могут переключаться между состоянием покоя и пролиферацией. Вместе с тем митохондрии опухолей претерпевают адаптивные изменения для ускорения размножения опухолевых клеток в кислой и гипоксической микросреде. Согласно появляющимся данным стало известно, что митохондрии могут выходить за границы клеток, перемещаться между клетками организма. Межклеточный перенос митохондрий естественным образом происходит у людей как нормальный механизм восстановления поврежденных клеток. Выявленный физиологический митохондриальный перенос стал основой для создания современной формы трансплантации митохондрий, включая аутологичную (изогенную), аллогенную и даже ксеногенную трансплантацию. В настоящее время экзогенные здоровые митохондрии используются для лечения некоторых карцином, включая рак молочной железы, рак поджелудочной железы и глиому. Исследование функциональной активности здоровых митохондрий привело к обнаружению и доказательству того, что женские митохондрии обладают более высокой эффективностью подавления пролиферации опухолевых клеток, чем мужские митохондрии. Вместе с тем были описаны тканеспецифические половые различия в морфологии митохондрий и окислительной способности, и лишь немногие исследования показали функциональные половые различия митохондрий при терапии. Рассмотренные в обзоре исследования показывают, что трансплантация митохондрий может быть специфически нацелена на опухоль, с предоставлением доказательств изменений в функции опухоли после введения митохондрий. Таким образом, появление интереснейших данных об уникальных функциях митохондрий свидетельствуют об очевидной необходимости митохондриальной трансплантации.
Об авторах
О. И. КитРоссия
Кит Олег Иванович – академик РАН, д.м.н., профессор, генеральный директор, ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3061-6108, SPIN: 1728-0329, AuthorID: 343182, ResearcherID: U-2241-2017, Scopus Author ID: 55994103100
Конфликт интересов:
отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Е. М. Франциянц
Россия
Франциянц Елена Михайловна – д.б.н., профессор, заместитель генерального директора по научной работе, ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3618-6890, SPIN: 9427-9928, AuthorID: 462868, ResearcherID: Y-1491-2018, Scopus Author ID: 55890047700
Конфликт интересов:
отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
А. И. Шихлярова
Россия
Шихлярова Алла Ивановна – д.б.н., профессор, старший научный сотрудник лаборатории изучения патогенеза злокачественных опухолей, ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2943-7655, SPIN: 6271-0717, AuthorID: 482103, ResearcherID: Y-6275-2018, Scopus Author ID: 6507723229
Конфликт интересов:
отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
И. В. Нескубина
Россия
Нескубина Ирина Валерьевна – к.б.н., старший научный сотрудник лаборатории изучения патогенеза злокачественных опухолей, ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7395-3086, SPIN: 3581-8531, AuthorID: 794688, ResearcherID: AAG-8731-2019, Scopus Author ID: 6507509066
Конфликт интересов:
отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Список литературы
1. Schirrmacher V. Mitochondria at Work: New Insights into Regulation and Dysregulation of Cellular Energy Supply and Metabolism. Biomedicines. 2020 Nov 22;8(11):526. https://doi.org/10.3390/biomedicines8110526
2. Simoes ICM, Morciano G, Lebiedzinska-Arciszewska M, Aguiari G, Pinton P, Potes Y, et al. The mystery of mitochondria-ER contact sites in physiology and pathology: A cancer perspective. Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis. 2020 Oct 1;1866(10):165834. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2020.165834
3. Bruni F. Mitochondria: From Physiology to Pathology. Life (Basel). 2021 Sep 21;11(9):991. https://doi.org/10.3390/life11090991
4. Kit OI, Frantsiyants EM, Neskubina IV, Cheryarina ND, Shikhlyarova AI, Przhedetskiy YuV, et al. Influence of standard and stimulated growth of B16/F10 melanoma on AIF levels in mitochondria in cells of the heart and other somatic organs in female mice.Cardiometry. 2021;(18):113–120. https://doi.org/10.18137/cardiometry.2021.18.113120, EDN: UYZTGH
5. Popov LD. One step forward: extracellular mitochondria transplantation. Cell Tissue Res. 2021 Jun;384(3):607–612. https://doi.org/10.1007/s00441-021-03428-5
6. Xu Y, Yu Y, Yang B, Hui J, Zhang C, Fang H, et al. Extracellular Mitochondrial Components and Effects on Cardiovascular Disease. DNA Cell Biol. 2021 Sep;40(9):1131–1143. https://doi.org/10.1089/dna.2021.0087
7. Zhou H, Ren J, Toan S, Mui D. Role of mitochondrial quality surveillance in myocardial infarction: From bench to bedside. Ageing Res Rev. 2021 Mar;66:101250. https://doi.org/10.1016/j.arr.2020.101250
8. Kossenkov AV, Milcarek A, Notta F, Jang GH, Wilson JM, Gallinger S, et al. Mitochondrial fitness and cancer risk. PLoS One. 2022;17(10):e0273520. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0273520
9. Bock FJ, Tait SWG. Mitochondria as multifaceted regulators of cell death. Nat Rev Mol Cell Biol. 2020 Feb;21(2):85–100. https://doi.org/10.1038/s41580-019-0173-8
10. Hayes JD, Dinkova-Kostova AT, Tew KD. Oxidative Stress in Cancer. Cancer Cell. 2020 Aug 10;38(2):167–197. https://doi.org/10.1016/j.ccell.2020.06.001
11. Martinez-Reyes I, Cardona LR, Kong H, Vasan K, McElroy GS, Werner M, et al. Mitochondrial ubiquinol oxidation is necessary for tumour growth. Nature. 2020 Sep;585(7824):288–292. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2475-6
12. Lee JH, Park A, Oh KJ, Lee SC, Kim WK, Bae KH. The role of adipose tissue mitochondria: regulation of mitochondrial function for the treatment of metabolic diseases. Int J Mol Sci. 2019 Oct 4;20(19):4924. https://doi.org/10.3390/ijms20194924
13. Liu Z, Sun Y, Qi Z, Cao L, Ding S. Mitochondrial transfer/transplantation: an emerging therapeutic approach for multiple diseases. Cell Biosci. 2022 May 19;12(1):66. https://doi.org/10.1186/s13578-022-00805-7
14. Jing X, Yang F, Shao C, Wei K, Xie M, Shen H, et al. Role of hypoxia in cancer therapy by regulating the tumor microenvironment. Mol Cancer. 2019 Nov 11;18(1):157. https://doi.org/10.1186/s12943-019-1089-9
15. Dong L, Gopalan V, Holland O, Neuzil J. Mitocans Revisited: Mitochondrial Targeting as Efficient Anti-Cancer Therapy. Int J Mol Sci. 2020 Oct 26;21(21):7941. https://doi.org/10.3390/ijms21217941
16. Jia D, Park JH, Jung KH, Levine H, Kaipparettu BA. Elucidating the Metabolic Plasticity of Cancer: Mitochondrial Reprogramming and Hybrid Metabolic States. Cells. 2018 Mar 13;7(3):21. https://doi.org/10.3390/cells7030021
17. Li J, Agarwal E, Bertolini I, Seo JH, Caino MC, Ghosh JC, et al. The mitophagy effector FUNDC1 controls mitochondrial reprogramming and cellular plasticity in cancer cells. Sci Signal. 2020 Jul 28;13(642):eaaz8240. https://doi.org/10.1126/scisignal.aaz8240
18. Damaghi M, West J, Robertson-Tessi M, Xu L, Ferrall-Fairbanks MC, Stewart PA, et al. The harsh microenvironment in early breast cancer selects for a Warburg phenotype. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Jan 19;118(3):e2011342118. https://doi.org/10.1073/pnas.2011342118
19. Humpton TJ, Alagesan B, DeNicola GM, Lu D, Yordanov GN, Leonhardt CS, et al. Oncogenic KRAS Induces NIX-Mediated Mitophagy to Promote Pancreatic Cancer. Cancer Discov. 2019 Sep;9(9):1268–1287. https://doi.org/10.1158/2159-8290.CD-18-1409
20. Margulis L. Symbiotic theory of the origin of eukaryotic organelles; criteria for proof. Symp Soc Exp Biol. 1975;(29):21–38.
21. Hosseinian S, Ali Pour P, Kheradvar A. Prospects of mitochondrial transplantation in clinical medicine: Aspirations and challenges. Mitochondrion. 2022 Jul;65:33–44. https://doi.org/10.1016/j.mito.2022.04.006
22. Singh B, Modica-Napolitano JS, Singh KK. Defining the momiome: Promiscuous information transfer by mobile mitochondria and the mitochondrial genome. Semin Cancer Biol. 2017 Dec;47:1–17. https://doi.org/10.1016/j.semcancer.2017.05.004
23. Shanmughapriya S, Langford D, Natarajaseenivasan K. Inter and Intracellular mitochondrial trafficking in health and disease. Ageing Res Rev. 2020 Sep;62:101128. https://doi.org/10.1016/j.arr.2020.101128
24. Levoux J, Prola A, Lafuste P, Gervais M, Chevallier N, Koumaiha Z, et al. Platelets Facilitate the Wound-Healing Capability of Mesenchymal Stem Cells by Mitochondrial Transfer and Metabolic Reprogramming. Cell Metab. 2021 Feb 2;33(2):283– 299. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.12.006
25. Walters HE, Cox LS. Intercellular Transfer of Mitochondria between Senescent Cells through Cytoskeleton-Supported Intercellular Bridges Requires mTOR and CDC42 Signalling. Oxid Med Cell Longev. 2021;2021:6697861. https://doi.org/10.1155/2021/6697861
26. Ali Pour P, Hosseinian S, Kheradvar A. Mitochondrial transplantation in cardiomyocytes: foundation, methods, and outcomes. Am J Physiol Cell Physiol. 2021 Sep 1;321(3):C489–C503. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00152.2021
27. Doulamis IP, Guariento A, Duignan T, Kido T, Orfany A, Saeed MY, et al. Mitochondrial transplantation by intra-arterial injection for acute kidney injury. Am J Physiol Renal Physiol. 2020 Sep 1;319(3):F403–F413. https://doi.org/10.1152/ajprenal.00255.2020
28. Park A, Oh M, Lee SJ, Oh KJ, Lee EW, Lee SC, et al. Mitochondrial Transplantation as a Novel Therapeutic Strategy for Mitochondrial Diseases. Int J Mol Sci. 2021 Apr 30;22(9):4793. https://doi.org/10.3390/ijms22094793
29. Russell OM, Gorman GS, Lightowlers RN, Turnbull DM. Mitochondrial Diseases: Hope for the Future. Cell. 2020 Apr 2;181(1):168–188. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.051
30. Sidarala V, Pearson GL, Parekh VS, Thompson B, Christen L, Gingerich MA, et al. Mitophagy protects β cells from inflammatory damage in diabetes. JCI Insight. 2020 Dec 17;5(24):e141138. https://doi.org/10.1172/jci.insight.141138
31. Kitani T, Kami D, Kawasaki T, Nakata M, Matoba S, Gojo S. Direct human mitochondrial transfer: a novel concept based on the endosymbiotic theory. Transplant Proc. 2014 May;46(4):1233–1236. https://doi.org/10.1016/j.transproceed.2013.11.133
32. Katrangi E, D’Souza G, Boddapati SV, Kulawiec M, Singh KK, Bigger B, et al. Xenogenic transfer of isolated murine mitochondria into human rho0 cells can improve respiratory function. Rejuvenation Res. 2007 Dec;10(4):561–570. https://doi.org/10.1089/rej.2007.0575
33. Doulamis IP, Guariento A, Duignan T, Orfany A, Kido T, Zurakowski D, et al. Mitochondrial transplantation for myocardial protection in diabetic hearts. Eur J Cardiothorac Surg. 2020 May 1;57(5):836–845. https://doi.org/10.1093/ejcts/ezz326
34. Lin HC, Liu SY, Lai HS, Lai IR. Isolated mitochondria infusion mitigates ischemia-reperfusion injury of the liver in rats. Shock. 2013 Mar;39(3):304–310. https://doi.org/10.1097/SHK.0b013e318283035f
35. Blitzer D, Guariento A, Doulamis IP, Shin B, Moskowitzova K, Barbieri GR, et al. Delayed Transplantation of Autologous Mitochondria for Cardioprotection in a Porcine Model. Ann Thorac Surg. 2020 Mar;109(3):711–719. https://doi.org/10.1016/j.athoracsur.2019.06.075
36. Huang PJ, Kuo CC, Lee HC, Shen CI, Cheng FC, Wu SF, et al. Transferring Xenogenic Mitochondria Provides Neural Protection Against Ischemic Stress in Ischemic Rat Brains. Cell Transplant. 2016;25(5):913–927. https://doi.org/10.3727/096368915X689785
37. Patananan AN, Sercel AJ, Wu TH, Ahsan FM, Torres A, Kennedy SAL, et al. Pressure-Driven Mitochondrial Transfer Pipeline Generates Mammalian Cells of Desired Genetic Combinations and Fates. Cell Rep. 2020 Dec 29;33(13):108562. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108562
38. Lindqvist D, Wolkowitz OM, Picard M, Ohlsson L, Bersani FS, Fernström J, et al. Circulating cell-free mitochondrial DNA, but not leukocyte mitochondrial DNA copy number, is elevated in major depressive disorder. Neuropsychopharmacology. 2018 Jun;43(7):1557–1564. https://doi.org/10.1038/s41386-017-0001-9
39. Miller B, Kim SJ, Kumagai H, Mehta HH, Xiang W, Liu J, et al. Peptides derived from small mitochondrial open reading frames: Genomic, biological, and therapeutic implications. Exp Cell Res. 2020 Aug 15;393(2):112056. https://doi.org/10.1016/j.yexcr.2020.112056
40. Picca A, Beli R, Calvani R, Coelho-Júnior HJ, Landi F, Bernabei R, et al. Older Adults with Physical Frailty and Sarcopenia Show Increased Levels of Circulating Small Extracellular Vesicles with a Specific Mitochondrial Signature. Cells. 2020 Apr 15;9(4):973. https://doi.org/10.3390/cells9040973
41. Sahinbegovic H, Jelinek T, Hrdinka M, Bago JR, Turi M, Sevcikova T, et al. Intercellular Mitochondrial Transfer in the Tumor Microenvironment. Cancers (Basel). 2020 Jul 4;12(7):1787. https://doi.org/10.3390/cancers12071787
42. Roh JS, Sohn DH. Damage-Associated Molecular Patterns in Inflammatory Diseases. Immune Netw. 2018 Aug;18(4):e27. https://doi.org/10.4110/in.2018.18.e27
43. Elliott RL, Jiang XP, Head JF. Mitochondria organelle transplantation: introduction of normal epithelial mitochondria into human cancer cells inhibits proliferation and increases drug sensitivity. Breast Cancer Res Treat. 2012 Nov;136(2):347– 354. https://doi.org/10.1007/s10549-012-2283-2
44. Rushande AM, Kuwahara Y, Roudkenar MH. Mitochondrial transplantation as a potential and novel master key for treatment of various incurable diseases. Cytotechnology. 2019 Apr;71(2):647–663. https://doi.org/10.1007/s10616-019-00302-9
45. Fu A., Hou Y., Yu Z., Zhao Z., Liu X. Healthy mitochondria inhibit the metastatic melanoma in lungs. Int J Biol Sci. 2019;15:2707– 2718. https://doi.org/10.7150/ijbs.38104
46. Chang JC, Chang HS, Wu YC, Cheng WL, Lin TT, Chang HJ, et al. Mitochondrial transplantation regulates antitumour activity, chemoresistance and mitochondrial dynamics in breast cancer. J Exp Clin Cancer Res. 2019 Jan 23;38(1):30. https://doi.org/10.1186/s13046-019-1028-z
47. Sun C, Liu X, Wang B, Wang Z, Liu Y, Di C, et al. Endocytosis-mediated mitochondrial transplantation: Transferring normal human astrocytic mitochondria into glioma cells rescues aerobic respiration and enhances radiosensitivity. Theranostics. 2019;9(12):3595–3607. https://doi.org/10.7150/thno.33100
48. Al Amir Dache Z, Otandault A, Tanos R, Pastor B, Meddeb R, Sanchez C, et al. Blood contains circulating cell-free respiratory competent mitochondria. FASEB J. 2020 Mar;34(3):3616–3630. https://doi.org/10.1096/fj.201901917RR
49. Zhao Z, Yu Z, Hou Y, Zhang L, Fu A. Improvement of cognitive and motor performance with mitotherapy in aged mice. Int J Biol Sci. 2020;16(5):849–858. https://doi.org/10.7150/ijbs.40886
50. Fu A. Mitotherapy as a Novel Therapeutic Strategy for Mitochondrial Diseases. Curr Mol Pharmacol. 2020;13(1):41–49. https://doi.org/10.2174/1874467212666190920144115
51. Desdín-Micó G, Soto-Heredero G, Aranda JF, Oller J, Carrasco E, Gabandé-Rodríguez E, et al. T cells with dysfunctional mitochondria induce multimorbidity and premature senescence. Science. 2020 Jun 19;368(6497):1371–1376. https://doi.org/10.1126/science.aax0860
52. Chen Y, Yang F, Chu Y, Yun Z, Yan Y, Jin J. Mitochondrial transplantation: opportunities and challenges in the treatment of obesity, diabetes, and nonalcoholic fatty liver disease. J Transl Med. 2022 Oct 22;20(1):483. https://doi.org/10.1186/s12967-022-03693-0
53. Roushandeh AM, Kuwahara Y, Roudkenar MH. Mitochondrial transplantation as a potential and novel master key for treatment of various incurable diseases. Cytotechnology. 2019 Apr;71(2):647–663. https://doi.org/10.1007/s10616-019-00302-9
54. McCully JD, Cowan DB, Emani SM, Del Nido PJ. Mitochondrial transplantation: From animal models to clinical use in humans. Mitochondrion. 2017 May;34:127–134. https://doi.org/10.1016/j.mito.2017.03.004
55. Ramirez-Barbieri G, Moskowitzova K, Shin B, Blitzer D, Orfany A, Guariento A, et al. Alloreactivity and allorecognition of syngeneic and allogeneic mitochondria. Mitochondrion. 2019 May;46:103–115. https://doi.org/10.1016/j.mito.2018.03.002
56. Ventura-Clapier R, Moulin M, Piquereau J, Lemaire C, Mericskay M, Veksler V, et al. Mitochondria: a central target for sex differences in pathologies. Clin Sci (Lond). 2017 May 1;131(9):803–822. https://doi.org/10.1042/CS20160485
57. Beaudry KM, Devries MC. Sex-based differences in hepatic and skeletal muscle triglyceride storage and metabolism 1. Appl Physiol Nutr Metab. 2019 Aug;44(8):805–813. https://doi.org/10.1139/apnm-2018-0635
58. Demarest TG, McCarthy MM. Sex differences in mitochondrial (dys)function: Implications for neuroprotection. J Bioenerg Biomembr. 2015 Apr;47(1–2):173–188. https://doi.org/10.1007/s10863-014-9583-7
59. Yu Z, Hou Y, Zhou W, Zhao Z, Liu Z, Fu A. The effect of mitochondrial transplantation therapy from different gender on inhibiting cell proliferation of malignant melanoma. Int J Biol Sci. 2021;17(8):2021–2033. https://doi.org/10.7150/ijbs.59581
Дополнительные файлы
Рецензия
Для цитирования:
Кит О.И., Франциянц Е.М., Шихлярова А.И., Нескубина И.В. Митохондриальная трансплантация – новые вызовы раку. Южно-Российский онкологический журнал/ South Russian Journal of Cancer. 2024;5(1):60-70. https://doi.org/10.37748/2686-9039-2024-5-1-7. EDN: YMKXII
For citation:
Kit O.I., Frantsiyants E.M., Shikhlyarova A.I., Neskubina I.V. Mitochondrial transplantation: new challenges for cancer. South Russian Journal of Cancer. 2024;5(1):60-70. https://doi.org/10.37748/2686-9039-2024-5-1-7. EDN: YMKXII