Τα μιτοχόνδρια (μιτοχόνδριο) είναι το «εργοστάσιο ενέργειας» του κυττάρου. Τα μιτοχόνδρια περιέχουν ένα σύνολο γενετικού υλικού, το -- μιτοχονδριακό DNA (mtDNA), το οποίο είναι ανεξάρτητο από τον πυρήνα. Λόγω του σημαντικού ρόλου των μιτοχονδρίων στην ενεργειακή ομοιόσταση, οι μιτοχονδριακές διαταραχές μπορεί να οδηγήσουν σε πολλαπλές ασθένειες, συμπεριλαμβανομένων αναπτυξιακών διαταραχών, νευρομυϊκών παθήσεων, μεταβολικών ασθενειών, εξέλιξης καρκίνου κ.λπ.
Αν και οι επιστήμονες γνώριζαν από καιρό ότι τα μιτοχόνδρια παίζουν καθοριστικό ρόλο στο μεταβολισμό και την παραγωγή ενέργειας των καρκινικών κυττάρων. Ωστόσο, μέχρι στιγμής, λίγα είναι γνωστά για τη σχέση μεταξύ της δομικής οργάνωσης του μιτοχονδριακού δικτύου και της λειτουργικής βιοενεργειακής του δραστηριότητας σε συνολικό επίπεδο όγκου.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες δημοσίευσαν πρόσφατα μια ερευνητική εργασία στο περιοδικό Nature, με τίτλο: Spatial mapping of mitochondrial networks and bioenergetics in lung cancer.
Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (PET) σε συνδυασμό με ηλεκτρονική μικροσκοπία για τη δημιουργία ενός 3-διαστατικού χάρτη υπερ-ανάλυσης του μιτοχονδριακού δικτύου σε γενετικά τροποποιημένους όγκους πνεύμονα ποντικού. Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε την τεχνολογία βαθιάς μάθησης (Deep Learning) για να ταξινομήσει τους όγκους με βάση τη μιτοχονδριακή δραστηριότητα και άλλους παράγοντες για να ποσοτικοποιήσει τη μιτοχονδριακή δομή εκατοντάδων κυττάρων και χιλιάδων μιτοχονδρίων σε ολόκληρο τον όγκο.
Η ομάδα εξέτασε δύο κύριους υποτύπους -- αδενοκαρκινώματος πνεύμονα (LUAD) και ακανθοκυτταρικού καρκινώματος πνεύμονα (LUSC) σε μη μικροκυτταρικό καρκίνο του πνεύμονα (NSCLC) και εντόπισε διαφορετικά υποσύνολα μιτοχονδριακών δικτύων σε αυτούς τους όγκους. Είναι σημαντικό ότι ανακάλυψαν ότι τα μιτοχόνδρια οργανώνονται συχνά με σταγονίδια λιπιδίων για να δημιουργήσουν μοναδικές υποκυτταρικές δομές που υποστηρίζουν τον μεταβολισμό των καρκινικών κυττάρων και τη μιτοχονδριακή δραστηριότητα.
Τα μιτοχόνδρια είναι απαραίτητα για τον έλεγχο του μεταβολισμού και της βιοενέργειας στα καρκινικά κύτταρα, σχηματίζοντας εξαιρετικά οργανωμένα δίκτυα στα οποία οι δομές της εσωτερικής και εξωτερικής μεμβράνης καθορίζουν τη βιοενεργειακή τους ικανότητα. Ωστόσο, οι μελέτες που περιγράφουν τη δομική οργάνωση των μιτοχονδριακών δικτύων και τη βιοενεργειακή τους δραστηριότητα in vivo παραμένουν περιορισμένες.
Σε αυτή τη μελέτη, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε μια ολοκληρωμένη πλατφόρμα που αποτελείται από απεικόνιση τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων, αναπνευστική μέτρηση και τρισδιάστατη ηλεκτρονική μικροσκοπία επιφανειακών μπλοκ σάρωσης για να πραγματοποιήσει in vivo δομική και λειτουργική ανάλυση του μιτοχονδριακού δικτύου και του βιοενεργητικού φαινοτύπου του μη μικροκυτταρικού καρκίνου του πνεύμονα (NSCLC).
Οι διαφορετικοί φαινότυποι βιοενέργειας και η μεταβολική εξάρτηση που εντόπισε η ερευνητική ομάδα στους όγκους του NSCLC είναι συνεπείς με τη διακριτή δομική οργάνωση του μιτοχονδριακού δικτύου που υπάρχει. Επιπλέον, η μελέτη αποκάλυψε ότι το μιτοχονδριακό δίκτυο είναι οργανωμένο σε διακριτές περιοχές στα καρκινικά κύτταρα.
Ένα μιτοχονδριακό δίκτυο που περιβάλλει σταγονίδια που έρχονται σε επαφή και περιβάλλουν σταγονίδια λιπιδίων βρέθηκε σε όγκους με υψηλή οξειδωτική φωσφορυλίωση και ρυθμούς οξείδωσης λιπαρών οξέων. Ενώ σε όγκους με χαμηλούς ρυθμούς οξειδωτικής φωσφορυλίωσης, η υψηλή ροή γλυκόζης ρυθμίζει τον περιπυρηνικό εντοπισμό των μιτοχονδρίων, τη δομική αναδιαμόρφωση των κρυστάλλων και τη μιτοχονδριακή αναπνευστική ικανότητα. Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι το μιτοχονδριακό δίκτυο χωρίζεται σε διακριτούς υποπληθυσμούς που ελέγχουν τη βιοενεργειακή ικανότητα των όγκων.
Η ομάδα λέει ότι η μελέτη αντιπροσωπεύει το πρώτο βήμα για τη δημιουργία ενός τρισδιάστατου χάρτη υψηλής ανάλυσης του καρκίνου του πνεύμονα χρησιμοποιώντας ένα γενετικά τροποποιημένο μοντέλο ποντικιού. Χρησιμοποιώντας αυτούς τους χάρτες, η ερευνητική ομάδα άρχισε να δημιουργεί περαιτέρω δομικούς και λειτουργικούς χάρτες όγκων του πνεύμονα, οι οποίοι μπορούν να βοηθήσουν στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα καρκινικά κύτταρα οργανώνουν δομικά τις κυτταρικές τους δομές ως απάντηση στις υψηλές μεταβολικές απαιτήσεις της ανάπτυξης του όγκου. Αυτά τα ευρήματα παρέχουν επίσης βασικές πληροφορίες σχετικά με τη λειτουργία των μιτοχονδρίων στα καρκινικά κύτταρα, υποσχόμενοι να παρέχουν νέες πληροφορίες και βελτιωμένες προσεγγίσεις για τις τρέχουσες στρατηγικές θεραπείας του καρκίνου, ενώ υποδεικνύουν μια νέα κατεύθυνση για τη στόχευση του καρκίνου του πνεύμονα.
Ο Δρ Han Mingqi, ο επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας, είπε ότι η μελέτη βρήκε νέα στη μεταβολική ροή του καρκίνου του πνεύμονα, αποκαλύπτοντας ότι οι διατροφικές προτιμήσεις των καρκινικών κυττάρων του πνεύμονα μπορεί να καθοριστούν από την υποκυτταρική διαμερισματοποίηση των μιτοχονδρίων και άλλων οργανιδίων τους, είτε γλυκόζη είτε ελεύθερα λιπαρά οξέα. Αυτό το εύρημα έχει σημαντικές επιπτώσεις για την ανάπτυξη αποτελεσματικών αντικαρκινικών θεραπειών που στοχεύουν σε συγκεκριμένες διατροφικές προτιμήσεις για τον όγκο. Η προσέγγιση πολυτροπικής απεικόνισης μας επιτρέπει να αποκαλύψουμε αυτήν την άγνωστη μέχρι τώρα πτυχή του μεταβολισμού του καρκίνου και πιστεύουμε ότι μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλους τύπους καρκίνου, ανοίγοντας το δρόμο για περαιτέρω έρευνα σε αυτόν τον τομέα.
