Nach ihrer Entdeckung in der Mitte des neunzehnten Jahrhunderts waren Mitochondrien als Organellen im Inneren der Zellen bekannt . Doch dieses Bild hat sich inzwischen erheblich gewandelt. Die Forschung der letzten Jahre hat die zellgebundene Natur der Mitochondrien in Frage gestellt und nahegelegt, dass sie eher mehrzellige Organellen sind, sagt der Immunologe Jonathan Brestoff, der an der Universität von Washington den Stoffwechsel erforscht. Mit anderen Worten, es scheint, dass Energiespeicher, die bisher als stationär galten, eher mobil sind und bei Bedarf von einer Zelle zur anderen springen können .

Es ist noch nicht klar, warum Mitochondrien so mobil sind. Einige Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Zellen ihre Mitochondrien bei Bedarf an ihre Nachbarn weitergeben können. Die neu angekommenen Mitochondrien können dann die Geweberegeneration und das Immunsystem anregen oder eine in Not geratene Zelle vor der Zerstörung bewahren. Andere Forschungen deuten darauf hin, dass der Mitochondrientransfer auch eine tödliche Waffe sein kann, die eingesetzt wird, um Krebszellen auszunutzen.

Was dies alles für die menschliche Gesundheit bedeutet, ist jedoch noch ein Rätsel. Den Forschern ist es bisher nicht gelungen, den Prozess im menschlichen Körper zu reproduzieren, so dass sie nicht mit Sicherheit wissen, ob er beim Menschen stattfindet. Diese Tatsache hält die Experten jedoch nicht davon ab, allmählich zu erforschen, wie die Übertragung von Mitochondrien zur Behandlung einer Reihe von Krankheiten, einschließlich Krebs und Schlaganfall, eingesetzt werden könnte.

Ein verschlucktes Bakterium

In den letzten drei Jahrzehnten haben Experten entdeckt, dass Mitochondrien viel mehr sind als nur Kraftwerke in Zellen, die Nährstoffe in Energie umwandeln. Sie spielen bei vielen Prozessen im Körper eine Schlüsselrolle: Sie steuern die Kommunikation, die die Zellen am Laufen hält, und tragen zur Immunabwehr gegen schädliche Eindringlinge bei. Und sie sind auch sehr vielfältig. Letztes Jahr wurde beispielsweise festgestellt, dass Mitochondrien zwei verschiedene Formen annehmen können, um den Zellen zu helfen Nährstoffmangel zu überleben. In einer anderen Studie, die im März veröffentlicht wurde, wurden die Dichte und die Arten der Mitochondrien im menschlichen Gehirn modelliert.

Die derzeit vorherrschende Theorie besagt, dass alle Mitochondrien von demselben uralten Bakterium abstammen. Vor etwa 1,5 Milliarden Jahren wurde dieses Bakterium von der Mikrobe verschlungen, aus der sich schließlich die Eukaryoten entwickelten - die große Gruppe von Organismen, zu der auch wir gehören und deren Zellen einen umschriebenen Kern haben.

Nach vielen evolutionären Drehungen und Wendungen wurde dieses verschlungene Bakterium zu der Zellorganelle, die unseren Stoffwechsel antreibt. Der mikrobielle Ursprung der Mitochondrien erklärt wahrscheinlich, warum sie dynamischer sind, als es zunächst den Anschein hat, sagt Kazuhide Hayakawa, ein Neurowissenschaftler am Massachusetts General Hospital, der untersucht, wie die Übertragung von Mitochondrien zur Behandlung von Schlaganfällen beitragen könnte.

- sagt er.

Jeffrey Spees, ein Stammzellenbiologe an der Universität von Vermont, und seine Kollegen haben 2006 erstmals Mitochondrien dabei beobachtet, wie sie von einer Zelle zur anderen springen . Das Team versuchte, ein rätselhaftes Verhalten bei der Untersuchung von Stammzellen im Labor zu verstehen. Die Zellen schienen eine Art physikalische Information zu teilen, die ihre Differenzierung steuert, und man vermutete, dass Mitochondrien daran beteiligt sind.

Um die Rolle der Mitochondrien zu untersuchen, kultivierten die Forscher menschliche Lungenkrebszellen ohne Mitochondrien und aus dem Knochenmark stammende Stammzellen. Das Team markierte die Mitochondrien in den Stammzellen mit fluoreszierenden Proteinen und verfolgte mit Hilfe von Bildgebungsverfahren, was dann geschah. Die Bilder zeigten deutlich, dass die Stammzellen ihre Mitochondrien aussprossen, die dann von den mutierten Lungenzellen aufgenommen werden. Nach der Spende erlangten die Lungenzellen schnell wieder ihre Fähigkeit, sich zu teilen und Glukose in Energie umzuwandeln.

Seitdem haben Forscher die Bewegung von Mitochondrien bei vielen anderen Zelltypen beobachtet. Manchmal wandern Mitochondrien durch Nanoröhren, die sich zwischen den Zellen bilden, in anderen Fällen machen sie sich in blasenförmigen Vesikeln auf den Weg oder schwimmen frei im Blut. Wie sich Mitochondrien fortbewegen, ist weitgehend bekannt, aber warum, ist weit weniger klar. Laut Clair Crewe, einer Zellbiologin an der University of Washington, gehen Experten zunehmend davon aus, dass dieser Prozess oft als eine Art Schadenskontrolle für die Zellen dient.

So deuten einige Studien darauf hin, dass die Übertragung von Mitochondrien Zellen helfen kann, neurologische Krisen zu überleben. Im Jahr 2016 fanden Hayakawa und Kollegen heraus, dass bei Mäusen, die einen Schlaganfall erlitten hatten, Stützzellen, sogenannte Astrozyten, Mitochondrien an geschädigte Neuronen liefern.

Hemmten die Forscher den Mitochondrientransfer, überlebten weniger Neuronen, was darauf hindeutet, dass die gespendeten Organellen der Schlüssel zur Erholung der Zellen waren. Welcher Teil der Struktur oder Funktion der Mitochondrien die Zellen schützte, ist laut Hayakawa jedoch noch nicht bekannt.

Auch Lungenzellen können in Krisenzeiten von Mitochondrien profitieren, sagt Jahar Bhattacharya, ein Forscher an der Columbia University, der sich auf eine schwere Entzündung namens akute Lungenverletzung spezialisiert hat. Er und seine Kollegen fanden heraus, dass bei Mäusen, die an einer solchen Entzündung litten, Stromazellen - aus denen das Bindegewebe besteht - ihre Mitochondrien an Lungenzellen abgeben können. Die übertragenen Organellen erhöhten die ATP-Konzentration in den Lungenzellen, die auch auf benachbarte Zellen übertragen wurde, die keine neuen Mitochondrien erhalten hatten. Diese erkrankten Lungen zeigten mehr Zeichen der Heilung als erkrankte Lungen, die keine externen Mitochondrien erhalten hatten.

Im Jahr 2021 fanden Anne-Marie Rodriguez, Zellbiologin an der Universität Sorbonne, und Kollegen heraus, dass aus menschlichem Blut isolierte Blutplättchen ihre Mitochondrien auf Stammzellen übertragen, wenn die Forscher die beiden Zelltypen in eine Petrischale legten. Nachdem die Stammzellen die Mitochondrien aufgenommen hatten, setzten sie Moleküle frei, die bei der Bildung neuer Blutgefäße eine Rolle spielen. Als die Zellen auf die Hautwunden von Mäusen gelegt wurden, heilten die Läsionen schneller als bei Nagetieren, die nur Stammzellen oder nur Blutplättchen erhalten hatten.

Die Forscher vermuten, dass Zellen mit dysfunktionalen Mitochondrien sogar gesunde Mitochondrien von ihren Nachbarn anfordern können, obwohl die genauen Mechanismen hinter diesem Prozess noch unklar sind. "Wir fangen gerade erst an, die beteiligten Signalwege zu verstehen", sagt Crewe.

Alltägliche Operationen?

Abgesehen von ihrer Rolle bei der Regeneration wollen die Forscher auch wissen, ob die mitochondriale Übertragung ein wichtiger Bestandteil alltäglicher biologischer Prozesse ist. Erste Hinweise deuten darauf hin, dass dieser Vorgang auch zur Erhaltung gesunder Gewebe beitragen kann. Letztes Jahr entdeckten Minghao Zheng, ein Regenerationsbiologe an der University of Western Australia, und seine Kollegen , dass bestimmte Arten von Astrozyten Mitochondrien an die Zellen spenden, die die Blutgefäße im Gehirn von Mäusen auskleiden. Als die Forscher diesen Prozess unterbrachen, wurde die Blut-Hirn-Schranke "undicht", was darauf hindeutet, dass die Übertragung von Mitochondrien zur Aufrechterhaltung dieses Schutzschildes beiträgt. Zheng und sein Team haben bereits berichtet, dass die Übertragung von Mitochondrien in Mäuseknochen die Bildung neuer Blutgefäße beschleunigen kann.

Brestoff und Kollegen haben auch gezeigt, dass bei Mäusen die weißen Fettzellen ihre Mitochondrien auf Makrophagen übertragen, die weißen Blutkörperchen, die Zelltrümmer verschlingen. Bei fettleibigen Mäusen war die Zahl der übertragenen Organellen reduziert, und sie verbrannten auch weniger Energie als ihre gesunden Artgenossen. Diese zellulären Zellen könnten den Makrophagen helfen zu funktionieren, wenn ihr Stoffwechsel gestört ist, sagt Brestoff.

Patricia Alejandra Luz-Crawford, Immunologin an der Universität der Anden in Chile, und Kollegen haben in Studien an Zellkulturen festgestellt, dass bestimmte Arten von T-Zellen, die Mitochondrien von Stammzellen erhalten, weniger Entzündungsmoleküle produzieren. Stammzellen, die von Menschen mit rheumatoider Arthritis kultiviert wurden, übertragen weniger Mitochondrien auf T-Zellen als Stammzellen von gesunden Menschen, was nach Ansicht der Forscher zu der mit der Krankheit verbundenen chronischen Entzündung beitragen kann.

Es gibt jedoch noch viele unbeantwortete Fragen zum Mitochondrientransfer, z. B. was die Organellen tun können, wenn sie erst einmal in den Zellen sind, und wie lange sie an ihrem neuen Standort bleiben. Daher ist es auch schwierig zu verstehen, welche spezifische Rolle die Organellen bei Krankheiten wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Fettleibigkeit spielen könnten. In vivo-Studien haben die Funktion der Mitochondrien nur in einigen wenigen Gewebetypen verfolgt, so dass es schwierig ist, sich ein umfassendes Bild von den weiteren Auswirkungen dieser Transfers auf die Gesundheit zu machen.

Die meisten Forschungsarbeiten befassen sich mit dem Kontext: Sie dokumentieren, wie sich Zellen von anderen unterscheiden, nachdem sie gespendete Organellen erhalten haben. Sie müssen jedoch noch nachweisen, dass die gespendeten Mitochondrien die Veränderungen in den Zellen verursachen, sagt José Antonio Enríquez Domínguez, Molekularbiologe am spanischen Nationalen Zentrum für kardiovaskuläre Forschung.

Die Forscher haben auch andere Fragen zu dem Transfer. Auch wenn es wie ein nützlicher Akt aussieht, zeigen Studien, dass einige Zellen die Mitochondrien als Abfall entsorgen. In anderen Fällen nehmen Zellen möglicherweise externe Mitochondrien auf, um sich einen Vorteil zu verschaffen. Was genau Zellen dazu veranlasst, ihre Mitochondrien abzugeben, und was es anderen ermöglicht, sie aufzunehmen, ist noch nicht bekannt, fügt Enríquez Domínguez hinzu.

Weitere Forschungen sind auch erforderlich, um die möglichen negativen Auswirkungen zu untersuchen, sagt der Experte.

Nach dieser Interpretation scheint es, dass die Übertragung von Mitochondrien den Krebszellen hilft, dem Immunsystem zu entkommen und invasiver und behandlungsresistenter zu werden. Studien deuten auch darauf hin, dass sich Krebszellen schneller vermehren, wenn sie Mitochondrien von anderen Zellen übernehmen.

Neue Behandlungen?

Obwohl dies außerhalb von Zellkulturen noch nicht bestätigt werden konnte, gibt es Hinweise darauf, dass die Übertragung von Mitochondrien auch beim Menschen stattfinden kann. Vor einem Jahrzehnt entdeckten Forscher frei schwimmende Mitochondrien im menschlichen Blut. Und im Januar dieses Jahres wurde eine Studie veröffentlicht, in der die Autoren Mitochondrien einer kleinen Gruppe von Krebspatienten untersuchten und feststellten, dass bei einigen Probanden die Immunzellen, die den Tumor angreifen, genetisch mutierte Mitochondrien von Krebszellen enthielten , die offenbar die Immunzellen daran hindern, die Krankheit abzuwehren.

Die Hindernisse für den Nachweis und das Verständnis der mitochondrialen Übertragung sind zumindest teilweise auf technologische Beschränkungen zurückzuführen: Fluoreszierende Proteine, die Mitochondrien anzeigen können, können die Funktion der Organellen verändern, was sie für den Einsatz beim Menschen zu riskant macht, so Brestoff. Daher ist die Analyse der Sequenzen der mitochondrialen DNA (mtDNA) aus Spender- und Empfängerzellen die einzige praktikable Methode, um Rückschlüsse auf die mitochondriale Übertragung im menschlichen Körper zu ziehen. Allerdings bedeutet die Bewegung von genetischem Material nicht, dass die gesamte Organelle übertragen wurde, warnt Brestoff.

Trotz der unbekannten Elemente sind sich viele der Forscher, die sich mit der Übertragung von Mitochondrien beschäftigen, ziemlich sicher, dass dies zumindest gelegentlich beim Menschen geschieht. Ein Großteil der Forschung über die biologischen Grundlagen des Prozesses ist durch den Wunsch motiviert, diesen Prozess zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit zu nutzen. Wenn sich herausstellt, dass die mitochondriale Übertragung eine wichtige biologische Rolle im Körper spielt, könnte dies eine Reihe potenzieller Behandlungsmöglichkeiten eröffnen, sagt Jeremy Baldwin, ein Krebsimmunologe am Leibniz-Institut für Immuntherapie.

Dazu gehören seltene genetische Erkrankungen wie das Leigh-Syndrom, bei dem neuronale Nekrosen Krampfanfälle und Entwicklungsverzögerungen verursachen, aber auch Herzerkrankungen und Schlaganfälle. Andere Forscher testen einen Ansatz, der als mitochondriale Augmentation bezeichnet wird und bei dem gesunde Mitochondrien unter Laborbedingungen in die Stammzellen von Patienten eingebracht werden, bevor die Stammzellen wieder in die Patienten transplantiert werden.

Einige Forscher haben damit begonnen, Behandlungen zu entwickeln, die sich auf die körpereigene Fähigkeit der Mitochondrien zur Transduktion stützen. So könnte der Prozess eines Tages genutzt werden, um die derzeitigen T-Zell-Therapien zu verbessern, bei denen die eigenen Immunzellen eines Menschen zur Krebsbekämpfung eingesetzt werden. Letztes Jahr kultivierten Baldwin und Kollegen Stromazellen mit T-Zellen in einer Petrischale. Die Stromazellen gaben ihre Mitochondrien über Nanoröhrchen an die T-Zellen ab, was die Stoffwechselfunktionen der T-Zellen verbesserte.

Andere Forscher versuchen, die Zellen dazu zu bringen, Mitochondrien zu spenden. Letztes Jahr transplantierten Brestoff und Kollegen Knochenmark von gesunden Mäusen in Mäuse mit Leigh-Syndrom. Die Transplantation veranlasste die Blutstammzellen, ihre Mitochondrien freizusetzen, die nach Verlassen des Knochenmarks auf Zellen in verschiedenen Organen übertragen wurden. Die Übertragung der Mitochondrien wurde mit einer verbesserten neurologischen Funktion und einer höheren Überlebensrate bei Mäusen in Verbindung gebracht. Obwohl noch nicht klar ist, wie dieser Transfer zustande kam, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass es sich um eine durchführbare Behandlung handeln könnte, sagt Brestoff.

Doch bevor eine solche Therapie in die klinische Praxis umgesetzt werden kann, müssen die Forscher den Mitochondrientransfer besser verstehen, sagt er. Sie müssen die spezifischen Mechanismen klären und Methoden entwickeln, um den Weg der therapeutischen Mitochondrien von Zelle zu Zelle und vielleicht auch zu anderen Organen und Geweben zu verfolgen. Wie Brestoff sagt: