«Батарейки» для сердца: учёные пересаживают митохондрии младенцам и пациентам после инсульта

Врачи Бостонской детской больницы пересаживают митохондрии — энергетические «батарейки» клеток — в повреждённые сердца новорождённых. Из 17 младенцев 80% удалось снять с аппарата жизнеобеспечения. Метод пробуют при инсультах, трансплантации органов и редких генетических болезнях.

Проблема крошечного сердца

Сердце новорождённого размером примерно с грецкий орех — что делает операцию на открытом сердце крайне сложной задачей. Ежегодно в США около 10 000 младенцев рождаются с критическими пороками сердца, которые могут потребовать операции, часто вскоре после рождения. У таких детей две основные артерии сердца могут быть перепутаны местами или левая сторона сердца может быть слишком маленькой, чтобы нормально качать кровь.

Даже если операции проходят успешно, этих малышей ждёт опасное восстановление. Осложнение может возникнуть, когда кровь возвращается в отремонтированное сердце, вызывая так называемое ишемически-реперфузионное повреждение. Это может ошеломить орган, вызвав обширное повреждение, из-за которого врачам приходится подключать ребёнка к аппарату жизнеобеспечения — ЭКМО, который качает кровь и насыщает её кислородом, заменяя ослабленные сердце и лёгкие. Лишь около 40% новорождённых удаётся снять с этого аппарата, потому что их крошечные сердца часто не восстанавливаются.

Идея: заменить «батарейку»

Врачи и учёные Бостонской детской больницы работают над улучшением этих шансов с помощью творческой идеи: заменить источник топлива в повреждённых клетках сердца, чтобы помочь им восстановиться после повреждения. Этот источник топлива — митохондрии, «батарейки», находящиеся в большинстве клеток тела. В данном случае митохондрии выделяют из мышцы живота и затем вводят непосредственно в сердце.

По состоянию на апрель 17 младенцев перенесли эту процедуру, и 80% из них были сняты с ЭКМО. Пока слишком рано говорить, улучшает ли лечение общую выживаемость, но ранние данные намекают, что может. В настоящее время идёт клиническое испытание.

«Первые один-два случая для меня были довольно нервными, — сказал Джеймс Маккалли, научный сотрудник Бостонской детской больницы и доцент хирургии Гарвардской медицинской школы, чья пионерская работа проложила путь этим процедурам. Его команда выделяет и очищает митохондрии, которые затем хирургическая бригада пересаживает пациентам. — Но знаете, сердце возвращается — вы буквально почти видите, как оно возвращается» в реальном времени. Сердце, лишённое энергии, выглядит бледным, а свежевосстановленное сердце розовеет здоровым румянцем.

Что такое трансплантация митохондрий

Переливания митохондрий младенцам — лишь один пример обещания «митохондриальной трансплантации». Вслед за Маккалли другие учёные начали исследовать, могут ли инфузии митохондрий оживить донорские органы, предназначенные для трансплантации, помочь пациентам после инсульта и лечить детей с разрушительными заболеваниями. Эта работа всё ещё крайне экспериментальна, и путь к регуляторному одобрению остаётся неясным. Но в своей основе она содержит простую идею: когда батарейка садится, вы её заменяете.

Тело человека содержит десятки триллионов клеток, большинство из которых содержат от сотен до тысяч митохондрий. По приблизительным подсчётам, это означает, что общая потенциальная энергия каждого человека «эквивалентна молнии», сказал Дуглас Уоллас, директор Центра митохондриальной и эпигеномной медицины Детской больницы Филадельфии.

Митохондрии производят большую часть химической энергии, используемой сложными клетками, вырабатывая молекулу под названием аденозинтрифосфат (АТФ). Идея переноса этих «фабрик топлива» из одной клетки в другую в качестве медицинского лечения возникла менее двух десятилетий назад — но клетки занимаются такими обменами самостоятельно уже целую вечность.

Реликт эволюционного прошлого

Доктор Джон Брестофф, доцент патологии и иммунологии и директор Инициативы по иммунометаболизму Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе, описывает эту способность перемещаться от клетки к клетке как реликт бактериального прошлого митохондрий. «Согласно гипотезе, перенос митохондрий, вероятно, сохранялся на протяжении всей эволюции эукариотической жизни», — сказал Брестофф.

Митохондрии — энергетические станции почти всех сложных клеток на Земле, и существует несколько теорий о том, как они приобрели эту повсеместную роль. Ведущая идея предполагает, что примерно 1,5–2 миллиарда лет назад одна простая клетка поглотила другую. Бактериальная клетка, которую проглотили, несла кольцевую петлю ДНК внутри своей мембраны, и эта захваченная клетка позже стала тем, что мы теперь знаем как митохондрию. Новая органелла позволила клеткам использовать обилие кислорода на нашей планете, превращая его в пригодное топливо.

Митохондрии сохранили бактериальные черты, такие как собственная ДНК и мембраны. Но в 2006 году исследователи сообщили, что митохондрии также могут покидать своего «хозяина» и выживать в путешествии в совершенно другую клетку — явление, известное как митохондриальный перенос. «Это была полная революция в мышлении, — сказал доктор Лэнс Беккер, профессор и заведующий кафедрой неотложной медицины Northwell Health и Институтов медицинских исследований Файнштейна. — С идеей, что митохондрии могут быть мобильными, что они могут пересекать границы, что они могут переходить из одной клетки в другую, пришла возможность, что, возможно, это то, что мы могли бы использовать, чтобы помогать людям».

Исследование 2006 года показало, что клетки, лишённые собственной митохондриальной ДНК, могут получать здоровые митохондрии от соседних клеток. После получения энергетических станций других клеток когда-то истощённые клетки смогли проводить энергетически затратные процессы, такие как деление клеток. Это исследование предоставило первые доказательства того, что одна клетка может «пожертвовать» метаболические свойства соседу, отправив свежую партию митохондрий.

«Сердце вернулось»

Путь Маккалли к митохондриальной трансплантации начался в 1980-х годах. Как молекулярный биолог, он хотел раскрыть механизмы, защищающие сердце от повреждений, особенно когда снабжение органа кислородом нарушено — например, во время ишемии, или низкого кровотока. Маккалли и его коллеги первоначально «не заботились о митохондриях ни на йоту», сказал он. Они были больше сосредоточены на ядре, центре управления, где хранится большая часть ДНК клетки. Но «что мы обнаружили, так это то, что всё, что мы делали, возвращалось к митохондриям».

Однажды, выделяя митохондрии из лабораторной свиньи, животное начало фибриллировать — его сердце стало биться очень быстро, с нескоординированным и быстрым ритмом. Команда попыталась восстановить ритм сердца электрическими разрядами и лекарствами, но безуспешно. И тут у Маккалли возникла идея. «В тот момент сердце приобретает серую бледность и выглядит мёртвым, — сказал он. — И я сказал: «Идите наверх, возьмите немного тех митохондрий, которые мы выделили из неишемического типа. Просто принесите их сюда»». Они ранее собрали здоровые митохондрии от той же свиньи, надеясь создать картину «до и после» ишемии. Вместо этого Маккалли суспендировал эти здоровые митохондрии в растворе и затем ввёл их непосредственно в фибриллирующее сердце свиньи. «И сердце вернулось — начало биться нормально. Оно изменило цвет, вернулось к розовому оттенку и просто продолжало работать», — сказал он.

Этот случайный эксперимент привёл к формальному тестированию методики на сердцах кроликов, результаты которого были опубликованы в 2008 году. В исследовании они вводили здоровые митохондрии в сердца кроликов во время ишемии, непосредственно перед реперфузией — когда кровь возвращается в лишённую кислорода ткань. Они обнаружили, что митохондрии улучшили восстановление органов и уменьшили отмирание тканей. Дальнейшие исследования на животных показали, что митохондрии, происходящие из одного типа ткани, например печени или скелетных мышц, могут быть введены в другие типы тканей, такие как сердечная мышца.

После того как доктор Педро дель Нидо, заведующий кафедрой кардиохирургии Бостонской детской больницы и профессор детской хирургии Гарвардской медицинской школы, увидел результаты Маккалли на животных, он предложил испытать методику на людях — а именно на младенцах на аппарате жизнеобеспечения ЭКМО. Они получили разрешение FDA на тестирование процедуры и преодолели необходимые регуляторные препятствия. Процесс был немного проще, потому что митохондрии брались из собственного тела пациентов, а не от донора. Первая процедура состоялась в 2014 году.

Во время каждой процедуры хирургическая бригада собирает небольшой образец скелетной мышцы пациента, а Маккалли затем выделяет целые митохондрии из ткани и готовит их в шприце. Он усовершенствовал технику выделения, чтобы время от взятия образца мышцы до инъекции митохондрий составляло всего 30 минут. В последнее время команда разрабатывает методику, которую можно выполнять прямо в операционной, а не в лаборатории, что может сократить время до 20 минут.

Органы для трансплантации

Пока Маккалли пытается защитить сердца младенцев, другие учёные хотят сделать то же самое для других органов — включая те, что предназначены для трансплантации. Для Джузеппе Орландо, профессора хирургии и регенеративной медицины Медицинской школы Университета Уэйк-Форест, митохондрии представляют потенциальный способ заставить донорские почки работать лучше. «В трансплантационной медицине одна из главных проблем — убедиться, что полученные органы хорошо хранятся и остаются жизнеспособными до имплантации», — сказал Орландо.

Поддержание жизнеспособности органа означает максимальное сохранение функции митохондрий, но процесс трансплантации тяжело сказывается на органеллах. «Эта энергетическая станция повреждена. Так что совершенно очевидно, что нужно начать думать о способе замены повреждённых митохондрий», — сказал Орландо.

В экспериментах на свиньях исследователи собирали и хранили почки животных так же, как обычно хранят человеческие почки перед трансплантацией. Одна группа почек получала плацебо, другая — инфузию митохондрий из мышечной ткани свиней-доноров. После реперфузии обработанные почки производили меньше свободных радикалов и накапливали меньше повреждений, чем необработанные. Орландо видит в митохондриях потенциальное средство для улучшения результатов пациентов и расширения пула доступных органов.

Добраться до мозга

Если инфузии свежих митохондрий могут помочь сердцу, почкам и лёгким, что насчёт мозга? Это вопрос, на который хочет ответить доктор Мелани Уокер и её коллеги из Медицинской школы Вашингтонского университета. Уокер лечит пациентов с ишемическими инсультами, вызванными тромбами, блокирующими кровоток к мозгу. Стандартные методы лечения могут растворить тромб, но не защищают мозг. «А как насчёт всех тех клеток, которые, может быть, не совсем мертвы — они на грани смерти? Что мы можем сделать, чтобы поддержать этих ребят?» — спрашивает она.

Команда UW Medicine слышала о работе Маккалли в Бостоне и задалась вопросом, можно ли применить нечто подобное у пациентов с инсультом. Но если операция на сердце открывает ткань, нуждающуюся в новых митохондриях, то добраться до мозга сложнее. «Вы же не делаете трепанацию черепа, чтобы ввести внутривенное лекарство», — сказала Уокер. Но она поняла, что вредный побочный эффект инсульта может дать возможность для лечения: сразу после инсульта защитный барьер мозга — гематоэнцефалический барьер — становится более проницаемым, чем обычно, позволяя большему количеству веществ проходить из кровотока в ткань мозга. Это может открыть дверь для митохондриальной трансплантации.

Исследование на мышах 2023 года, проведённое исследователями Виргинского университета при участии Уокер, подтвердило эту идею: митохондрии проникали в мозг после инсульта и интегрировались в клетки мозга. Лечение увеличило производство АТФ и снизило гибель клеток, вызванную инсультом, по сравнению с мозгом необработанных мышей. Эта работа проложила путь к первому испытанию митохондриальной трансплантации в человеческом мозге. Небольшое испытание безопасности включало взрослых пациентов с ишемическим инсультом, перенёсших тромбэктомию. Четверо получили митохондриальные трансплантаты во время процедур, 12 — нет. Никаких негативных побочных эффектов, связанных с трансплантатами, не было, что намекает на безопасность процедуры для людей.

Митохондриальные болезни и будущее

Помимо пороков сердца, донорских органов и инсульта, исследователи рассматривают митохондриальную трансплантацию как решение для генетических состояний, которые напрямую повреждают митохондрии. Брестофф и коллеги изучают потенциал терапии для лечения синдрома Лея — редкого неврологического заболевания, вызванного генетическими мутациями, которые нарушают работу топливопроизводящей машины в митохондриях. «У этих детей ужасный прогноз, — сказал Брестофф. — Большинство детей с наиболее распространённой формой синдрома, симптомы которого проявляются к 2 годам, умирают к 3 годам». Лекарства от синдрома нет, а методы облегчения симптомов ограничены. На мышах с тяжёлой формой синдрома Лея подход показал многообещающие результаты: улучшил функцию грызунов и продлил среднюю продолжительность жизни на 19–24%.

Некоторые компании, такие как Minovia Therapeutics со штаб-квартирой в Израиле, уже проводят клинические испытания с пациентами с другими типами митохондриальных болезней. Minovia проводит испытание с детьми с синдромом Пирсона, при котором отсутствующая митохондриальная ДНК нарушает функцию костного мозга.

Однако есть препятствия. FDA пока не одобрило ни одной органеллы в качестве терапии, поэтому стандарты и регуляторная база для области всё ещё формируются. Тем не менее область значительно продвинулась с момента своего начала как узкого теоретического интереса, а затем крайне экспериментальной процедуры для самых больных новорождённых. Учёные теперь исследуют лечение как решение многих распространённых состояний — от ревматоидного артрита до хронической боли. Беккер сравнил состояние области с ранними днями трансплантации органов. «Оказалось, что это была революция, когда вдруг можно было просто дать человеку пересаженную почку, — сказал он. — Я думаю, с митохондриями будет примерно так же».

Источники: Live Science, Бостонская детская больница, Гарвардская медицинская школа, Медицинская школа Вашингтонского университета, Университет Уэйк-Форест, UW Medicine, Minovia Therapeutics.